超高壓輸電線懸垂絕緣子串激光除冰機器人構(gòu)型設(shè)計研究

鄺江華，鄒德華，江 維，劉蘭蘭，彭沙沙

（1. 智能帶電作業(yè)技術(shù)及裝備(機器人)湖南省重點實驗室(國網(wǎng)湖南省電力有限公司輸電檢修分公司)，湖南 衡陽 420100；2. 帶電巡檢與智能作業(yè)技術(shù)國家電網(wǎng)公司實驗室(國網(wǎng)湖南省電力有限公司輸電檢修分公司)，湖南 衡陽420100；3. 武漢紡織大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430073）

0 引言

超高壓輸電線路是電能傳輸?shù)闹饕ǖ溃瑧掖菇^緣子串[1-4]是高壓輸電線路的重要組成部分，其對于輸電線路絕緣和桿塔固定具有重要作用。冬季嚴(yán)寒氣候產(chǎn)生的懸垂絕緣子覆冰不僅僅增加了絕緣子串的整體重量，同時還會影響絕緣子的電氣性能，嚴(yán)重的絕緣子覆冰會導(dǎo)致輸電線舞動、斷線，甚至桿塔倒塌、絕緣子閃絡(luò)等線路事故的發(fā)生，這些都威脅到輸電線路的正常穩(wěn)定運行。因此，對高壓輸電線路懸垂絕緣子覆冰清除是電力部門一項常規(guī)且極其艱巨的作業(yè)任務(wù)。目前，國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)已經(jīng)研制了一些輸電線路及絕緣子串的除冰裝置，但主要還是依賴于人工登塔作業(yè)，如山東電科院、武漢大學(xué)、湖南大學(xué)等科研機構(gòu)分別研究了輸電線上的除冰方法，開發(fā)了相應(yīng)的智能化除冰裝備，通過對輸電線路除冰機理的研究，可以為絕緣子覆冰清除裝備的研制提供一些理論支撐與技術(shù)參考。

綜合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，在常見的輸電線路除冰方法研究方面有機械方式除冰[5-6]，其主要是通過人工登塔或者自動化裝備搭載除冰機械裝置，通過敲打、碰撞等近距離接觸方式進行除冰作業(yè)，除冰效果有限。此外，機械除冰過程中產(chǎn)生的振動與沖擊對輸電線路和絕緣子可能會存在一定損傷和安全性隱患，對除冰工具搭載平臺的穩(wěn)定性控制要求較高。目前另一種主流的除冰方法是利用熱融冰[7-8]，如通過接近冰層，通過燃燒汽油產(chǎn)生熱量融化冰層。上述兩種除冰方法的共性是近距離接觸式除冰[9-10]，且機械和火燒都可能會損傷到輸電線路，因此，如何在保證除冰效果的前提下，保證輸電線路不受除冰損傷是輸電線路除冰的關(guān)鍵。激光作為一種清潔能源，它不僅可以實現(xiàn)遠距離非接觸式的除冰[11-12]，而且在除冰作業(yè)過程中對輸電線路無任何損傷，是解決機械式除冰和熱熔冰作業(yè)缺陷的一種行之有效的方法。利用激光進行輸電線路除冰的主要優(yōu)勢在于激光高功率密度、遠距離非接觸式除冰，安全性高，且可以實現(xiàn)輸電線路的帶電作業(yè)除冰，無需斷電。同時，相對于地面設(shè)備而言，無人機具備飛控靈活、安全性高、可操作性強的特點，因此，利用無人機搭載激光除冰設(shè)備，其作業(yè)空間更為廣闊，人機協(xié)同操控更加方便，作業(yè)效率更高效，且能夠有效避免作業(yè)盲區(qū)。

基于上述研究背景，提出了一種基于無人機搭載的超高壓懸垂絕緣子激光除冰機器人機構(gòu)構(gòu)型，開發(fā)了其虛擬樣機模型，在此基礎(chǔ)上提出了輸電線路絕緣子串的激光除冰作業(yè)方法，通過人-機協(xié)同運動控制，及激光器的旋轉(zhuǎn)和俯仰運動可以實現(xiàn)無接觸式帶電懸垂絕緣子除冰作業(yè)。

