配電網(wǎng)架空線路絕緣包覆機器人設(shè)計

李 鵬，蘇建軍，王 剛，張勝軍，許永盛

（1.國網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，山東 菏澤 274000；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南 250001）

0 引言

架空線路是電力傳輸?shù)闹饕问街唬覈芸站€路分布廣、長度長，線路環(huán)境復(fù)雜，其安全穩(wěn)定運行直接影響供電系統(tǒng)的可靠性。配電網(wǎng)架空線裸導(dǎo)線高度低，容易與樹木、建筑物等接觸造成短路；沿海等高腐蝕區(qū)域和高污染區(qū)域的架空線路導(dǎo)線腐蝕快，應(yīng)用年限短，急需采取導(dǎo)線防腐措施；裸線形式的架空線路，長期工作后，導(dǎo)線表面和絞線縫隙之間易積聚大量的灰塵、油跡、污垢及鳥糞等雜物，容易在暴風(fēng)雨中形成泥流造成導(dǎo)線間的意外短路，引發(fā)配網(wǎng)導(dǎo)線的意外跳閘等事故。

為提高輸電的安全性，對配電網(wǎng)架空線路進行絕緣化改造勢在必行。采用機器人技術(shù)在裸導(dǎo)線表面涂覆一層絕緣材料是一種有效的工程技術(shù)手段。但目前機器人技術(shù)在電力輸電線方面的應(yīng)用主要集中在巡檢機器人［1-4］和除冰機器人［5］等領(lǐng)域。文獻［6-7］涉及的架空線路絕緣漆噴涂機器人均使用液態(tài)黏稠度較低的絕緣材料，絕緣材料供給都采用泵壓式。受制于絕緣材料的形態(tài)和噴涂頭的設(shè)計，實際應(yīng)用易出現(xiàn)流掛現(xiàn)象，效果不理想。文獻［8］采用黏稠度較高的新型絕緣材料，很好地解決了流掛現(xiàn)象，但由于采用立式結(jié)構(gòu)，機器人本體占用的空間較大，容易與樹木發(fā)生接觸，安全性較差，且噴涂頭設(shè)計采用單腔體結(jié)構(gòu)，無法保證絕緣涂層上下表面厚度的一致性。

綜上，針對配電網(wǎng)架空線路絕緣化改造，設(shè)計一款絕緣包覆機器人，能夠均勻包覆導(dǎo)線，且避免出現(xiàn)流掛現(xiàn)象。

1 絕緣包覆機器人整體結(jié)構(gòu)

架空線路絕緣包覆作業(yè)，采用機器人攜帶絕緣涂料，利用噴涂裝置將絕緣涂料均勻包覆在裸導(dǎo)線表面。根據(jù)功能要求，絕緣包覆機器人可分為機器人本體和控制系統(tǒng)兩部分。控制系統(tǒng)包括集成在機器人本體內(nèi)部的運動控制系統(tǒng)和地面遙控系統(tǒng)。

機器人本體由移動機構(gòu)、涂料供給系統(tǒng)、絕緣包覆頭組成。移動機構(gòu)作為機器人沿導(dǎo)線行走的動力機構(gòu)，由1 個250 W 的直流無刷電機驅(qū)動2 個橡膠滾輪，2個橡膠滾輪通過同步帶輪和同步帶鏈接。如圖1 所示。

圖1 移動機構(gòu)

涂料供給系統(tǒng)水平懸掛于移動機構(gòu)下方。4 個獨立的柱塞式涂料桶為絕緣涂料載體固定在涂料供給系統(tǒng)前端。4 套直流伺服電機驅(qū)動的電動推桿推動涂料桶底部活塞，擠壓涂料從前端出口流出，沿導(dǎo)管進入絕緣包覆頭。如圖2 所示。

圖2 涂料供給系統(tǒng)

絕緣包覆頭扣合在線纜上。采用對稱結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)中心與架空線纜契合，起到支撐和導(dǎo)向作用。絕緣包覆頭出口距離線纜外徑一定距離，以保證絕緣涂料厚度。絕緣包覆頭通過掛鉤與移動機構(gòu)相連。如圖3 所示。

圖3 絕緣包覆頭

絕緣包覆機器人整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。調(diào)節(jié)移動機構(gòu)行進速度與涂料供給速度均勻匹配，可在裸導(dǎo)線表面包覆一層厚度均勻的絕緣皮。依據(jù)不同型號、線徑的裸導(dǎo)線，設(shè)計走涂速率適應(yīng)參數(shù)列表，以實現(xiàn)對不同的線徑選擇不同的行走速度以及涂料供給速度，完成均勻包覆功能。待絕緣涂料固化后，達到裸導(dǎo)線絕緣化改造的目的。機器人整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示，由行走機構(gòu)、涂料供給系統(tǒng)、絕緣包覆頭3部分組成。

圖4 整體結(jié)構(gòu)

2 絕緣包覆機器人控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

絕緣包覆機器人控制系統(tǒng)分為地面站遙控圖傳系統(tǒng)和機器人本體控制系統(tǒng)，如圖5 所示。操作人員通過地面站向機器人發(fā)送遙控指令，實時更改機器人作業(yè)參數(shù)，并通過顯示器顯示機器人的狀態(tài)參數(shù)和實時影像資料。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線電數(shù)據(jù)傳輸模塊選用AC4490，采用跳頻技術(shù)，抗干擾能力強，傳輸距離遠。

視頻圖像回傳系統(tǒng)采用基于第4 代移動通信核心技術(shù)的COFDM 正交調(diào)制解套技術(shù)，使得該系統(tǒng)具有良好的傳輸特性。同時，由于采用了基于DVD標準的MPEG-2 圖像壓縮和編碼技術(shù)，使得接收圖像十分清晰、實時和穩(wěn)定。

