基于移動(dòng)機(jī)載平臺(tái)的輸電線絕緣子激光除冰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

葉高呈，鄒德華，鄺江華，江 維*

基于移動(dòng)機(jī)載平臺(tái)的輸電線絕緣子激光除冰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

葉高呈1，鄒德華2，鄺江華2，江 維*1

(1. 武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430200；2. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司 超高壓輸電公司，湖南 衡陽(yáng) 420100)

為了解決冬季嚴(yán)寒時(shí)期對(duì)輸電線路及其金具的除冰作業(yè)任務(wù)，綜合分析現(xiàn)有的除冰技術(shù)，本文提出一種基于激光技術(shù)的新型輸電線路除冰方法，設(shè)計(jì)了能夠在地面行走并搭載激光除冰器的激光除冰裝備的基本構(gòu)型和虛擬樣機(jī)模型，通過(guò)合理的作業(yè)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，利用激光頭的旋轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)對(duì)輸電覆冰處定點(diǎn)激光照射使覆冰脫落，和常規(guī)除冰作業(yè)方式相比，該除冰裝備移動(dòng)平臺(tái)采用四輪行走模式能夠靈活移動(dòng)，同時(shí)激光可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式的除冰作業(yè)，再配合激光頭的多自由度運(yùn)動(dòng)對(duì)覆冰處實(shí)現(xiàn)無(wú)盲區(qū)除冰，其作業(yè)效率和作業(yè)可靠性得到一定保證，該研究對(duì)于輸電線路智能運(yùn)維管理具有重要理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

機(jī)載平臺(tái)；非接觸式；激光除冰；多自由度運(yùn)動(dòng)；無(wú)盲區(qū)作業(yè)

0 引言

高壓輸電線路通過(guò)架空形式跨越原始森林、大江大河，冬季嚴(yán)寒氣候造成輸電線路及線路上懸垂絕緣子串上產(chǎn)生覆冰，懸垂絕緣子串[1-4]上的覆冰主要包括盤面的覆冰和絕緣子串上絕緣子和絕緣子之間形成的冰凌[5-8]，這些覆冰和冰凌不僅僅增加了整個(gè)輸電線路桿塔的負(fù)重，更重要的是會(huì)影響絕緣子的絕緣性能，特別是絕緣子和絕緣子間的冰凌最容易造成絕緣子片間短路事故的發(fā)生[9-10]，因此，去除容易造成短路事故的絕緣子冰凌是保障整個(gè)輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)輸電線路除冰技術(shù)已有多種不同方法，但是主要可以歸納為3類，即熱力融冰法[11-12]、機(jī)械破冰法[13-14]、其他除冰法[15-16]等。第一種方法，熱力融冰法的缺點(diǎn)就是在融冰過(guò)程中需要斷電，難以實(shí)現(xiàn)帶電除冰作業(yè)，這樣會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，但其優(yōu)點(diǎn)就在于對(duì)除冰技術(shù)人員不需要過(guò)高的知識(shí)和技能要求，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的培訓(xùn)即可操作設(shè)備進(jìn)行融冰作業(yè)，如國(guó)家電網(wǎng)[17-18]、南方電網(wǎng)[19-20]及其它研究單位都提出了許多直流熱力融冰技術(shù)方案及其實(shí)際應(yīng)用；第二種方法，機(jī)械除冰其優(yōu)點(diǎn)和第一種一樣，不需要進(jìn)行專門的除冰知識(shí)和設(shè)備操作培訓(xùn)，還有就是耗能小，價(jià)格便宜。但其主要缺點(diǎn)是操作人員需要近距離的進(jìn)行除冰作業(yè)，脫落的冰塊以及帶電的輸電導(dǎo)線對(duì)操作人員的人身安全有極大的威脅。除此之外，其它的一些除冰方法大多都有除冰效率低、安全隱患大、設(shè)備花費(fèi)高昂等缺點(diǎn)[21-22]。