1 超高壓懸垂絕緣子串除冰作業(yè)任務(wù)分析與除冰機器人構(gòu)型設(shè)計

1.1 懸垂絕緣子串除冰作業(yè)任務(wù)分析

懸垂絕緣子串及其所在的超高壓輸電線路典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括輸電導(dǎo)線、地線及其金具、直線桿塔、耐張桿塔及其地基，絕緣子串懸掛在直線桿塔的橫擔(dān)上，下端通過與懸垂線夾的聯(lián)接固定于輸電導(dǎo)線之上。

圖1 懸垂絕緣子串除冰作業(yè)環(huán)境示意圖Fig. 1 Schematic diagram of deicing operation environment for suspension insulator strings

絕緣子的主要功能是支持和固定載流導(dǎo)體，在載流導(dǎo)體與地之間形成良好的絕緣。絕緣子不僅承受機械負(fù)荷、導(dǎo)線和金屬附件的重量，還必須承受惡劣天氣情況下的風(fēng)載荷、雪載荷、導(dǎo)線舞動以及運輸安裝過程中所引起的沖擊負(fù)荷。從電氣角度來說，絕緣子不僅要使導(dǎo)線與地絕緣，還必須承受雷電和開關(guān)操作引起的過電壓沖擊，絕緣子上的覆冰和冰凌會增加桿塔負(fù)重，絕緣子串片間冰凌是導(dǎo)致片間短路和影響絕緣子電氣性能的主要因素。由于絕緣子片間的冰凌呈直線狀和柱狀，因此，完成作業(yè)任務(wù)的關(guān)鍵是激光裝置對于理想狀態(tài)為直線狀的冰凌的識別與定位，以及激光作用于冰凌上的融冰機理研究。

1.2 激光除冰機器人機構(gòu)構(gòu)型設(shè)計及其作業(yè)空間分析

本文設(shè)計的基于無人機搭載的超高壓絕緣子激光除冰結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，該激光除冰裝置包括無人機和激光系統(tǒng)，其復(fù)合后如圖2（b）所示。激光除冰裝備包括機械部分和電氣兩大部分，機械部分包括旋轉(zhuǎn)和俯仰兩個自由度可以對激光頭方位和位姿進行在線實時調(diào)整，使得激光頭可在一定旋轉(zhuǎn)角度和俯仰角度內(nèi)調(diào)整至合適工作位姿，最大角度視實際設(shè)計情況及工作需要而定。電氣部分主要包括激光玻璃管、電源、電池、控制器、電壓轉(zhuǎn)換模塊、無線通訊模塊、擴束鏡頭等。其中，核心激光部件主要包括激光器探頭、頻率轉(zhuǎn)換裝置、準(zhǔn)直鏡、掃描振鏡、聚焦鏡等，瞄準(zhǔn)裝置可通過電子望遠鏡將圖像信息傳送給激光控制系統(tǒng)，并在顯示屏上顯示。同時，考慮無人機飛行平衡及穩(wěn)定性，將激光裝置的機箱設(shè)計為梯形結(jié)構(gòu)，將質(zhì)量較輕的控制模塊和無線通訊模塊置于前端，并使機箱前端部分留有激光發(fā)生的裝置旋轉(zhuǎn)空間，梯形結(jié)構(gòu)的設(shè)計也使得機箱整體高度得到了有效控制。

圖2 絕緣子激光除冰機器人基本構(gòu)型Fig. 2 Basic configuration of insulator laser deicing robot

要保證激光除冰機器人無盲區(qū)地實現(xiàn)絕緣子串除冰作業(yè)，2自由度的激光除冰裝備的可達運動空間分析是關(guān)鍵問題之一，該可達作業(yè)空間和俯仰運動、旋轉(zhuǎn)運動兩自由度有關(guān)。假設(shè)激光頭的俯仰運動俯仰角為α，旋轉(zhuǎn)運動偏轉(zhuǎn)角為β，則激光頭在忽略外界干擾情況下的可達作業(yè)空間P可以用式（1）來表示，激光除冰機器人通過2自由度來調(diào)節(jié)激光器的可達作業(yè)空間示意圖如圖3所示。

