超高壓直流閥廳套管智能安裝系統(tǒng)研究分析

廣西送變電建設(shè)有限責(zé)任公司 許嘉毅

1 引言

超高壓直流閥廳套管智能安裝系統(tǒng)是針對超高壓直流閥廳套管安裝特點(diǎn)進(jìn)行的升級與創(chuàng)新。超高壓直流閥廳套管安裝影響因素多，實(shí)際安裝中面臨很多阻礙。一是直流套管的形態(tài)以細(xì)長件為主，據(jù)統(tǒng)計(jì)最長值達(dá)到19m，因?yàn)殚L度原因，安裝空間延伸，加上套管的重量與安裝高度等要求嚴(yán)格，一旦安裝操作不規(guī)范，就會出現(xiàn)平穩(wěn)性下降情況。二是超高壓直流閥廳套管安裝，施工作業(yè)面比較大，高度、重量等影響下，需要操作人員高度配合，以專業(yè)作業(yè)技能完成操作，加上施工兼顧閥廳內(nèi)外兩方面，多臺設(shè)備共同運(yùn)行等，增加了施工安全風(fēng)險(xiǎn)。三是安裝精度要求較為嚴(yán)格，尤其是安裝孔洞、套管之間的處理，周圍環(huán)境條件都需要時(shí)刻注意，尤其是溫度與濕度。為提高超高壓直流閥廳套管安裝質(zhì)量，加大對智能安裝系統(tǒng)的研究力度，有效降低超高壓直流閥廳套管安裝難度。

2 深層次剖析超高壓直流閥廳套管傳統(tǒng)安裝方法的缺陷

超高壓直流閥廳套管安裝，因?yàn)橛绊懸蛩囟嘣?，所以傳統(tǒng)安裝中存在一些缺陷。如果不能明確缺陷具體情況，必然會影響超高壓直流閥廳套管安裝的安全與質(zhì)量，從而增加不必要的風(fēng)險(xiǎn)。以下是超高壓直流閥廳套管傳統(tǒng)安裝缺陷，根據(jù)傳統(tǒng)安裝方法的缺陷去深化超高壓直流閥廳套管智能安裝系統(tǒng)研究。一是傳統(tǒng)安裝中超高壓直流閥廳套管拆裝工藝復(fù)雜，對拆裝空間要求嚴(yán)格，必須將環(huán)流變借助牽引車將其牽引到指定區(qū)域，隨后借助吊車起吊的方式完成套管拆裝[1]。如此一來，套管的拆除與安裝工程量都會增加，同時(shí)面臨很多風(fēng)險(xiǎn)。二是超高壓直流閥廳套管安裝期間，主要借助吊車起吊進(jìn)行拆裝，整體操作不夠精確細(xì)致，導(dǎo)致拆除精度比較差，加上吊車起吊的穩(wěn)定性不足，頻繁出現(xiàn)套管損壞的情況，繼而出現(xiàn)套管安裝與拆卸過程中頻繁接觸出線裝置，造成各種故障[2]。三是套管安裝與拆卸過程中，環(huán)境監(jiān)測不到位，安裝精度達(dá)不到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，安裝碰撞比較多，缺乏系統(tǒng)全面的維護(hù)，導(dǎo)致套管絕緣損壞嚴(yán)重，出現(xiàn)嚴(yán)重老化現(xiàn)象等，超高壓直流閥廳套管應(yīng)用中出現(xiàn)絕緣擊穿與高溫爆炸等，一旦發(fā)生電力火災(zāi)，對周圍環(huán)境與人身安全等帶來致命打擊[3]。

傳統(tǒng)的超高壓直流閥廳套管安裝已經(jīng)不能滿足安全運(yùn)行需求，積極對安裝經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行提煉，并打造智能安裝系統(tǒng)，方便超高壓直流閥廳套管安裝操作基礎(chǔ)上，有效排除安裝風(fēng)險(xiǎn)，增設(shè)超高壓直流閥廳套管安裝平臺，保證閥廳內(nèi)即可以進(jìn)行安裝操作，尤其是內(nèi)部高壓套管的安裝更加便捷，不管是安裝還是拆除都在閥廳內(nèi)完成。超高壓直流閥廳套管智能安裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)施，增設(shè)現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測功能，及時(shí)感知現(xiàn)場環(huán)境波動(dòng)，并且準(zhǔn)確測量受力情況，經(jīng)過系統(tǒng)快速分析與三維定位，隨時(shí)了解超高壓直流閥廳套管安裝情況。不僅如此，借助移動(dòng)機(jī)器人的輔助，對安裝路徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃，既可以保證安裝安全，又能夠保障安裝精度，科學(xué)消除安裝隱患，減少安裝工作量，提高安裝效率。

