輸電線路帶電更換絕緣子作業(yè)機器人研究

摘 要：電網(wǎng)的可靠性為我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的提供強有力的保障，其中輸電線路的安全可靠供電是最為關(guān)鍵的部分。由于電能不能存儲的特性，要求電網(wǎng)必須處于不停運的工作狀態(tài)，而輸電線路一直處于氣候不斷變化的工作環(huán)境，隨著時間的推移會出現(xiàn)一些不可避免的故障。其中絕緣子損壞是最為常見的情況，如果不及時進(jìn)行檢修更換，將會導(dǎo)致事故的發(fā)生，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)解裂，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。絕緣子帶電更換帶電作業(yè)是一項工作強度高、危險系數(shù)大的工作任務(wù)。針對此項工作任務(wù)本文提出一種替代作業(yè)人員完成帶電更換輸電線絕緣子的機器人。

關(guān)鍵詞：輸電線路；絕緣子更換；帶電更換絕緣子作業(yè)機器人

中圖分類號：TM755 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）35-0035-02

隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，機器人在許多領(lǐng)域得到了廣泛的實際應(yīng)用。其中無人機、電力巡檢機器人、帶電作業(yè)機器手臂在電力行業(yè)也是屢見不鮮。使用機器人代替作業(yè)人員完成各項帶作業(yè)任務(wù)，提高了作業(yè)的效率。絕緣子更換作業(yè)需要作業(yè)人員登上輸電塔架，在空中進(jìn)行作業(yè)。由機器人代替作業(yè)人員進(jìn)入危險環(huán)境中，提高了作業(yè)的安全性，并且避免人身傷亡事故的發(fā)生?，F(xiàn)如今電能是全世界最為重要的能源，因此保證供電的可靠性至關(guān)重要。而絕緣子更換作業(yè)是保證供電可靠性措施中最為常見而且重要的工作任務(wù)。輸電線路帶電更換絕緣子作業(yè)機器人的研究將會成為智能電網(wǎng)建設(shè)和維護(hù)的重要手段。

1 絕緣子串的結(jié)構(gòu)

架空輸電線路由絕緣子將輸電導(dǎo)線和輸電桿塔進(jìn)行分離，以保證輸電線路傳輸電能的可靠性。其中絕緣子起著支撐輸電導(dǎo)線和防止短路接地的作用。由于絕緣子長期暴露在空氣中，容易遭受雷擊、鳥類、惡劣天氣等情況影響。這些情況都可會對絕緣子造成一定程度損壞。當(dāng)輸電線路絕緣子出現(xiàn)缺陷、損壞、殘舊等故障，雖然一時間不會立即造成事故，但是不即時進(jìn)行處理，會將會釀成嚴(yán)重的事故。為了保證輸電線路的安全可靠，電網(wǎng)會對輸電線路絕緣子進(jìn)行周期性巡檢，避免輸電線路發(fā)生故障。

輸電線路絕緣子串的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸電鐵塔與絕緣子串通過專用Z型掛板相連接。輸電線路和絕緣子串通過W型碗頭掛相連接。

2 更換絕緣子作業(yè)步驟

目前我國電網(wǎng)作業(yè)人員進(jìn)行絕緣子帶電更換作業(yè)流程大致相同，首先作業(yè)人員需登上鐵塔靠近絕緣子，然后通過專用作業(yè)工具將絕緣子底部的W銷取出，將絕緣子碗頭脫出。通過地面作業(yè)人員的利用收緊吊物傳遞繩，將進(jìn)行更換的絕緣子串緩慢的降至地面。最后地面作業(yè)人員通過收緊吊物傳遞繩將新絕緣子升至適當(dāng)位置，鐵塔上的作業(yè)人員利用專用工具將新的絕緣子安裝完畢。整個過程對塔上作業(yè)人員的作業(yè)要求極高，而且塔上存在高空作業(yè)和誤碰帶電輸電線路的觸電危險，屬于特種作業(yè)范疇。

結(jié)合實際現(xiàn)場人工更換絕緣子的作業(yè)步驟，我們設(shè)計一種可以替代塔上作業(yè)人員的絕緣子帶電更換機器人。絕緣子帶電更換機器人作業(yè)的具體步驟，如下：

（1）機器人通過電動卷揚機上線；

（2）機器人移動至懸垂線夾；

（3）機械手移動到需更換絕緣子位置；

（4）機械手末端的W銷拔插裝置定位并夾持碗頭掛板；

（5）W銷拔插裝置拔出碗頭掛板上的W銷；

（6）塔上作業(yè)人員更換絕緣子。

3 絕緣子更換作業(yè)機器人作業(yè)分析

在現(xiàn)場實際絕緣子串拔取過程，只需將W銷從碗口的反方向進(jìn)行拔出，即可將絕緣子串與輸電線路分離。通過實際工作的分析，只需要將機械手臂末端裝置的W銷拔插裝置定位實際W銷的位置后，然后利用夾爪裝置將工作位置固定，最后完成W銷的拔出任務(wù)。通過對W銷拔出作業(yè)的分析，通過3D模擬仿真軟件solidworks的模擬，整個作業(yè)流程分為：①碗頭掛板定位；②夾持碗頭掛板；③夾緊W銷；④拔出W銷四個步驟。模擬仿真圖如圖2所示。

