配網(wǎng)架空裸導(dǎo)線帶電涂敷絕緣材料機(jī)器人的研制

鄒林，羅俊平，李銳海，王頌，余文輝

（南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣州 510000）

引言

自80年代中期后，在國(guó)家的大力支持下架空裸導(dǎo)線機(jī)器人的技術(shù)走向國(guó)際領(lǐng)先。山東大學(xué)，武漢大學(xué)和自動(dòng)化國(guó)家“863”計(jì)劃資助的研究所沉陽(yáng)分別在110 kV、220 kV和500 kV的架空裸導(dǎo)線輸電線路的自主巡線機(jī)器人取得了長(zhǎng)足的發(fā)展[1]。這種機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模、長(zhǎng)線路巡檢工作，工作實(shí)習(xí)過(guò)程可以跨線、塔和其他障礙物，盡管取得了一定的研究成果，但離實(shí)用階段還有一定的距離。國(guó)外電力系統(tǒng)方面專(zhuān)家對(duì)機(jī)器人的研究始于上世紀(jì)80年代末，日本、美國(guó)等一些少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家，研制了進(jìn)行普通巡線作業(yè)的帶電作業(yè)機(jī)器人。日本九州電力公司主要研究工作涉及電線的連接和切斷、輸送等硬件的模塊化和機(jī)器人性化?，F(xiàn)在，其Phase I機(jī)器人也已達(dá)到了實(shí)用化。日本九州電力公司幾乎每一個(gè)企業(yè)已經(jīng)配備了這種機(jī)器人。并且這種機(jī)器人大概能完成每個(gè)營(yíng)業(yè)所的大約80 %的帶電作業(yè)工作。從九十年代開(kāi)始，九州電力公司進(jìn)行研究的適用于交流6 kV及交流22 kV電壓等級(jí)的第二代帶電作業(yè)機(jī)器人-半自動(dòng)式的Phase II，也已經(jīng)研制出了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)[2,3]。

城區(qū)配電網(wǎng)基本實(shí)現(xiàn)了架空導(dǎo)線的絕緣化處理，但是對(duì)于樹(shù)障區(qū)、城鄉(xiāng)結(jié)合部建筑密集區(qū)、交叉跨越（公路、河流、池塘）區(qū)段、人員活動(dòng)頻繁區(qū)域的架空導(dǎo)線局部絕緣處理、裸導(dǎo)線整條線路絕緣化處理工作還未完成，在暴風(fēng)雨天氣線路很容易發(fā)生跳閘，影響供電安全性及可靠性[4,5]。對(duì)樹(shù)障區(qū)、城鄉(xiāng)結(jié)合部建筑密集區(qū)、交叉跨越（公路、河流、池塘）區(qū)段、人員活動(dòng)頻繁區(qū)域的架空導(dǎo)線局部絕緣處理、裸導(dǎo)線整條線路絕緣化處理一直是南方電網(wǎng)公司配電網(wǎng)改造和運(yùn)維的難題之一，目前只能依靠人工更換絕緣導(dǎo)線解決此類(lèi)問(wèn)題，但是受地理位置、原有桿塔受力情況、停電時(shí)間等因素影響，相當(dāng)一部分區(qū)域很難實(shí)施。

2018 年電網(wǎng)公司明確涂覆絕緣材料作為處理配網(wǎng)設(shè)備事故的措施之一。涂覆絕緣材料替代更換導(dǎo)線已逐漸在整個(gè)南網(wǎng)進(jìn)行廣泛使用，絕緣材料涂覆裝置也隨之發(fā)展起來(lái)?，F(xiàn)在絕緣材料涂覆裝置需要借助登高車(chē)人工將裝置掛在導(dǎo)線上，要安排相關(guān)線路停電，不僅存在較大作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，而且嚴(yán)重影響了供電可靠性。同時(shí)，受地形限制，一些登高車(chē)到不了的地方很難實(shí)施作業(yè)。

為了降低線路跳閘率，提高配網(wǎng)供電可靠性，有必要開(kāi)展防跳閘改造技術(shù)研究，本文研究開(kāi)發(fā)一種安全經(jīng)濟(jì)的導(dǎo)線絕緣施工裝置，能適應(yīng)裸導(dǎo)線現(xiàn)場(chǎng)絕緣化施工要求，實(shí)現(xiàn)絕緣化涂裝，且施工便捷，絕緣化后的導(dǎo)線能正常運(yùn)行，電氣絕緣等性能均滿(mǎn)足要求。