3 超高壓直流閥廳套管智能安裝系統(tǒng)具體研究

3.1 智能安裝平臺的研究

智能安裝平臺作為超高壓直流閥廳套管智能安裝系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，其組成部分復(fù)雜，需要以移動(dòng)底盤為基礎(chǔ)，借助平衡支腿裝置科學(xué)控制，同時(shí)還需要設(shè)置升降裝置，能夠跟隨超高壓直流閥廳套管安裝情況，靈活調(diào)整變幅大臂與安裝操作的伸縮臂等，動(dòng)態(tài)變動(dòng)安裝位置，借助頭部旋轉(zhuǎn)裝置，對安裝角度等進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)整[4]。此外還涉及套管吊臂以及吊鉤，組成滑軌控制裝置。智能安裝平臺安裝設(shè)置期間，有效擴(kuò)展了移動(dòng)空間，打破傳統(tǒng)安裝中牽引其他區(qū)域拆卸的不足，增加獨(dú)立調(diào)節(jié)高度與底盤控制水平等功能，尤其是水平儀的安裝，可以隨時(shí)對支撐架平衡性進(jìn)行調(diào)整，增加旋轉(zhuǎn)靈活性。機(jī)械手臂會根據(jù)安裝具體情況自由伸縮，工裝位置更是同時(shí)兼具旋轉(zhuǎn)伸縮兩種功能。

智能安裝平臺工作過程如下：一是以移動(dòng)底盤對超高壓直流閥廳套管安裝的相關(guān)裝置進(jìn)行移動(dòng)，保證安裝裝置、換流變套管方向?yàn)?0°；二是借助平衡支腿裝置，去支撐超高壓直流閥廳套管安裝部件，隨后利用升降裝置將其引入至需要安裝的位置，適當(dāng)對旋轉(zhuǎn)控制盤進(jìn)行調(diào)整，保證滑軌角度滿足套管軸線平衡要求。方便套管吊臂長度調(diào)整需求，為拆卸套管的控制創(chuàng)造有利條件。其間需要人工對套管安裝的零部件進(jìn)行管理，保證套管安裝順利[5]；三是根據(jù)套管安裝情況，調(diào)整升降裝置，及時(shí)控制旋轉(zhuǎn)盤，以反向執(zhí)行拆卸的方式，順利更換新套管，簡化套管安裝操作流程。

3.2 現(xiàn)場感知監(jiān)測功能的增加

根據(jù)對超高壓直流閥廳套管安裝研究可以發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)組成特殊，所以極易受到安裝現(xiàn)場環(huán)境變化的影響。種情況需要通過現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測功能，對安裝現(xiàn)場環(huán)境變化隨時(shí)監(jiān)測，如溫度變化、濕度變化等，利用傳感器上傳變化動(dòng)態(tài)，方便對現(xiàn)場溫度與濕度的控制，提高超高壓直流閥廳套管安裝的安全性。其中的溫度傳感器，應(yīng)用紅外線熱成像技術(shù)，隨時(shí)檢測溫度變化，搭配內(nèi)置報(bào)警系統(tǒng)，設(shè)置規(guī)定閾值，若溫度變化超出閾值范圍，立即發(fā)出警報(bào)，從而有效規(guī)避安裝風(fēng)險(xiǎn)。對比傳統(tǒng)安裝中溫度監(jiān)測所應(yīng)用的接觸儀，溫度傳感器的應(yīng)用能夠迅速捕捉溫度的變化并迅速做出反應(yīng)。