基于上述分析，綜合幾種輸電線路除冰作業(yè)的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出了一種利用激光新技術(shù)的輸電線路除冰方法，通過(guò)移動(dòng)機(jī)載平臺(tái)搭載輸電線激光除冰設(shè)備來(lái)進(jìn)行除冰作業(yè)，機(jī)載移動(dòng)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向靈活運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，搭載的激光裝備具有俯仰和旋轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)輸電線路絕緣子串覆冰作業(yè)范圍的無(wú)死角覆蓋，激光除冰裝備發(fā)射激光到達(dá)覆冰處，覆冰吸收激光能量，溫度升高，最后使冰層融化脫落，激光除冰技術(shù)是激光技術(shù)與電網(wǎng)系統(tǒng)作業(yè)需求的深度融合和新嘗試，具有除冰方向性強(qiáng)、能量定向傳輸效率高、采用非接觸式等顯著特征，其對(duì)于輸電線路安全、穩(wěn)定、智能運(yùn)維管理具有重要理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 除冰對(duì)象絕緣子及其作業(yè)環(huán)境分析

如圖1所示為輸電線路除冰作業(yè)環(huán)境示意圖，其主要包括電線桿塔、電線、絕緣子串、電線配件、拉線、電線塔基礎(chǔ)、接地裝置等組成，架設(shè)于地面上。其中絕緣子串是帶有固定和運(yùn)行需要的輸電線路保護(hù)裝置，用于懸掛導(dǎo)線并使導(dǎo)線與桿塔和大地絕緣的作用。有關(guān)研究結(jié)果表明，絕緣子串覆冰越重、電壓分布畸變?cè)酱螅貏e是高壓電線上的絕緣子串承受電壓百分?jǐn)?shù)越高，越容易造成冰閃事故。另外，從物理性能分析，當(dāng)絕緣子的覆冰超過(guò)額定載荷的限度時(shí)，會(huì)使絕緣子摔毀。而當(dāng)懸垂絕緣子的覆冰不均時(shí)，會(huì)造成絕緣子向一側(cè)大幅度傾斜而碰到桿塔，使絕緣子損壞，這些后果嚴(yán)重影響著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，輸電線路激光除冰作業(yè)通過(guò)移動(dòng)機(jī)載平臺(tái)搭載激光裝備在輸電桿塔附件開展作業(yè)，主要是通過(guò)機(jī)載平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和激光裝備的多自由度協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，控制激光頭實(shí)現(xiàn)除冰區(qū)域的無(wú)盲區(qū)掃射，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)輸電線路的除冰作業(yè)。

圖1 絕緣子串除冰作業(yè)環(huán)境示意圖

2 基于機(jī)載平臺(tái)的激光除冰機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 激光除冰機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)

激光除冰裝備包括激光器和移動(dòng)平臺(tái)兩大部分，激光器上搭載瞄準(zhǔn)裝置和顯示屏，使其對(duì)覆冰處更精確定位，激光器結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。移動(dòng)平臺(tái)包括移動(dòng)柜體、轉(zhuǎn)臺(tái)和四個(gè)行走輪，激光裝備機(jī)械部分包括旋轉(zhuǎn)和俯仰兩個(gè)自由度對(duì)激光頭的方向進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)和激光器繞著轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰運(yùn)動(dòng)，其中最大角度視實(shí)際情況及工作需要決定，再通過(guò)移動(dòng)柜體下的四個(gè)行走輪實(shí)現(xiàn)整體的位姿調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)激光器發(fā)射的激光掃描既定的除冰區(qū)域，完整的激光除冰裝備二維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2（b）所示。