輸電線路絕緣子串的取出作業(yè)分為：①絕緣子串定位；②夾持鋼帽；③推出絕緣子串三個步驟，如圖3所示。絕緣子裝入的操作步驟與取出的步驟剛好相反，當(dāng)機器手臂完絕緣子更換的工作任務(wù)后，機器人移動到初始位置，即完成輸電線路絕緣子更換的工作任務(wù)。

4 機器人總體設(shè)計

輸電線路絕緣子更換作業(yè)機械人以移動機器人由機器人本體、行走輪、夾爪以及等電位輪四大部分組成，其中機器人的作業(yè)手臂對稱分布在機器人本體兩端兩機械臂，實現(xiàn)多角度的擺動，在機械手臂上固定有行走輪，使其可以在輸電線路上進(jìn)行移動，并在機械手臂的末端安裝可以夾緊導(dǎo)線的夾爪裝置，使輸電線路絕緣子更換作業(yè)機器人在工作時保證其穩(wěn)定性，為了滿足機器人等電位作業(yè)能力，采用等電位技術(shù)，在機器人行走輪一側(cè)安裝等電位輪，使得絕緣子更換作業(yè)機器人與導(dǎo)線始終為同一電位，不會有電壓差，保證整個機構(gòu)的可靠性。

絕緣子更換作業(yè)機器人設(shè)計有機械手臂，分別在機器人本體兩側(cè)對稱布置。其中橫向移動關(guān)節(jié)1和橫向移動關(guān)節(jié)2通過電機帶動可以實現(xiàn)橫向地移動，通過橫向移動關(guān)節(jié)的橫向移動使機械手臂末端的執(zhí)行機構(gòu)與絕緣子串接觸；俯仰關(guān)節(jié)1和俯仰關(guān)節(jié)2使得機械手臂實現(xiàn)自由的旋轉(zhuǎn)；伸縮關(guān)節(jié)1和伸縮關(guān)節(jié)2可以使得末端執(zhí)行機構(gòu)在垂直方向進(jìn)行一定范圍的升降；回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1和回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2可以實現(xiàn)自由的旋轉(zhuǎn)；最后通過驅(qū)動縱向移動關(guān)節(jié)1和縱向移動關(guān)節(jié)2的電機，對機械手臂的末端執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行小范圍的調(diào)整，使其準(zhǔn)確的到達(dá)絕緣子串中心面的位置。通過橫向移動關(guān)節(jié)、俯仰關(guān)節(jié)、伸縮關(guān)節(jié)、回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和縱向移動關(guān)節(jié)的協(xié)同工作，將機械手臂的末端執(zhí)行機構(gòu)準(zhǔn)確的移動到W插銷的位置。

W銷拔插裝置和絕緣子串取裝機構(gòu)構(gòu)成組成了輸電線路絕緣子更換作業(yè)機器人的末執(zhí)行機構(gòu)。W銷拔插裝置通過末端機構(gòu)上的移動關(guān)節(jié)1進(jìn)行工作，完成W銷的拔出和插入的工作，與此同時通過夾爪1和夾爪2，夾住碗頭掛板和W，使其在W插銷拔取過程中保持穩(wěn)定。絕緣子串取裝機構(gòu)主要由前端的以曲柄滑塊機構(gòu)為工作原理的夾爪3對鋼帽進(jìn)行夾持，該夾持機構(gòu)的并由移動關(guān)節(jié)2對絕緣子串的推出和裝入。

通過前期的實際考察和理論分析，我們先利用CAD制圖軟件將構(gòu)想的設(shè)計模型進(jìn)行了設(shè)計，模型設(shè)計圖如圖4所示。通過模型設(shè)計圖的基本構(gòu)想，通過機械加工、電機選型、電池選型和材料選擇等方面綜合考慮，最終研制出輸電線路絕緣子更換作業(yè)機器人樣機，樣機如圖5所示。

5 結(jié) 論

在智能電網(wǎng)大背景下，機器人在電網(wǎng)中的應(yīng)用也成為一個必然的趨勢。它將取代大部分強度高、危險系數(shù)大的作業(yè)任務(wù)。隨著我國特高壓輸電技術(shù)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)更加緊密，對供電可靠性的要求也越來越高。輸電線路在不停電的情況下進(jìn)行絕緣子更換作業(yè)，對提高電網(wǎng)可靠性有著重要的作用。本文研制一種可以帶電更換絕緣子的機器人，使得絕緣子更換作業(yè)更加安全可靠。

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收稿日期：2018-11-4

作者簡介：羅 ?。?989-），男，助理工程師，碩士研究生，主要從事變電運維工作。