機器人本體控制系統(tǒng)涉及多電機協(xié)調(diào)控制，為提高系統(tǒng)可靠性，控制系統(tǒng)采用CAN 總線結(jié)構(gòu)。主控MCU 作為主站，行走電機驅(qū)動和4 個電缸電機驅(qū)動器作為從站。

行走電機采用250 W 直流無刷電機，配91∶1 減速器，在保證15°爬坡角度的前提下，兼顧行走速度。由于絕緣材料粘滯系數(shù)較高，為了克服絕緣材料與桶壁的阻力，電缸電機需要提供足夠的扭矩才可以保證絕緣材料擠出速率的穩(wěn)定，為此選擇直流有刷電機配936∶1 減速器。所有電機均采用ELMO 15／60驅(qū)動器驅(qū)動，驅(qū)動器與主控板的接口僅有CAN 接口，采用菊花鏈方式連接，接線簡潔。

2.2 通信協(xié)議

遙控器與機器人本體之間的通信協(xié)議采用如下格式：

圖6 控制器接口電路

其中，%是幀頭，代表一幀數(shù)據(jù)的開始，CMD 是2 位指令碼，表示當(dāng)前指令類型，DATA 是4 位數(shù)據(jù)，［］內(nèi)是可選內(nèi)容，當(dāng)需要同時發(fā)送2 條指令時可以采用’&’連接符連接，*代表一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。

機器人向遙控器端返回的數(shù)據(jù)幀格式如下：

其中，@ 是幀頭，表示一幀數(shù)據(jù)的開始，BV 用3位數(shù)字表示電池電壓，MS 用3 位數(shù)字表示機器人工作狀態(tài)，CS 用3 位數(shù)字表示控制類型，Sp1—Sp4 分別用3 位數(shù)字表示絕緣材料消耗百分比。

數(shù)據(jù)幀均采用字符串格式傳送。

2.3 機器人本體控制電路硬件設(shè)計

機器人本體控制系統(tǒng)處理器采用STM32103CBT6，電路設(shè)計如圖6 所示，USART1 與AC4490 連接，接收遙控器指令、反饋機器人狀態(tài)；CAN_RX、CAN_TX與CAN 接口芯片連接，作為主站接口；USART3 與RS485 接口芯片連接，向CCD 測徑儀發(fā)送控制指令。

通過MCU 的PB8 口控制URB2412D-30W 的輸出，可以在不需要圖像傳輸時，切斷圖像傳輸系統(tǒng)供電，達到節(jié)能的效果，如圖7 所示。

圖7 圖像傳輸供電電路

機器人采用24 V 鋰電池供電，通過電阻分壓，對鋰電池電壓采樣，可以實現(xiàn)對機器人剩余電量的實時監(jiān)控，采樣電路如圖8 所示。

圖8 電壓采樣電路

2.4 機器人本體控制軟件設(shè)計

機器人本體控制系統(tǒng)通過UART 與地面站數(shù)據(jù)交互，以中斷形式接收遙控器的控制指令，根據(jù)指令解析結(jié)果，控制機器人行進速度和涂料供給速度，UART 中斷流程如圖9 所示。機器人行進方向和電缸運動方向由行進速度和涂料供給速度的正負決定，速度為零表示停止。采用定時器中斷定時向機器人本體反饋狀態(tài)信息。

圖9 UART 接收中斷流程

實際作業(yè)過程中，架空輸電線型號、直徑種類繁多是現(xiàn)場施工困難的主要原因之一，針對此問題，主要通過機械結(jié)構(gòu)與控制算法相互配合的方案予以解決。第一，在機械結(jié)構(gòu)方面，絕緣包覆頭內(nèi)嵌可調(diào)換的輸電線包覆夾以適應(yīng)不同線徑的需求；第二，控制系統(tǒng)中，通過大量試驗，構(gòu)建適應(yīng)不同線徑的機器人行走速度與涂料供給速度系列化參數(shù)列表，以達到均勻包覆的效果。控制過程如圖10 所示。

以無線數(shù)據(jù)傳輸過程為例，介紹AC4490 自定義命令解析及控制部分程序代碼如下：

圖10 控制系統(tǒng)流程

4 試驗驗證

在地面遙控系統(tǒng)的控制下，對設(shè)計的架空線路絕緣包覆機器人進行測試，如圖11 所示。絕緣涂料采用3M 的526 單組份絕緣涂料，零距離耐壓大于6 kV／mm，遇空氣固化，表面固化時間30～40 min，具備強度時間約4 h；測試裸導(dǎo)線選擇LGJ7／10 鋼芯鋁絞線；機器人本體工作電壓為直流24V，AC4490設(shè)置波特率38 400 B／s，機器人行進速度3 m／min，絕緣材料擠出率330 mL／min，機器人運行平穩(wěn)穩(wěn)定，導(dǎo)線包覆厚度均勻，波動范圍控制在了2.5～3 mm之間，無露點、無流掛現(xiàn)象。

圖11 實際線路測試

5 結(jié)語

針對當(dāng)前配電網(wǎng)架空線路絕緣化改造的客觀需求，設(shè)計了架空線路絕緣包覆機器人。在地面遙控系統(tǒng)控制下，進行了實際線路測試，結(jié)果表明，機器人行進速度與絕緣材料擠出速率平穩(wěn)，機器人控制系統(tǒng)可靠，可以高效、穩(wěn)定完成架空線路絕緣化改造任務(wù)。