2.2 激光除冰實(shí)體模型與虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

基于上述激光除冰裝備的基本構(gòu)型圖，輸電線路絕緣子串激光新型除冰系統(tǒng)裝備實(shí)體模型圖如圖3（a）所示，其中激光部件包括激光頭、頻率轉(zhuǎn)換裝置、準(zhǔn)直鏡、掃描振鏡、聚焦鏡等如圖3（b）所示，瞄準(zhǔn)裝置和顯示屏固定于激光器上，其實(shí)體結(jié)構(gòu)主要包括瞄準(zhǔn)裝置、激光部件、移動(dòng)柜體、轉(zhuǎn)臺(tái)、顯示屏等幾個(gè)主要部分。采用激光頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)和振鏡掃描聚焦原理，通過(guò)激光頭輸出紅外激光，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡和掃描振鏡還有聚焦鏡照射到絕緣子串覆冰處。機(jī)載移動(dòng)平臺(tái)柜體內(nèi)具有電源系統(tǒng)、控制設(shè)備、冷卻設(shè)備等如圖4所示，電源系統(tǒng)給激光頭供電，冷卻設(shè)備與激光頭連接。控制設(shè)備與激光電源和掃描振鏡的電源的外部控制端口連接，轉(zhuǎn)臺(tái)包括方位旋轉(zhuǎn)部件如圖5（a）所示和俯仰部件如圖5（b）所示，可通過(guò)控制轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行方位旋轉(zhuǎn)和俯仰兩自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，瞄準(zhǔn)裝置通過(guò)電子望遠(yuǎn)鏡將圖像信息傳送給控制系統(tǒng)，并在顯示屏上顯示，對(duì)可見激光照射的位置進(jìn)行觀察，避免激光對(duì)絕緣子串的損傷。

圖3 激光除冰系統(tǒng)的三維實(shí)體模型圖

圖4 移動(dòng)柜體內(nèi)部示意圖

圖5 激光除冰裝備機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)

3 基于機(jī)載平臺(tái)的激光絕緣子除冰作業(yè)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

當(dāng)進(jìn)行高空中絕緣子串除冰作業(yè)時(shí)，通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)搭載激光除冰機(jī)移動(dòng)至合適位置，作業(yè)前，激光除冰機(jī)初始工作狀態(tài)如圖6（a）所示。通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)整至合適激光俯仰角度，使得激光可以遠(yuǎn)距離傳輸?shù)浇^緣子串上，再通過(guò)瞄準(zhǔn)裝置精準(zhǔn)對(duì)著絕緣子串上的覆冰如圖6（b）所示，同時(shí)，應(yīng)保證掃描振鏡、聚焦鏡、激光頭等同光軸。當(dāng)進(jìn)行絕緣子串頂部絕緣子除冰時(shí)，可通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行位姿的調(diào)整如圖6（c），6（d）所示，激光束在水平面掃描運(yùn)動(dòng)，使得絕緣子上覆冰充分融化。通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一個(gè)絕緣子盤面覆冰的清除，然后通過(guò)俯仰機(jī)構(gòu)，對(duì)準(zhǔn)下一片絕緣子，并通過(guò)移動(dòng)機(jī)載平臺(tái)和激光器的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)重復(fù)上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)整串絕緣子覆冰的清除作業(yè)。

4 激光掃射除冰作業(yè)空間測(cè)試與分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證激光除冰機(jī)器人機(jī)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(guò)調(diào)節(jié)激光裝備上的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的偏轉(zhuǎn)角α、β來(lái)測(cè)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(yùn)動(dòng)規(guī)劃中垂直形態(tài)下的5片懸垂絕緣子構(gòu)成的1個(gè)絕緣子串來(lái)進(jìn)行激光掃描作業(yè)運(yùn)動(dòng)空間范圍測(cè)試，規(guī)定俯仰運(yùn)動(dòng)向上俯仰角α為正，左右運(yùn)動(dòng)向左偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角β為正，初始位置為兩個(gè)偏轉(zhuǎn)角都為0，且激光頭正對(duì)絕緣子串第3片中心位置，所得到的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖6 絕緣子串激光除冰裝備作業(yè)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

