一種履腿臂復合型變電站帶電水沖洗機器人

肖建華 ，姜 勇 ，方學智 ，傅 博

（1.貴州電網有限責任公司凱里供電局，凱里 556000；2.中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室，沈陽 110016；3.中國科學院機器人與智能制造創新研究院，沈陽 110016）

在線運行的絕緣子，在自然環境中，受到SO2、氮氧化物及顆粒性塵埃等大氣環境的影響，在其表面逐漸沉積了一層污穢物。在天氣干燥的情況下，這些絕緣子可以保持著較高的絕緣水平，其放電電壓和潔凈、干燥狀態時接近；當遇有霧、露、雨等潮濕天氣，以及融冰、融雪時，絕緣子因表面污穢物吸收水分致使污穢層中的電解質溶解，造成絕緣子絕緣水平降低，泄漏電流增大，嚴重時發生閃絡事故。由于污穢而引起的絕緣閃絡事故，在電力系統事故中僅次于雷害居第二位，然而污閃事故所造成的損失卻是雷害事故的十幾倍。全國各大電網幾乎都發生過大面積污閃，造成了巨大的經濟損失。絕緣子是配、變電設施中最基礎的部件，絕緣子出現污穢是發生閃絡事故的根源，絕緣子干凈與否直接關系到供電的可靠性。故定期對配、變電設施上的絕緣子進行清污工作，是變電站必不可少的基本工作。

隨著電網電壓等級提高、系統容量增長，設備停電的機會越來越少、停電時間也越來越短。設備停電清污成為難于實現的措施，為及時清掃設備表面污穢，防止設備污閃事故，保證設備安全供電，帶電水沖洗已經成為清污工作中一種普遍采用的有效手段。

目前，變電站帶電水沖洗作業仍以人工方式為主，工人勞動強度大，危險性高，且受人員心理素質、業務水平、工作經驗和精神狀態等諸多因素的制約，清污效率差異性大，清污質量參差不齊。人工方式帶電水沖洗作業已經滿足不了現代化變電站安全運行的要求，采用機器人來代替人工作業是智能電網發展的必然趨勢。

本文介紹了變電站帶電水沖洗技術及相關設備的發展現狀，研究提出了一種新型履腿臂復合型變電站帶電水沖洗機器人，并分析了此類機器人的發展趨勢。

1 變電站帶電水沖洗的發展現狀

國外對輸、變電設備帶電水沖洗的研究開展較早，發展很快。美國、加拿大、日本、俄羅斯、捷克及中東沙特、約旦等國在超高壓輸電線路及變電站帶電水沖洗方面都有較廣泛的研究與應用。帶電水沖洗適用的電壓等級已從交流110 kV線路擴展到交、直流的750 kV線路，從110 kV變電站擴展到500 kV變電站，以及配電網線路。

國內自20世紀80年代初開始對帶電水沖洗技術進行系統的研究。1980年開始對110 kV及220kV水柱絕緣進行了研究，在此基礎上提出水柱安全距離。1982和1983年又連續對110kV及220 kV被沖洗設備的絕緣進行研究。2000年以后，隨著帶電水沖洗設備技術的不斷提高，帶電水沖洗中水壓和水電阻率比以往有了很大提高。部分高校和研究所也合作研制了一些新型的帶電水沖洗設備。

按照帶電水沖洗設備的結構特點，通?？煞譃楣潭ㄊ胶鸵苿邮?種。固定式水沖洗是根據被沖洗絕緣子的尺寸和形狀，在絕緣子周圍設置能承受一定水壓的固定管道和噴嘴，如圖1所示。噴嘴的布置是按把變電站分割成幾個區域，并且各個區域都能從上風側到下風側，從低處到高處逐一被清洗的原則來安裝。這種方式需要在變電站敷設大量的管道和噴嘴，投資很大，一般在建造變電站時即完成敷設，作為變電站的永久防污閃措施。國外廣泛采用這種方法，例如美國Florida Power&Light Co的變電站即采用固定水沖洗系統。

圖1 固定式水沖洗設備Fig.1 Fixed water washing equipment

圖2所示為江蘇省徐州市專用車輛股份有限公司開發的電力專用高空作業綜合水沖洗車。它由運載動力車作為裝載車輛，并提供動力；在該運載動力車的車架上，安裝有高電阻水的水箱及泵送裝置；該運載動力車的車架上的機械臂上有托架，托架上方安裝的工作平臺能夠實現人站在平臺上工作和進行水沖洗工作。該沖洗車可進行高空無人的帶電水沖洗作業，設備利用率高，安全性好，方便快捷。主要用于輸電線路絕緣子的沖洗。

圖2 電力專用高空作業綜合水沖洗車Fig.2 Electric power special high-altitude operation integrated water washing truck

西南交通大學研制的絕緣子水沖洗機器人[1]如圖3所示，包括沖洗機構、行走機構、通水管路、控制箱、蓄電池等部件。行走機構主要實現沖洗機器人的位置移動；沖洗機構主要實現水槍的瞄準；控制箱控制機器人各機構的運動；蓄電池為機器人各項設備提供動力；通水管路連通水沖洗車水箱和機器人水槍；下攝像機用于實時提取機器人周圍環境信息；上攝像機和光電距離傳感器安裝在水槍支架上，上攝像機用于提取絕緣子圖像信息，光電距離傳感器用于測量絕緣子與水槍之間的距離；水沖洗機器人采用防淋雨設計，外殼用不銹鋼薄板制成，機器人尾部地線與變電所的地線端相連，起安全保護作用。

