柔性象鼻機械臂在電纜工井故障探測中的應用

王建良

摘 要：電力電纜井因其井下環境復雜，設備復雜，給電力檢修工人的生命安全帶來了一定的隱患。為了減少安全事故意外發生并對電纜設施進行有效檢測，設計一種柔性象鼻式機械臂替代人工檢修，電力檢修人員可以在地面上遠程操作機械臂，通過機械臂攜帶的紅外攝像頭將井下圖像實時傳輸到顯示終端，以獲得完全的井下電纜圖像信息。通過裝置采集到的視頻圖像觀察電纜維護情況，較好地反映電纜工作狀態，符合電纜工井的檢修要求。

關鍵詞：電纜故障；象鼻機械臂；紅外圖像；遠程控制

1 引言

隨著我國經濟水平的飛速發展，電力建設也隨之飛速發展，電網遍布全國錦繡山河，與此同時各種類型的電力電纜在各地得到廣泛的應用。電力電纜供電的優點有安全方便、線損小、受自然的影響小。但是在供用電力電纜過程中，一旦發生故障，很難較快地尋測出故障點的確切位置，不能及時排除故障恢復供電，往往造成停電停產的重大經濟損失。所以，如何用最快的速度、最低的維護成本恢復供電是各供電部門遇到故障時的首要課題。但是由于電力電纜自帶高電壓，且一般實際狀態下都為多路電纜并行敷設，特備是電纜井下檢修，處于自然、土建、電氣多方混雜的環境，安全問題尤其突出，檢修作業較易發生安全事故，對作業人員的生命安全和電網維護構成了嚴重的安全隱患。為了減少安全事故的發生，同時對電纜設施進行有效檢測，本文設計一種新型的柔性象鼻式機械臂替代人工下井，電力檢修人員可以在地面上遠程操作機械臂，通過裝置實時采集到的視頻圖像觀察電纜維護情況，較好地反映電纜工作狀態，同時將采集的視頻圖像存擋，作為日后檢修和事故分析的重要資料。

2 電纜故障分析

2.1 電纜故障分類

電纜線的故障根據性質主要可以分為如下三種形式 ：

（1）絕緣故障：出現這種故障的原因是因為電纜的絕緣水平低導致出現漏電現象、位于主線芯之間或者芯線對地絕緣電阻達不到要求以及線芯之間或對地泄漏電流過大。

（2）接地故障：接地故障主要根據絕緣電阻值分為完全接地、低電阻接地和高電阻接地三種情況。完全接地指芯線與大地之間的絕緣電阻值為零；當地芯與大地間的絕緣電阻值小于500[kΩ]時稱為低電阻接地；當線芯與大地之間的絕緣電阻大于500[kΩ]，或者達到了1[MΩ]以上稱為高電阻接地。

（3）斷線故障：當電纜一相或兩相芯線斷開時，發生斷線故障

2.2 電纜故障產生原因

電纜發生故障的原因與電纜線的運行維修、安裝施工和使用環境等因素有緊密的關系，具體原因主要有三個方面.

（1）機械損傷。絕大多數的電纜事故是由電纜機械損傷引起的，例如，工人運輸、安裝時碰傷電纜或過度彎曲造成電纜損傷。除了安裝施工中的損傷外，電纜的使用環境也有可能造成損傷，如環境腐蝕等。

（2）電纜材料缺陷。絕緣層制作時，由于不符合制作規定或保護管理不善，，造成電纜絕緣材料受潮、或老化，嚴重影響其實際使用。

（3）操作損傷。因實際錯誤操作，如操作過電壓、故障暫態過電壓作用造成電纜絕緣擊穿使電纜損傷。

3 電纜故障點探測原理

3.1 故障探測裝置總體設計

針對上述電纜故障原因，設計一種柔性象鼻機械臂應用于電纜工井故障探測。故障探測裝置包含柔性象鼻機械臂、電動伸縮桿、電機動力部分、電路控制部分、遠程遙控裝置和終端顯示裝置。柔性象鼻機械臂是前端探測結構，其可在電纜工井中自由活動，并通過其頂部的紅外攝像頭將井下的圖像信息傳輸到終端顯示。電動伸縮桿可以針對不同深度的電纜工井調節長度。電機驅動部分由三臺12V直流低速電機控制。遠程遙控裝置實現對柔性象鼻機械臂遠程控制，便于在地面安全操作，盡量減少人員下井的頻率，減少事故意外發生的可能性。終端顯示裝置用于接收、存儲井下圖像視頻信息，便于后續的故障檢測，裝置的總體設計如圖1所示。

3.1.1 柔性象鼻機械臂

柔性象鼻機械臂是一種新型的模仿象鼻器官的運動機理的仿生機器人，因其可在任意部位產生柔性變形，具有很強的避障能力和環境適應力，近年來得到廣泛應用。針對電力纜井空間狹小，環境惡劣，設備復雜，常需要帶電工作等因素，給電力檢修工人作業帶來了一定的安全隱患，因此采用柔性象鼻機械臂作為前端探測裝置代替人工井下檢測作業。