濕度監(jiān)測依靠濕度傳感器完成，主要是對超高壓直流閥廳套管安裝期間水蒸氣量進(jìn)行測量。濕度測量的主要方法是跟蹤數(shù)值變化，數(shù)值若變化異常，證明周圍環(huán)境濕度異常。當(dāng)前超高壓直流閥廳套管安裝中所應(yīng)用的濕度傳感器，以聚酰亞胺搭配腐蝕硅材質(zhì)為主，不僅使用壽命長，并且可以迅速測出接觸面積濕度參數(shù)，有效提高了超高壓直流閥廳套管智能安裝過程中濕度的測試效率與準(zhǔn)確性。

現(xiàn)場感知監(jiān)測功能的應(yīng)用，幫助超高壓直流閥廳套管安裝隨時(shí)對周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，并靈活調(diào)整與控制，保證超高壓直流閥廳套管安裝期間，周圍的溫度與濕度數(shù)據(jù)始終保持在理想狀態(tài)，即溫度為20～25℃，濕度≤45%。

3.3 吊車與吊繩的選擇

智能安裝系統(tǒng)的應(yīng)用，必須做好吊車、吊繩的選擇，才能夠保證后續(xù)安裝工作順利完成。吊車的選擇需要根據(jù)直流閥廳套管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇技術(shù)成熟的100t汽車吊，該吊車工作幅度≤10m，起吊操作中起重臂仰角范圍為45°～50°，起重量參數(shù)值≥10t，起重臂的長度為20m。吊車的選擇必須參考直流閥廳套管的重量，此次研究的直流閥廳套管重量≤10t，因此100t 汽車吊滿足安裝要求。吊繩的選擇也是保證安裝安全與質(zhì)量的重要條件，吊繩的選擇需通過計(jì)算方式完成。吊繩選擇具體計(jì)算內(nèi)容如式（1）所示：

式（1）中，Q為套管重力；G為套管重量；G1為配重重量；k1為動(dòng)載荷系數(shù)；k2為風(fēng)載荷系數(shù)。

此外還可以根據(jù)力的平衡原理計(jì)算套管重力，即Q=F1+F2。F1為主起吊繩受力；F2為輔助起吊繩受力。

3.4 智能安裝系統(tǒng)受力分析

超高壓直流閥廳套管智能安裝系統(tǒng)運(yùn)行期間，智能安裝平臺會根據(jù)超高壓直流閥廳套管安裝情況，對各構(gòu)件進(jìn)行調(diào)整，必須展開準(zhǔn)確的受力分析，從而獲得合理設(shè)計(jì)參數(shù)，以此保證安裝的順利完成。

3.4.1 超高壓直流閥廳套管操作平臺參數(shù)計(jì)算

操作平臺的參數(shù)計(jì)算，集中于兩方面，一是平衡支撐；二是配重計(jì)算。直流閥廳套管的安裝，必須在安裝平臺上將重達(dá)1750kg 套管平穩(wěn)吊起，隨后操作升降大臂到合適位置，調(diào)整變幅油缸，參考底盤正常方向，升降裝置需要調(diào)整到距其90°位置，隨后計(jì)算底盤受力狀態(tài)，計(jì)算如式（2）所示：

式（2）中，F(xiàn)為作用力；M為F對轉(zhuǎn)動(dòng)軸力矩；L為力臂。

根據(jù)公式對套管端支腿力矩進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)套管端支腿力矩與底盤端支腿力矩?cái)?shù)值相差較大，分別為21.42 噸米與18.13 噸米，這樣一來超高壓直流閥廳套管安裝操作的平衡性差，需要在實(shí)際操作中持續(xù)增加底盤重量，增加不少于1400kg。根據(jù)超高壓直流閥廳套管安裝現(xiàn)場的觀察分析，發(fā)現(xiàn)安裝場地并不存在過多限制性條件，因此需要將安裝考慮的側(cè)重點(diǎn)傾向于操作工程位置的保護(hù)。其中安裝操作中大臂伸出狀態(tài)需要對角度嚴(yán)格控制，不允許≤30°，并且計(jì)算操作力矩變化，防止安裝側(cè)翻現(xiàn)象。