圖3 除冰激光器的可達作業(yè)空間分析Fig. 3 Analysis of reachable working space of deicing laser

2 激光除冰機器人控制系統(tǒng)與作業(yè)運動規(guī)劃

2.1 激光控制系統(tǒng)的硬件組成

激光控制系統(tǒng)是機器人激光除冰作業(yè)的核心，激光器能夠穩(wěn)定可靠地發(fā)出激光是完成作業(yè)的關(guān)鍵。本文設(shè)計的激光控制系統(tǒng)采用STM32單片機為核心控制器，激光控制系統(tǒng)的硬件組成如圖4所示，其中核心CPU采用STM32F107VCT6芯片，在其外圍具有時鐘電路、晶振電路、復(fù)位電路和電源電路等基本單元，激光控制模塊主要包括功率設(shè)定、激光調(diào)制、MO開關(guān)、急停和同步脈沖等功能。激光運動模塊能夠控制激光器的俯仰和旋轉(zhuǎn)運動；激光功能控制模塊能夠?qū)崿F(xiàn)激光自主聚焦和對象自主定位；激光通訊模塊能夠?qū)崿F(xiàn)地面控制端與無人機-激光裝備的遠程無線通信。通過各部分電路的協(xié)調(diào)工作產(chǎn)生可控穩(wěn)定和功率可調(diào)的激光源，用于輸電線路絕緣子除冰作業(yè)。

圖4 激光除冰機器人系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Hardware structure diagram of laser deicing robot system

2.2 激光除冰機器人作業(yè)運動規(guī)劃

合理的運動規(guī)劃是高效完成絕緣子激光除冰作業(yè)的關(guān)鍵，基于無人機搭載的超高壓絕緣子激光除冰機器人的作業(yè)運動規(guī)劃步驟如下：

（1）通過地面控制器，控制無人機啟動飛行至待除冰超高壓絕緣子串一側(cè)，調(diào)整合適的飛行高度，且與待除冰的超高壓絕緣子串保持合適距離，高清瞄準(zhǔn)裝置拍攝圖像信息傳給地面控制器；

（2）根據(jù)拍攝圖像信息，地面控制器控制無人機飛行高度與激光除冰裝置的旋轉(zhuǎn)和俯仰關(guān)節(jié)，調(diào)整合適角度使激光頭瞄準(zhǔn)至待除冰的絕緣子冰凌上；

（3）根據(jù)視頻圖像信息，控制系統(tǒng)計算出無人機作業(yè)距離，選擇合適的激光功率以及輸出模式，機器人規(guī)劃激光除冰作業(yè)掃描路徑；

（4）根據(jù)機器人規(guī)劃的作業(yè)路徑，無人機搭載的激光除冰裝置調(diào)整旋轉(zhuǎn)和俯仰關(guān)節(jié)角度進行除冰作業(yè)，直至除冰作業(yè)完成，然后，進入下一個工作狀態(tài)。若絕緣子串上出現(xiàn)冰凌時，首先對冰凌進行激光清洗處理，若絕緣子串覆冰厚度較厚時，控制激光頭對覆冰反復(fù)進行左右掃描處理，必要時進行上下掃描融冰。當(dāng)一側(cè)絕緣子串覆冰清除完成后，飛行至另一側(cè)進行除冰作業(yè)。通過無人機和激光除冰裝備的協(xié)同運動控制，并重復(fù)上述過程實現(xiàn)桿塔上整串絕緣子激光除冰作業(yè)。