表1 激光掃射范圍測(cè)試結(jié)果

通過(guò)表1的測(cè)試結(jié)果可知，在激光裝備構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí)，2自由度的激光運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)其偏轉(zhuǎn)角分別在45度到-45度之間和60度到-60度之間，激光器在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)與激光裝備自身及機(jī)載平臺(tái)之間發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，且通過(guò)偏轉(zhuǎn)角的調(diào)節(jié)可以實(shí)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(jī)械設(shè)計(jì)上通過(guò)設(shè)置該偏轉(zhuǎn)角及其運(yùn)動(dòng)控制，激光除冰機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)超高壓輸電線路懸垂絕緣子的無(wú)盲區(qū)除冰作業(yè)。

5 結(jié)論與展望

本文針對(duì)輸電線路非接觸式除冰作業(yè)，提出了一種基于移動(dòng)機(jī)載平臺(tái)的輸電線絕緣子激光除冰裝備的基本構(gòu)型，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的三維實(shí)體模型圖，提出了適用于輸電線路懸垂絕緣子串的激光新型除冰作業(yè)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及除冰作業(yè)方法。提出了移動(dòng)平臺(tái)-激光頭復(fù)合系統(tǒng)的嵌入式集成控制體系架構(gòu)，通過(guò)這種復(fù)合模式能夠大大增加激光掃射的范圍以及增加激光頭運(yùn)動(dòng)的靈活性和可靠性從而實(shí)現(xiàn)輸電線路絕緣子串無(wú)盲區(qū)除冰作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了激光技術(shù)在電力系統(tǒng)中的創(chuàng)新應(yīng)用，同時(shí)本文所提出的激光除冰系統(tǒng)新構(gòu)型和除冰新方法還需要在實(shí)際物理系統(tǒng)中做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證其工程實(shí)用性。

[1] Pouliot N, Richard P L, Montambault S. LineScout Technology Opens the Way to Robotic Inspection and Maintenance of High-Voltage Power Lines [J]. IEEE Power & Energy Technology Systems Journal, 2015, 2(1):1-11.

[2] Lima E J, Bomfim M H S, Mour?o M A M. POLIBOT–Power Lines Inspection Robot [J]. Industrial Robot: An International Journal, 2018, 45(1): 98-109.

[3] Wang W, Wu G, Bai Y, et al. Hand-Eye-Vision based Control for an Inspection Robot’s Autonomous Line Grasping[J]. Journal of Central South University, 2014,21(6): 2216-2227.

[4] Shruthi C M, Sudheer A P, Joy M L. Optimal crossing and control of mobile dual-arm robot through tension towers by using fuzzy and Newton barrier method[J]. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2019, 41(6): 245-270.

[5] Seok K H, Kim Y S. A state of the art of power transmission line maintenance robots [J]. Journal of Electrical Engineering & Technology, 2016, 11(5): 1412-1422.

[6] Alhassan A B, Zhang X, Shen H, et al. Power transmission line inspection robots: A review, trends and challenges for future research[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2020, 118: 105862.

[7] Sun C, He W, Hong J. Neural Network Control of a Flexible Robotic Manipulator Using the Lumped Spring-Mass Model [J]. IEEE Transactions on Systems Man & Cybernetics Systems, 2017, 47(8):1863-1874.

[8] Wang K, Luo M, Mei T, et al. Posture Error Correction of a Six-DOF Serial Manipulator Based on Genetic Algorithms [J]. Lecture Notes in Electrical Engineering, 2013, 226(5): 203-211.

[9] 巢亞鋒, 岳一石, 王成, 等. 輸電線路融冰、除冰技術(shù)研究綜述[J]. 高壓電器, 2016, 52(11):1-9+24.

[10] 莊紅軍, 楊永謙, 陳友坤, 等. 輸電線路雙向除冰機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表, 2020, (10): 141- 144.