1 涂敷裝置的集成

裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊集成組裝后即是整機(jī)，整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊高效，運(yùn)輸、安裝、施工方便。設(shè)計(jì)圖如圖1 。

整機(jī)可裝進(jìn)定制的鋁合金箱子內(nèi)進(jìn)行運(yùn)輸，小型貨車(chē)即可進(jìn)行運(yùn)輸?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，只需將噴頭、涂料罐與機(jī)體進(jìn)行連接，即可開(kāi)展施工，各部件連接操作簡(jiǎn)單。導(dǎo)線絕緣施工裝置可配合絕緣裝置實(shí)現(xiàn)帶電自升、自降上下線；也可以應(yīng)用我司開(kāi)發(fā)的自牽引卷?yè)P(yáng)上線技術(shù)，無(wú)需帶電作業(yè)平臺(tái)或絕緣斗臂車(chē)輔助，適用于多種作業(yè)場(chǎng)景，施工方便。

1.1 噴涂模塊

涂料擠出機(jī)構(gòu)及噴涂方式設(shè)計(jì)合理，確保了機(jī)器人沿導(dǎo)線行走時(shí)涂料供應(yīng)系統(tǒng)能夠提供均勻可調(diào)的涂料，噴涂完成后能夠在導(dǎo)線圓周上均勻覆蓋厚度不低于2 mm的絕緣、機(jī)械等性能滿(mǎn)足要求的涂層。

早期的絕緣噴涂模塊不能根據(jù)導(dǎo)線的大小而自動(dòng)調(diào)節(jié)，在使用過(guò)程中需要人手先對(duì)導(dǎo)線規(guī)格進(jìn)行測(cè)量，更換合適的噴涂頭才能進(jìn)行涂覆作業(yè)，工序復(fù)雜麻煩而且會(huì)影響效率。

針對(duì)上述問(wèn)題，我司研發(fā)一款噴頭可調(diào)的導(dǎo)線噴涂裝置用噴涂結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)線固定座、噴涂上模和噴涂下模，噴涂上模和噴涂下模固定安裝在導(dǎo)線固定座的一側(cè)并且相互拼接形成噴涂模具；噴涂上模和噴涂下模分別對(duì)稱(chēng)滑動(dòng)連接了多組半圓形的噴涂口組件，噴涂口組件中間位置設(shè)置有尾桿從而形成類(lèi)Y型；通過(guò)控制系統(tǒng)連接到同步調(diào)整電機(jī)和傳動(dòng)伸縮桿，控制同步調(diào)整電機(jī)和傳動(dòng)伸縮桿的運(yùn)行，多組不同口徑的Y型噴涂口組件相互配合形成一個(gè)可調(diào)節(jié)大小的噴涂口，由外到內(nèi)每組噴涂口的口徑逐漸增大并能連接成一個(gè)平整的圓塔型導(dǎo)線噴涂倉(cāng)，從而可以根據(jù)電線的大小及涂料厚度自由調(diào)節(jié)噴涂口的大小。涂料供應(yīng)系統(tǒng)由無(wú)刷電機(jī)和涂料罐組成，無(wú)刷電機(jī)可方便控制擠壓量和擠壓速度，擠壓穩(wěn)定；再配合控制系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的控制程序，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定涂覆，涂覆厚度可在2～3 mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

通過(guò)電磁鐵裝置保證噴頭在作業(yè)過(guò)程中鎖緊，同時(shí)通過(guò)對(duì)噴頭自動(dòng)合攏動(dòng)力裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而拉動(dòng)鋼絲繩作用于翻轉(zhuǎn)連桿實(shí)現(xiàn)對(duì)噴頭裝置張開(kāi)與合攏的自動(dòng)化操作；具有鎖緊機(jī)構(gòu)防失靈設(shè)計(jì)，在噴頭自動(dòng)合攏動(dòng)力裝置失靈時(shí)，可斷掉滑動(dòng)電磁鐵的供電，噴頭便會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，有利于施工人員在地面遙控噴頭設(shè)備脫離線纜。