圖3 絕緣子水沖洗機器人Fig.3 Insulator water washing robot

國網山東省電力公司電力科學研究院與山東魯能智能技術有限公司聯合研制了一種履帶式帶電水沖洗機器人[2]，如圖4所示。該機器人采用履帶式移動底盤，可在變電站室外道路和設備區內的草坪、石子路面等區域無障礙行走；采用多級組合絕緣[3]，利用絕緣伸縮升降臂結構，提高水沖洗作業絕緣性能[4]；采用無線遠程遙控，能有效減輕人工作業強度，提高操作安全性，確保作業人身安全。機器人整機質量2000 kg，作業平臺高度7 m，水槍出水壓力 0～3 MPa。

圖4 履帶式帶電水沖洗機器人Fig.4 Tracked charged water washing robot

2 腿臂復合型變電站帶電水沖洗機器人

根據110 kV和220 kV變電站的結構布局和環境特點，遵循帶電水沖洗作業的相關技術要求和操作規范，采用先進的智能化移動操作機器人技術，研究設計了一種新型履腿臂復合型變電站帶電作業水沖洗機器人。整個系統包括移動操作機器人、遠程控制基站和純水供給車3個部分，其中，移動操作機器人和遠程控制基站由中科院沈陽自動化研究所聯合貴州凱里供電局共同研制，純水供給車由徐州海哲倫專用車輛有限公司開發。

移動操作機器人采用履腿臂復合結構，包括移動底盤[5]、電控箱體及操作臂三部分，如圖5所示。

圖5 履腿臂復合型帶電水沖洗機器人Fig.5 Track-leg-arm complex type electrified water washing robot

移動底盤采用履腿復合移動機構，可根據地面情況[6]采取行走、越障、轉向等不同移動方式。相較于單一的輪式或履帶式移動底盤，這種履腿復合式移動機構具有更強的地面適應性和越障能力。其運動學模型如圖6所示。

圖6 移動底盤的運動學模型Fig.6 Kinematics model of mobile baseplate

式中：R為主履帶驅動輪半徑；lR為移動載體兩側主履帶之間的距離；vL、vR為移動載體兩側驅動輪轉動速度；θL、θR為移動載體兩側履帶驅動輪的角位移；（x，y，θ）為移動底盤的位姿。

操作臂[7]為五自由度，通過機械接口和電氣接口架設在電控箱體上。操作臂基座具有升降移動自由度和偏航轉動自由度，能夠適應大空間作業要求；操作臂肘部有一個回轉自由度，可實現操作臂的折疊展開動作；操作臂的腕部具有偏航自由度和俯仰自由度，這兩個自由度可實現模擬人工水沖洗絕緣子的手腕動作；操作臂上集成有水沖洗作業專用噴槍頭及管路接口。

遠程控制基站[8-9]的組成結構如圖7所示，包括嵌入式工控機、無線數傳模塊、圖像接收模塊、數字硬盤錄像機、穩壓電源模塊及便攜式電池箱。

圖7 遠程控制基站Fig.7 Remote control base station

遠程控制基站用于在復雜的非結構電場環境下，實現對機器人本體的遠程控制。它與機器人之間采用無線通信方式，可對移動底盤進行運動控制，調整操作臂的位姿，以滿足絕緣子水沖洗對噴槍的位姿要求。遠程控制基站具有機器人任務規劃和狀態監控功能。

機器人在進入電場后，通過遠程控制基站規劃機器人的沖洗作業位置，輸入運動指令，控制機器人前往待沖洗設備處；在機器人行進過程中，機器人自動完成目標位置估計、自身位置檢測與調整；整個作業過程機器人的狀態信息將通過無線傳輸的方式回傳給遠程控制基站。

圖8 帶電水沖洗機器人作業示意Fig.8 Operational indication of electrified water washing robot

機器人系統帶電水沖洗的作業示意如圖8所示。兩臺機器人一臺作為主沖洗機器人，另一臺作為輔助沖洗機器人，每臺機器人的箱體端都配有連接法蘭，能夠實現與純水供給車供水管線的快速連接。機器人啟動并完成自檢后，首先通過遠程控制基站設定水沖洗作業位置；然后，兩臺機器人編隊前進，通過傳感器感知環境狀態，自主運動到待沖洗設備位置；接著，利用機器視覺系統的反饋信息，調整操作臂[10]的位姿使其末端噴槍對準目標點；最后，連通給水管路，兩臺機器人同步完成對同一設備的水沖洗作業。

參照人工帶電水沖洗作業的安全操作規范，機器人能夠基于運動學建模和軌跡規劃算法在線生成水沖洗作業的操作臂執行動作；此外，對于支柱絕緣子等作業目標，在非逆光和背景干擾較弱的條件下，機器人也能夠基于機器視覺系統自主完成目標識別和定位。

3 結語

變電站帶電水沖洗機器人[11-12]的研發和使用可以最大限度地彌補人工帶電水沖洗作業的缺陷和不足，保障工作人員的人身安全，是智能變電站和無人值守變電站運維技術的發展方向。在未來，變電站帶電水沖洗機器人的發展趨勢可歸納為以下幾點：①信息處理智能化：新一代變電站帶電水沖洗機器人[13]將繼續提高現有的信息處理智能化水平，實現全天候條件下作業目標的自主識別和定位，機器人的自主性和異常情況處理能力將進一步提升；②功能設定模塊化：為滿足多場景多任務的帶電水沖洗作業需求，機器人系統需采用模塊化設計，不斷提高共用技術模塊在機器人系統中的占比，可以適應更多的環境條件和變電站設備，同時大大降低機器人系統應用和維護成本；③現場作業標準化：需要借鑒現有的人工作業標準規范，研究建立一套適于變電站帶電水沖洗機器人的現場安全操作標準規范，以及機器人產品的相關標準，推進此類機器人的廣泛普及應用。