超高壓輸電線路懸垂絕緣子除冰作業(yè)任務(wù)如圖5所示，為使無人機-激光裝置系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地判定是否完成一次完整作業(yè)，在激光除冰作業(yè)前，利用無人機搭載三維成像掃描儀對整個超高壓輸電線路，特別是桿塔處的懸垂絕緣子串進行三維成像和掃描，獲取作業(yè)環(huán)境和主要作業(yè)對象的點云數(shù)據(jù)，利用專業(yè)三維重構(gòu)軟件對作業(yè)現(xiàn)場進行三維重構(gòu)，獲取絕緣子串的片數(shù)、高度、內(nèi)徑、冰層等重要參數(shù)?；谏鲜鰠?shù)對無人機-激光裝置系統(tǒng)實施協(xié)同控制實現(xiàn)無盲區(qū)的絕緣子串精準(zhǔn)除冰作業(yè)。

圖5 激光絕緣子除冰機器人作業(yè)運動規(guī)劃Fig. 5 Motion planning of laser insulator deicing robot operation

3 激光除冰熱傳導(dǎo)模型和作業(yè)機理

3.1 激光除冰熱傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型

當(dāng)激光束照射絕緣子盤面覆冰時，會發(fā)生顯著的熱效應(yīng)，不同激光器的波長對于冰層融化效果不一樣，同時融冰效果還與覆冰厚度成正比關(guān)系，因此，對于相同波長激光束照射在不同冰層上，其融冰效果也是不同的。當(dāng)用較長波長激光照射并掃描絕緣子覆冰時，大部分激光能量都會被覆冰表面所吸收，此時，絕緣子表面溫度顯著升高，冰融化為水甚至直接氣化。當(dāng)用較短波長激光照射絕緣子覆冰時，除了表面覆冰吸收激光能量外，冰層內(nèi)部也可吸收激光能量，因此，覆冰內(nèi)外冰層形成溫差，在內(nèi)外溫差應(yīng)力超過冰層最大抗壓時，絕緣子覆冰會發(fā)生斷裂或者自動脫落，這種方式下的激光除冰效率更高。不論是絕緣子冰層表面融化，還是內(nèi)外溫差過大產(chǎn)生應(yīng)力造成的冰塊自動炸裂和脫落，其除冰機理都是基于激光熱傳導(dǎo)模型和能量守恒定律，激光熱傳導(dǎo)方程可用于絕緣子覆冰周圍及內(nèi)部的溫度場分析，其熱傳導(dǎo)方程模型為式（2）。

式中：系數(shù)kx，ky，kz為x，y，z方向上的導(dǎo)熱系數(shù)；ρ為材料密度值，是溫度的函數(shù)；C是比熱容，也是溫度的函數(shù)；t為激光的照射時間；Q是單位體積內(nèi)部熱產(chǎn)生率，如果kx，ky，kz與方向無關(guān)，則式（2）可進一步簡化為式（3）。

對式（3）采用柱式坐標(biāo)系，則激光熱傳導(dǎo)方程可化為式（4），該式是激光除冰理論分析和系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。

3.2 懸垂絕緣子激光除冰作業(yè)機理分析

求解式（2）（3）（4）可以得到激光作用于冰面所產(chǎn)生的溫度場分布特性，對于固定的冰面材質(zhì)，激光絕緣子除冰作業(yè)時，激光波長大小以及作業(yè)方式的合適選擇，可使激光能量可以最大限度被覆冰吸收用于除冰，這是提高激光除冰作業(yè)效率的關(guān)鍵。根據(jù)作業(yè)前的準(zhǔn)備，通過無人機搭載三維成像掃描儀對懸垂絕緣子串的掃描，獲取除冰對象的點云數(shù)據(jù)，通過軟件的重構(gòu)和視覺算法可以實時地獲取冰面尺寸及厚度等幾何特性，根據(jù)這些幾何特性來對激光器的波長大小、功率大小、掃射時間等關(guān)鍵控制參數(shù)進行合理設(shè)置與調(diào)配，通過除冰對象三維重構(gòu)所得幾何數(shù)據(jù)與激光器的控制參數(shù)之間的耦合模型來實現(xiàn)絕緣子串的最優(yōu)激光除冰作業(yè)。