[11] 郝艷捧, 劉國(guó)特, 薛藝為, 等. 輸電線路覆冰厚度的小波分析圖像識(shí)別[J]. 高電壓技術(shù), 2014, 40(02): 368- 373.

[12] 張秉良, 張都清, 韓梁. 架空輸電線路激光遠(yuǎn)程融冰試驗(yàn)及分析[J]. 山東電力技術(shù), 2019, 46(01): 78-80.

[13] 梁顯濤, 廖梓杰, 林俞先. 一種新型的高壓線巡檢除冰設(shè)備[J]. 廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械化, 2020, (01): 39.

[14] 周維維, 樊衛(wèi)華, 姜姍. 激光異物清除器裝置研究[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2018，26（7）：123-127.

[15] 張歡, 李煒, 張亞軍, 等. 輸電線路檔距組合對(duì)覆冰導(dǎo)線動(dòng)態(tài)特性的影響分析[J]. 高電壓技術(shù), 2013, 39(03): 755-761.

[16] 曹雷, 郭銳, 張峰. 高壓輸電線路除冰機(jī)器人機(jī)械本體結(jié)構(gòu)的研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2013, (04): 147- 149+152.

[17] 魏書寧, 王耀南, 印峰, 等. 基于K-最近鄰分類增強(qiáng)學(xué)習(xí)的除冰機(jī)器人抓線控制[J]. 控制理論與應(yīng)用, 2012, 29(4): 470-476.

[18] 鮮開義, 彭志遠(yuǎn), 谷湘煜, 等. 變電站巡檢機(jī)器人避障方法研究與應(yīng)用[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2021, 21(5): 1957-1962.

[19] 張建華, 許曉林, 劉璇, 等. 雙臂協(xié)調(diào)機(jī)器人相對(duì)動(dòng)力學(xué)建模木[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2019, 55(3): 34-42.

[20] 馬宏偉, 張珍珍, 楊林, 等. 巡檢機(jī)器人全球定位系統(tǒng)/里程計(jì)組合定位方法[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2020, 20(23): 9440-9444.

[21] 李小彭, 尚東陽(yáng), 李凡杰,等. 輸電線巡檢機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模與DME評(píng)價(jià)[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2020, 41(9): 1280-1284.

[22] 魏永樂, 房立金, 等. 雙臂巡檢機(jī)器人沿輸電線路行走特性分析[J]. 北京理工大學(xué)報(bào), 2019, (8): 813-818.

Design of Laser Deicing Mechanism for Transmission Line Insulator based on Mobile Airborne Platform

YE Gao-cheng1, ZOU De-hua2, KUANG Jiang-hua2, JIANG Wei1

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China; 2. State Grid Hunan EHV Transmission Company, Hengyang Hunan 420100, China)

In order to solve the deicing task of transmission lines and their fittings in the severe cold period of winter, based on a comprehensive analysis of the existing deicing technologies, this paper proposes a new deicing method for transmission lines based on laser technology, and designs the basic configuration and virtual prototype model of the laser deicing equipment which can walk on the ground and carry the laser deicer. Through the reasonable operation movement planning, the rotation and elevation motion of the laser head irradiates the fixed-point laser at the icing place of the transmission line to make the ice fall off, and the conventional deicing. Compared with the operation mode, the mobile platform of the deicing equipment adopts the four-wheel walking mode, which can move flexibly. At the same time, the laser can realize the non-contact deicing operation, and cooperate with the multi degree of freedom movement of the laser head to realize the ice free deicing at the icing area, and the operation efficiency and reliability are provided to a certain extent practical application value.

Airborne platform; contactless; laser deicing; multi degree of freedom motion; no blind area operation

TM411

A

2095－414X(2022)04－0033－05

通訊作者：江維（1983-），男，講師，博士研究生，研究方向：電力作業(yè)機(jī)器人.

武漢紡織大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（2022）.