3.4.2 機(jī)械臂操作受力分析

機(jī)械臂操作是超高壓直流閥廳套管智能安裝系統(tǒng)的重要步驟，機(jī)械臂操作受力分析中，要素為機(jī)械臂壁厚的選擇，根據(jù)套管重量去調(diào)整升降大臂的角度，并且控制變幅油缸，其參數(shù)直接影響機(jī)械臂受力狀態(tài)。受力模式在作業(yè)環(huán)境的影響下，需要調(diào)整為靜應(yīng)力模式。因?yàn)闄C(jī)械臂的組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所以計(jì)算期間不能忽略力學(xué)性能與復(fù)合安全系數(shù)計(jì)算。

3.4.3 安裝過程的三維定位分析

超高壓直流閥廳套管智能安裝系統(tǒng)應(yīng)用中，會對超高壓直流閥廳套管的安裝全過程進(jìn)行三維定位，這為超高壓直流閥廳套管安裝操作提供了方便，同時(shí)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)安裝不當(dāng)情況，快速解決安裝問題。對于超高壓直流閥廳套管來講，因?yàn)橹悄馨惭b平臺的操作集中于閥廳，所以安裝條件限制性大，必須借助三維定位技術(shù)對安裝過程精細(xì)指導(dǎo)，準(zhǔn)確對安裝位置進(jìn)行三維定位。過程三維定位技術(shù)的應(yīng)用，可以打破可見光安裝操作的局限，加入無線電波通信方式，多途徑、大范圍地產(chǎn)生多徑效應(yīng)，加上VLC 技術(shù)的加入，保證定位的精確度。若安裝項(xiàng)目中設(shè)置了基本照明設(shè)施，三維定位分析的操作難度下降，服務(wù)能力進(jìn)一步強(qiáng)化，幫助超高壓直流閥廳套管安裝一定程度降低硬件成本。

三維定位分析技術(shù)的核心為粒子群優(yōu)化算法（Particle Swarm Optimization，PSO），具體應(yīng)用分析中該算法存在不足會過早收斂，面對這種情況，必須對優(yōu)解速度進(jìn)行改善，借助模擬退火算法，及時(shí)將粒子群優(yōu)化算法的不足進(jìn)行改善，有效解決超高壓直流閥廳套管安裝問題。三維定位分析的運(yùn)行，首先需要設(shè)置初始值。第一步將粒子群大小以N 表示，所有離子初始位置均以隨機(jī)坐標(biāo)為主，最大迭代數(shù)設(shè)定成mmax，通過視距信道增益偏差的計(jì)算，將其設(shè)置為粒子群初始值設(shè)置的適應(yīng)度函數(shù)。其次需要對退火更新粒子進(jìn)行模擬調(diào)整，準(zhǔn)確對粒子適應(yīng)度進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)衰減參數(shù)與迭代時(shí)間，得到最新的退火粒子數(shù)值。借此對粒子速度、坐標(biāo)及時(shí)更新，并增加其安裝適應(yīng)度。

3.5 動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃分析

超高壓直流閥廳套管智能安裝系統(tǒng)中應(yīng)用移動(dòng)機(jī)器人，根據(jù)安裝具體情況對動(dòng)態(tài)路徑進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，為超高壓直流閥廳套管安裝提供便利。保證直流閥廳障礙物不會隨意變動(dòng)的條件，借助動(dòng)態(tài)窗口法去輔助智能安裝平臺，及時(shí)對動(dòng)態(tài)障礙物加以躲避，將障礙物對超高壓直流閥廳套管安裝的影響降到最低。有效整合融合算法與超高壓直流閥廳套管路徑規(guī)劃的傳統(tǒng)A＊算法，在不斷磨合中確定無碰撞路徑，借此有效節(jié)約超高壓直流閥廳套管安裝路徑規(guī)劃時(shí)間，實(shí)現(xiàn)超高壓直流閥廳套管安裝的優(yōu)化。

4 結(jié)語

超高壓直流閥廳套管智能安裝系統(tǒng)是對傳統(tǒng)安裝操作的升級，有效打破傳統(tǒng)安裝局限。根據(jù)超高壓直流閥廳套管安裝特點(diǎn)，增設(shè)智能安裝與監(jiān)測等功能。尤其是三維定位分析、動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃等，有效提高超高壓直流閥廳套管安裝效率與安全性。