4 測試實驗

4.1 可達作業(yè)空間測試實驗與分析

為進一步驗證激光除冰機器人機構(gòu)構(gòu)型在絕緣子覆冰清除作業(yè)中的可行性和有效性，通過調(diào)節(jié)激光裝備上的兩個運動自由度的偏轉(zhuǎn)角α，β來測試激光束在絕緣子串上掃描的作業(yè)空間范圍，以本文作業(yè)運動規(guī)劃中垂直形態(tài)下的5片懸垂絕緣子構(gòu)成的1個絕緣子串來進行激光掃描作業(yè)運動空間范圍測試，規(guī)定俯仰運動向上俯仰角α為正，左右運動向左偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角β為正，初始位置的兩個偏轉(zhuǎn)角都為0，且激光頭正對絕緣子串第3片中心位置，得到的測試結(jié)果如表1所示。

表1 絕緣子垂直形態(tài)下運動機構(gòu)與激光束掃描空間測試結(jié)果Tab. 1 Test results of the motion mechanism and laser scanning space for the vertical shape insulator

通過表1的測試結(jié)果可知，在激光裝備構(gòu)型設(shè)計時，2自由度的激光運動關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)其偏轉(zhuǎn)角分別在 45°～-45°之間和 60°～-60°之間，激光器在運動過程中不會與激光裝備自身及搭載設(shè)備無人機之間發(fā)生運動干涉，且通過偏轉(zhuǎn)角的調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)一串絕緣子的上下掃描和一片絕緣子的左右掃描，因此，機械設(shè)計上通過設(shè)置該偏轉(zhuǎn)角及其運動控制，激光除冰機器人能夠?qū)崿F(xiàn)超高壓輸電線路懸垂絕緣子的無盲區(qū)除冰作業(yè)。

4.2 作業(yè)性能測試實驗與分析

在湖南省電力有限公司輸電檢修分公司帶電作業(yè)中心所轄的望新培訓(xùn)線路I線#10號塔B相上進行模擬除冰試驗，ZB1-24型桿塔，LGJ-400/50型導(dǎo)線，XP-7型絕緣子串，總共10片絕緣子。為進行除冰效果對比，分別進行兩次除冰實驗，第一次通過機械式敲打除冰，整串絕緣子的覆冰清除大約需要10 min，第二次利用激光與機械除冰相結(jié)合的方式，初始階段利用機械力敲打覆冰，然后用激光遠程照射絕緣子覆冰，由于激光在冰面的熱效應(yīng)，絕緣子串覆冰出現(xiàn)一些裂紋，再用機械力輕擊覆冰，冰層會自動脫落，完成一整串絕緣子覆冰清除大約為6 min。由于結(jié)合了激光除冰，整體作業(yè)效率有了明顯提高，若該作業(yè)方式推廣至整個片區(qū)的超高壓輸電線路絕緣子除冰作業(yè)其效率提高所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益是可觀的。上述實驗結(jié)果也表明，機械除冰方法在結(jié)合激光除冰后，由于激光作用冰層上的熱融效應(yīng)和熱應(yīng)力效應(yīng)，除冰效率會提高，這是其相比接觸式除冰的重要優(yōu)勢。同時通過實驗可得到不同除冰方法的特點及其性能評價，如表2所示。

表2 典型除冰作業(yè)實驗的性能評價Tab. 2 Performance evaluation of typical deicing operation experiment

通過表2的對比也可以看出激光除冰綜合了機械式除冰和熱融冰各種的優(yōu)點，是目前操作性、安全性和效率最高的一種除冰方式。

5 結(jié)論

（1）提出了一種基于無人機搭載的輸電線路絕緣子激光除冰機器人基本構(gòu)型、虛擬樣機系統(tǒng)及其與無人機的復(fù)合協(xié)同運動作業(yè)控制方法。

（2）提出了激光除冰的面熱源和體熱源作用下的激光能量熱傳導(dǎo)方程，并分別計算了激光作用下的冰層溫度場的具體表達式和融冰模型。

（3）提出了一種激光除冰機器人的嵌入式集成控制體系架構(gòu)及其物理實現(xiàn)方法，并通過相關(guān)測試實驗驗證了除冰機器人機構(gòu)構(gòu)型及激光除冰的可行性和有效性。