象鼻機械臂的驅動方式通常分為三種形式：氣動人工肌肉、形狀記憶合金的內置驅動方式以及線驅動的外置驅動方式[。氣動人工肌肉驅動方式具有重量輕的特點，通過外部壓縮氣體產生壓力的變化來提供動力，使機械臂產生推拉運動。但氣動人工肌肉存在對機械臂的使用環境、機械強度和密封材料有較高的要求，需要在密封環境下才能正常使用，同時由于氣體作為動力源時，其控制復雜度較高，控制精度相對較低。形狀記憶合金是一種在加熱升溫后能恢復其變形前原始形狀的合金材料。這種合金可以通過改變工作溫度來改變其形狀，但這種方式對與記憶合金相連接的材料要求很高，不易控制。由于上述兩種驅動方式不易控制，結構復雜，價格昂貴，因此采用線驅動的外置驅動方式，其結構簡單，控制方便，成本低，同時具有較高彎曲柔軟程度和一定的抗沖擊能力，其結構如圖2所示。

柔性象鼻機械臂包括多段串聯關節，其中一節固定在電動伸縮桿上，串聯關節中間為雙彈簧結構，里面是一根長拉簧，使裝置具有一定的抗沖擊能力和自恢復力，套在拉簧外是短壓簧，使機械臂具有較高彎曲柔軟程度。支撐盤片為三角形，設有一個拉簧通孔和三個金屬線通孔，拉簧通孔設置在支撐盤片的幾何中心處，拉環通孔設有圓套用于固定短壓簧。金屬線孔均勻分布在支撐盤片的邊緣，呈60度分布。

三根金屬線松緊程度用于控制象鼻機械臂運動方向，控制時，某一個電機正轉通過金屬線將中心拉簧拉伸，另外兩電機反轉適當放松，使象鼻頂部向該方向運動，或者某兩根金屬線控制拉伸，另一個電機反轉適當放松，也可以是三個電機同時收緊，實現象鼻機械臂在空間內三維方向甩動。電機反轉，可使機械臂恢復初始位置。

3.1.2 電路控制部分

電路控制部分包括開關電源，保險絲座，繼電器和無線遙控模塊。用于轉換電壓，輸出電機正常工作的12V電壓，繼電器用于控制三部電機工作，無線遙控模塊用于遠程控制電路。電路控制部分示意圖如下。

3.1.3 終端顯示部分

終端顯示裝置用于接收、存儲井下圖像視頻信息，便于后續的故障檢測。由于井下光線較暗，空間狹小，選用微型紅外攝像頭作為圖像視頻采集裝置，為了使電力檢修人員可通過終端顯示部分遠程查看電纜工井內電纜工作情況，開發基于WI-FI的終端顯示客戶端，包括手機客戶端和電腦客戶端。手機客戶端是電力檢修者實地觀察井下電纜工作情況的主要方式，其主要功能包括：

（1）建立攝像頭與終端顯示部分的信號連接，傳輸井下安全電纜工作圖像視頻傳輸到手機客戶端。

（2）接收傳輸圖像視頻并進行存儲。

（3）進行傳輸圖像的放大、縮小、旋轉等圖像編輯操作。

通過遠程顯示終端，不僅可以實時采集顯示井下電纜工作情況，很好地反映了井下情況，提高了檢測效率，保證了檢修人員安全，還可以將采集的圖像視頻信息存儲分類，作為日后檢修和事故分析的重要資料。

4 電纜故障點探測模擬實驗

通過在柔性象鼻機械臂的頂部安裝紅外廣角攝像頭，對電纜工井的電纜內部進行檢查。本文首先在室內條件下檢測裝置效果，示意圖見圖5。

由上圖可知，技術人員在不斷電檢修的情況下，通過微型紅外攝像頭對電纜線進行圖像視頻采集，并實時傳輸到傳到顯示終端上，可隨時對電纜井內的情況進行觀察，替代了工人實際下井檢修操作，消除了工人作業的安全隱患。

經過前期的室內研究論證，并在實際電纜工井進行檢修實驗。單個電纜工井的檢修時間由過去平均3h，縮短到現在的20min，檢修工人數量由過去的3～4名，減少到1人完成全部電纜檢測和存檔。通過裝置實時采集到的視頻圖像觀察電纜維護情況，較好地反映電纜工作狀態，同時將采集的視頻圖像存擋，作為日后檢修和事故分析的重要資料。

5 結束語

檢修作業較易發生安全事故，對作業人員的生命安全和電網維護構成了嚴重的安全隱患。為了減少事故的發生，有效探測電纜工井故障，本文提供了一種新型柔性象鼻機械臂應用于電纜故障探測，這種方式操作方便，方便外出攜帶，能耗低，可較長時間使用。電力檢修人員可以使用操作裝置遠距離進行遙控，最大程度避免井下的安全隱患。應用手機和電腦終端作為接收顯示端，最大程度的保證了井下的可視性。本裝置可有效替代人工井下作業，檢修效率極大提高，具有很好的應用前景。未來考慮在機械臂上攜帶更多的傳感器，豐富井下采集的信息，為電纜工井的維護檢修工作提供更多依據。

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