基于無人機的絕緣子清掃測零裝置研究

文/龔金棟，國網湖南省電力有限公司常德供電公司

1 引言

電力架空線路使用的絕緣子表面積污很常見，運行一段時間就要清掃。清掃方法一般采用人工清掃、機械清掃或帶電水沖洗，人工清掃、機械清掃費時費力，帶電水沖洗成本高。無論采用以上哪種方法，對于絕緣子上的灰塵或污垢都要及時進行清掃，如果清掃不及時，就可能發生污閃事故。輸電線路絕緣子的清掃一直是供電部門的老、大、難問題 。

另外，絕緣子串隨著戶外風吹日曬和長期電壓作用，可能會有個別瓷瓶不絕緣。這個瓷瓶絕緣被破壞，絕緣電阻接近0，在瓷瓶串上承擔的電壓值也接近于0，故被稱為“零值絕緣子”， “零值絕緣子”不及時發現和更換就可能會發生導線電壓擊穿所有好的絕緣子而導致單相接地的情況，影響正常供電。傳統的火花間隙測試設備需要人工上塔，帶電作業，既不安全又測量效率低，漏檢錯檢問題較多。

因此現場迫切需要利用最新科技開發自動絕緣子清掃測零設備，用來解決長期以來困擾電力系統架空線路污閃的技術難題。本項目應用最新的無人機技術和無線通訊技術，開發研制一種絕緣子帶電清掃測零機器人，實現了對輸電線路絕緣子的遠程無線清掃測零，大大降低了勞動成本，提高了工作的安全性。

2 系統結構與實現

2.1 系統設計原理

應用最新的機器人技術和無線通訊技術，開發研制一種絕緣子帶電清掃測零機器人，主要由無人飛機、清掃攝像機、伸縮式絕緣轉動桿、擺動機構和清掃頭和測量叉組成。

使用時，遙控器操作無人機起飛到待清掃絕緣子外側懸停。無人機攜帶專用絕緣的刷頭，以高能電池配合微型電機為動力，通過絕緣傳動桿帶動清掃刷頭實現對絕緣子的清掃。特別難清的沾上少量蒸餾水或電力清潔劑通過電動絕緣桿使刷頭摩擦絕緣子表面將污穢清除。電機驅動伸縮式絕緣轉動桿轉動，伸縮式絕緣轉動桿則驅動擺動機構使清掃頭在絕緣子上作推磨式擺動而將塵埃擦去，經逐層擦試后再從頸部撤離而完成清掃，不斷地刷去絕緣子表面上的污垢，從而保證絕緣子表面清潔，防止污閃事故發生。還可增設噴吹裝置，用風將擦掃的污垢和灰塵吹掉而更潔凈。

測量零值由無人機攜帶無線測零叉飛到絕緣子附近懸停，測量叉將測得的絕緣子電場值傳送到地面顯示器判斷是否零值絕緣子。

2.2 系統硬件結構

主要由無人飛機、清掃攝像機、伸縮式絕緣轉動桿、擺動機構和清掃頭和測量叉以及地面站組成。

2.2.1 無人機

無人機采用最新小型無人機，由飛行控制系統自主控制的一鍵式自動垂直起飛，可使飛機在甚至有風雨的情況下自動垂直爬升之指定高度后，自動轉為定點懸停模式，交由人為操縱飛機飛行，在任何情況下，可一鍵式控制飛機自動返航，命令飛機以最短路徑返回起飛點，并垂直下降至指定高度懸停，可一鍵指令飛機降落，飛機空中下降至10米第一次剎車，并緩慢降落至地面，在接近地面至5cm時進行最后一次剎車，輕盈的降至地面，并關閉油門和鎖定保險。該機實現了 精確指點：飛機在高于30米的空中飛行時，在地圖上單擊目的地點，飛機將執行指令模式，精確飛往指定目的地。

