特高壓輸電線路巡視輔助檢修機器人的研制

何 宇，王 棟，王 鑫，寇 璽，李繼紅

（國網陜西省電力公司檢修公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

我國的超高壓輸電線路已經進入了一個飛速發展的階段，送電負荷越來越大，線路若有故障將會對電網運行產生巨大影響。因此，對輸電線路進行維修保護已經成為全國電力系統的一項非常重要的工作內容。對絕緣子串巡視檢查和檢查耐張壓接管是否存在發熱現象，已經成為輸電線路日常運檢的重要工作，需要工作人員登塔逐一檢修。特高壓輸電線路由于電壓等級高、桿塔高度高，運維檢修人員登塔體能消耗大，易發生虛脫情況，工作量大，工作效率低，且存在觸電、墜落等安全隱患[1-3]。

防墜落軌道是目前超高壓桿塔建造時為防止登塔人員意外墜落而沿桿塔設置的一種T 型鋼軌道。目前，它的作用僅限于為登塔人員懸掛安全繩，為其加設一道保護，實現安全閉環保護，但仍不能減輕操作人員的工作強度，且存在工作人員桿塔攀爬過程中易卡死等問題。

1 課題背景

1.1 課題研究意義

根據近年來電力系統特高壓輸電線路狀況，以滿足檢修工作實際需要為目的，研發主要針對特高壓輸電線路絕緣子及絕緣子串的各種缺陷及耐張線夾壓接管發熱等問題，解決因近年惡劣天氣明顯增多造成線路故障跳閘等故障。為確保運行人員安全和能夠快速查找出故障點，采用機器人自行登塔巡視顯得十分必要。輸電線路故障占份額最大的是雷擊故障[4]。特高壓線路桿塔相對較高，故障點不易發現，必須人員登塔進行查找故障點。由于氣候條件惡劣，存在登塔運行人員安全隱患。

1.2 國內外研究現狀

目前，對于代替人進行登塔作業的機器人已有一些研究成果。經過大量檢索對比發現，鐵塔攀爬機器人種類繁多，主要有硬梯攀爬機器人、水泥桿攀爬機器人等，但由于體積和重量的原因[5]，目前并未投入實際生產。

2 研究目標和研究內容

2.1 研究目標

本文研發了一套有針對性的利用已加裝的防墜落軌道實現自動登塔和對絕緣子、壓接管可靠性進行檢測的特高壓輸電線路巡視輔助檢修機器人。它可提高供電可靠性，減輕一線員工的勞動強度，提高工作效率。作業過程中不需要設備停電，作業人員通過地面操作平臺完成對機器人的實時操控完成作業。在特殊惡劣天氣情況下，它不需要人員登塔檢查作業，可提高檢修的安全性和作業效率。

2.2 研究內容

總結我國750 kV 超高壓線路帶電作業和運維檢修的現有成熟經驗，引用750 kV 輸變電工程關鍵技術研究成果，結合750 kV 輸電線路桿塔、金具、絕緣子串的技術條件與結構特點，分析計算合適的機械結構，以實現在750 kV 特高壓輸電線路桿塔的防墜落軌道上能垂直、水平行走的機器人到達工作位置后，可見光成像設備和紅外成像設備能全方向由地面操作人員調整以對準數據采集目標，并能將采集的數據傳輸至地面。

3 機器人整體方案設計

3.1 機器人機械方案的研究

特高壓輸電線路巡視輔助檢修機器人由主體、垂直行走部分、水平行走、動力系統、直流供電系統、數據采集系統提及通信系統7 部分組成，整體結構采用履帶式的行走底盤、蜘蛛臂式的支撐結構、雙副剪叉臂多處鉸接點的過約束配合剪叉臂、可沉降的圍欄防護等[6]。整體結構平穩可靠，操作簡單，通過性強，并可實現遠端遙控自行走。

機器人利用防墜落軌道的T 型鋼[7]，卡在防墜落軌道的T 型材兩側，壓緊支撐輪使行走皮帶與T 型材的平面產生足夠的滾動摩擦力，實現在防墜落軌道上的行走，從而達到機器人登塔的目標。

特高壓輸電線路巡視輔助檢修機器人采用特種橡膠履帶底盤結構，能夠適應各種地面，如草坪、沙石地、水泥地面等，實現全地形無障礙行走功能[8]。實現升降機構部分采用非金屬絕緣復合材料結構，相關材料符合GB13398 等相關標準，保證絕緣安全裕度。

3.2 機器人控制方案的研究

特高壓輸電線路巡視輔助檢修機器人的控制系統由圖像采集系統和運動控制系統兩大部分組成。

3.2.1 圖像采集系統

圖像采集系統構成如下[9]：①一個高清可見光攝像頭，實現高清圖像采集；②一個熱成像攝像頭，實現熱成像圖像采集；③一個控制云臺，實現高清可見光攝像頭和熱成像攝像頭運動控制；④兩個運動狀態檢測攝像頭，實時圖像采集機械裝置運動位置的圖像；⑤一個圖像交換機，將四路攝像頭圖像信號和控制信號合并網絡通信；⑥兩個無線網橋，一個接入圖像交換機，一個接入顯示和控制計算機，實現交換機和計算機的無線通信；⑦一個顯示和控制計算機，配備專用軟件，顯示熱成像圖像，顯示熱成像圖像中的高低溫度，顯示高清圖像，顯示機械裝置運動位置的圖像，并可實時存儲圖像。

3.2.2 運動控制系統

運動控制系統組成如下[10]：①11路電機控制搖桿，產生相應電機運動控制的信號；②搖桿信號讀取和無線信號通信板，基于無線收發芯片nRF1024 和STc51系列芯片為主的控制系統，實現搖桿信號讀取和控制信號的無線通信；③多路繼電器控制信號和無線信號通信板，基于無線收發芯片nRF1024 和STc51 系列芯片為主的控制系統，實現多路繼電器控制和控制信號的無線通信；④多路繼電器板，控制11 路電機的動作。

4 結 論

特高壓輸電線路巡視輔助檢修機器人采用全地形剪叉式絕緣檢修平臺，應用前景非常廣闊。由于產品簡便、易操作，檢修人員能夠非常快速地掌握正確的使用方法，簡化現場檢修的工作步驟，不僅能快速提高檢修效率，而且可以大幅度提升檢修工作的安全可靠性。它利用已加裝的防墜落軌道，實現自動登塔和對絕緣子、壓接管可靠性的檢測，提高了供電可靠性，減輕了一線員工的勞動強度，提高了工作效率。在惡劣天氣下，它仍可完成檢測任務，降低了人員登塔的風險隱患。

實驗結果表明，特高壓輸電線路巡視輔助檢修機器人可以屏蔽高壓電場對機器人控制系統的干擾，且具備在惡劣天氣進行運維檢測的能力，支持實時監控桿塔絕緣子串、金具、壓接管的實時情況與溫度變化情況，并將采集的數據輸送至地面，由地面接收并貯存，以便于后期技術人員快速分析找出故障點，極大地減輕運維檢修人員對桿塔的運行巡視工作，可及時發現隱患和缺陷位置，實現對智能電網輸電線路的信息化和現代化的科學管理。