圖1 絕緣涂敷裝置圖

1.2 行走模塊

導(dǎo)線涂敷裝置的移動(dòng)本體采用輪式行走機(jī)構(gòu)，能安全越過(guò)傾角不超過(guò)25 °的導(dǎo)線，移動(dòng)速度和最高噴涂速度達(dá)5 m/min。涂覆機(jī)器人爬坡能力受機(jī)器自重與行走輪的摩擦系數(shù)、行走電機(jī)的功率有關(guān)，針對(duì)涂敷作業(yè)的需求，將從以下幾點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線絕緣施工裝置可安全越過(guò)傾角不超過(guò)25 °的導(dǎo)線：①將機(jī)器輕量化，減少自身重量；②在行走輪下加裝輔助輪，提高行走輪對(duì)導(dǎo)線的摩擦力；③采用特殊材料制作的行走輪，增加摩擦系數(shù)，提高爬坡能力（如用皮革類(lèi)替代常規(guī)的橡膠）。

我司已有涂覆機(jī)器的行走電機(jī)已具備行走速度5 m/min的要求，需要調(diào)整擠料電機(jī)的參數(shù)，并將輸料管加大，減小電機(jī)擠料壓力，增加單位出料量即可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)速度和最高噴涂速度達(dá)5 m/min。

通過(guò)設(shè)計(jì)出一種可在10 kV架空線路上行走的機(jī)構(gòu)，該模塊包括兩套走線臂和安裝基板，其中走線臂包括走線滑輪、支架、走線驅(qū)動(dòng)電機(jī)和聯(lián)動(dòng)動(dòng)力組件；兩套走線臂底部均與安裝基板轉(zhuǎn)動(dòng)連接，沿安裝基板中軸線對(duì)稱(chēng)再錯(cuò)位排列安裝，走線臂下方設(shè)置有撥動(dòng)板，聯(lián)動(dòng)動(dòng)力組件通過(guò)撥動(dòng)板同時(shí)驅(qū)動(dòng)走線臂擺動(dòng)。在走線臂呈V型張開(kāi)時(shí)，將涂覆機(jī)器人由吊帶吊到架空裸電線下且走線滑輪最低點(diǎn)高于電力線的位置，傳動(dòng)齒板向內(nèi)收縮，帶動(dòng)走線臂往基板中軸線方向抱合，將機(jī)器人懸掛于電力線，無(wú)需人工攀登桿塔安放機(jī)器人，避免了操作人員高空作業(yè)的危險(xiǎn)，減少了作業(yè)強(qiáng)度。聯(lián)動(dòng)動(dòng)力組件能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩套走線臂，兩套走線臂同步擺動(dòng)，使機(jī)器人兩邊保持平行，避免不平行而影響吊掛。走線臂設(shè)置了快裝機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)噴頭的快速拆裝，安裝精確牢固，無(wú)需人工攀登桿塔調(diào)整噴頭。走線臂支架，采用了鏤空設(shè)計(jì)，強(qiáng)化空氣對(duì)流，加快散熱，提升走線臂的壽命和運(yùn)行穩(wěn)定性。該行走機(jī)構(gòu)能在10 kV架空導(dǎo)線不同線徑上穩(wěn)定行走，且有一定的爬坡能力，以及良好的續(xù)航能力，機(jī)構(gòu)本身具備良好的機(jī)械性能及低故障率。

2 涂敷機(jī)器人的控制

目前工業(yè)機(jī)器人使用的控制器，一般是選用PLC、MCU進(jìn)行控制。對(duì)于電力絕緣涂覆方面的工業(yè)機(jī)器人，目前中國(guó)的廠家較少，由于施工環(huán)境因素要求，機(jī)器人需要更小體積和更輕的重量，而單片機(jī)在工業(yè)上發(fā)展成熟，能提供豐富的功能，因此本文研究方案選用MCU單片機(jī)作為控制器。

絕緣涂覆機(jī)器人控制方法及系統(tǒng)是基于MCU微控制器+無(wú)線通信的。控制系統(tǒng)，地面端遙控器可通過(guò)接收的無(wú)線圖像顯示進(jìn)行可視化監(jiān)控，對(duì)空中導(dǎo)線端的機(jī)器人無(wú)線控制。該系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)地面端設(shè)備發(fā)送相關(guān)參數(shù)、動(dòng)作等指令至機(jī)器人端，機(jī)器人端執(zhí)行指令并返回狀態(tài)數(shù)據(jù)，形成閉環(huán)控制，保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性。

地面端遙控器通過(guò)QT觸摸界面，進(jìn)行機(jī)器人的參數(shù)設(shè)定，及動(dòng)作指令控制；通過(guò)無(wú)線圖像傳輸設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控空中端的機(jī)器人狀態(tài)。