圖1：系統硬件組成

定點懸停：飛機在空中飛行的任何情況下，點擊定點懸停按鈕，飛機會執行空中制動，并迅速定點在當前位置，達到在空中幾乎處于靜止的狀態。

手動控制：在飛機處于定點懸停模式時，可推動飛行搖桿使飛機在空中進行前后左右的手動飛行。這個功能很重要，可通過這個模式找到最合適的位置使飛機精確降落。

高度控制：在飛機處于定點懸停模式時，可通過高度控制操作桿，控制飛機垂直爬升和垂直下降，使飛機達到需要的高度。 這些功能保證了遙控的穩定性和安全性。

2.2.2 高清清掃攝像頭

特制單反相機云臺，可嚴格保持相機姿態，可抵消飛行時姿態的變化而造成的相機傾斜和俯仰，并且可大大消除飛機本身的震動。在任何情況下，可通過云臺控制操作桿對云臺進行俯仰和橫滾的操作，使得可以以任何角度拍攝穩定的視頻并將信號遠傳回地面站，便于工作人員清楚的觀察輸電線路情況。

2.2.3 清掃結構

圖2：清掃結構組成

清掃機構由伸縮式絕緣轉動桿、擺動機構和清掃頭組成。根據清掃需求，帶清掃刷對絕緣子表面進行清掃，對于污垢比較嚴重的區域遙控發送命令打開電磁閥從碰頭噴出水霧，對絕緣子進行噴灑，再行搽除。

圖3：無人機清掃裝置實物圖

2.2.4 絕緣子測零

圖4：絕緣子測零流程

利用DC/DC升壓電路模塊把12V直流電壓升壓到2500V，檢測時2500V直流檢測電壓通過金屬檢測臂直接加在待測絕緣子的上下金具上，檢測系統采集由此產生在絕緣子上的泄露電流，進行相關的放大濾波處理。處理后的數據傳送到高精度單片機的A/D采樣端，由單片機進行絕緣子的阻值的計算，從而判斷出是否為零值或者低值絕緣子，并把最后的檢測結果通過自帶的顯示屏實時顯示并發回到地面站計算機。這樣做的目的是既可以實時看到檢測結果，又可以把相關數據通過地面站計算機進行回放和保存。

2.2.5 地面站系統

整個無人機的絕緣子清掃、測零、噴吹以及清除異物全部通過無線傳輸，由地面站人員遙控完成。地面站系統利用LabVIEW 設計開發而成，具有顯示效果直觀，可以方便保存數據等優點。Lab VIEW 是美國國家儀器公司推出的一種基于圖形開發、調試和運行程序的集成化環境，是目前國際上應用最廣、發展最快、功能最強的編譯型圖形化編程語言。

3 裝置的集成與測試結果分析

3.1 裝置的集成測試

整個裝置通過單元模塊設計測試，組裝集成測試的模式，組成系統。 分為一鍵自動模塊、精準指點模塊、定點懸停模塊、推拉搖感模塊、清掃模塊、測零模塊、地面模塊。

3.2 結果分析

經過多次定點飛行及返回，對指定地點的上升俯沖，在遠程可以清晰觀察絕緣子的表面污染程度，機器人對絕緣子進行了清掃，清掃后明顯干凈，并對該絕緣子進行了測零，測零數據準確返回。機器人對電網懸掛風箏剪短，操作準確，幾乎不受風力影響。

3.3 創新點

3.3.1 通過無線技術、人工智能、機電一體化技術、計算機技術和微電子技術將該數學模型通過實際的電子裝置實現無人機攜帶專用機器人以及機器人遠程無線作業的數學控制模型。

3.3.2 實現了基于無人機的機器人清掃測零裝置。

3.3.3 為今后電力機器人的研發提供樣板。

4 總結

在經濟迅速發展的當今形勢下，電網的覆蓋面越來越大，工人巡檢的范圍也更大，人們用電需求增大，一次污閃事故造成的損失也增大，因此對電網建設也必將要求更加完善自動化，基于無人機的清掃測零裝置就是這個自動化的一部分，它的使用將工人從繁重的長途跋涉中解脫出來，提高工作效率，給電網的維護節省了費用，增加了效益，所以前景非常好，可適用于在本工程重污區線路中推廣使用。