機(jī)器人端的MCU微控制器通過(guò)接收的無(wú)線數(shù)據(jù)指令，對(duì)相關(guān)電機(jī)、電子、傳感器等組件執(zhí)行對(duì)應(yīng)的狀態(tài)；并將機(jī)器人相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)返回至地面端遙控器。機(jī)器人端升降部分，通過(guò)陀螺儀的數(shù)據(jù)，對(duì)升降電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)速，進(jìn)而調(diào)平機(jī)器人的整體，使之平衡上升。

無(wú)線設(shè)備采用2.4 G無(wú)線通信，進(jìn)行地面端遙控器與機(jī)器人端無(wú)線通信。

控制系統(tǒng)用于控制行走機(jī)構(gòu)的行走速度以及推料機(jī)構(gòu)向絕緣包覆機(jī)構(gòu)輸送絕緣涂料的速度；針對(duì)不同的行走速度和不同的線徑，絕緣包覆機(jī)構(gòu)輸送絕緣材料的速度都有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的設(shè)定值，以保證包覆材料不會(huì)在線纜上形成缺料。

3 涂敷機(jī)器人的應(yīng)用

為了配合絕緣裝置實(shí)現(xiàn)帶電自升、自降上下線，滿(mǎn)足施工作業(yè)需求，我司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種絕緣裝置（機(jī)械人帶電作業(yè)平臺(tái)）實(shí)現(xiàn)帶電自升、自降上下線；同時(shí)我司開(kāi)發(fā)一種自牽引卷?yè)P(yáng)上線技術(shù)，無(wú)需帶電作業(yè)平臺(tái)或絕緣斗臂車(chē)輔助，適用于多種作業(yè)場(chǎng)景。

機(jī)器人帶電作業(yè)平臺(tái)包括升降平臺(tái)、承載升降平臺(tái)并用于相對(duì)高壓電線往復(fù)移動(dòng)升降平臺(tái)的橫移平臺(tái)，升降平臺(tái)包括作業(yè)平臺(tái)、用于抬升作業(yè)平臺(tái)的升降機(jī)構(gòu)。橫移平臺(tái)包括平臺(tái)基座、可拆卸的設(shè)置在平臺(tái)基座上方并用于相對(duì)高壓電線往復(fù)移動(dòng)升降平臺(tái)的橫移機(jī)構(gòu)，升降機(jī)構(gòu)可拆卸的連接橫移機(jī)構(gòu)；平臺(tái)基座包括平臺(tái)底板、若干可拆卸的設(shè)置在平臺(tái)底板下方用于支撐平臺(tái)底板的可調(diào)地腳；橫移機(jī)構(gòu)包括橫移立架、垂直于高壓電線兩兩相互平行設(shè)置在平臺(tái)底板上方的兩組直線導(dǎo)軌、分別滑動(dòng)連接在兩組直線導(dǎo)軌上的若干直線滑塊，垂直于高壓電線僅是指在作業(yè)過(guò)程中兩組直線導(dǎo)軌相對(duì)于高壓電線垂直，直線滑塊可拆卸的固定連接在橫移立架底部，使得橫移立架可以沿直線導(dǎo)軌往復(fù)推動(dòng)；升降機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)升降桿、可拆卸的固定在電動(dòng)升降桿頂部的定位支架，電動(dòng)升降桿底部可拆卸的固定在橫移立架上，電動(dòng)升降桿以橫移立架為支點(diǎn)抬定位支架和升作業(yè)平臺(tái)；作業(yè)平臺(tái)包括機(jī)器人安置盒、連接機(jī)器人安置盒底部并用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人安置盒相對(duì)高壓電線往復(fù)移動(dòng)的平移模塊、連接平移模塊底部承載平移模塊的承接支座，承接支座固定在定位支架中下部，平移模塊可以通過(guò)電機(jī)結(jié)合絲桿和滑塊或者電機(jī)結(jié)合傳送帶等方法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人安置盒相對(duì)高壓電線往復(fù)移動(dòng)。

圖2 絕緣涂敷裝置實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景

4 總結(jié)與展望

本文研制開(kāi)發(fā)一種安全經(jīng)濟(jì)的配網(wǎng)架空裸導(dǎo)線帶電涂敷絕緣材料機(jī)器人裝置，其具有集成化的涂敷模塊及行走模塊，能適應(yīng)裸導(dǎo)線現(xiàn)場(chǎng)絕緣化施工要求，實(shí)現(xiàn)絕緣化涂裝，施工便捷，絕緣化后的導(dǎo)線能正常運(yùn)行，相比現(xiàn)有的人工涂敷絕緣材料的方式，工作效率高且安全可靠，在配電網(wǎng)系統(tǒng)中具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。