含機械臂作業的變電設備帶電水沖洗裝備

劉洪良 林杰江 梁湛原 何盛全 金向朝

（1.廣東威恒電力技術開發有限公司，廣東 佛山 528000；2.廣東電網公司佛山供電局，廣東 佛山 528000）

電氣設備因污穢而發生的絕緣閃絡有時會造成重大設備的損壞和大面積停電事故，進而帶來重大的經濟損失[1]。而對電氣設備進行帶電水沖洗，簡單易行，工作效率高，清洗效果好，既減少了停電，又達到了防污閃的目的，經濟效益顯著[2]。

就目前國內的帶電水沖洗設備而言，主要靠人來靠近帶電設備（或線路）操持噴槍進行沖洗，靠人的主觀經驗來進行距離、位置、角度等相關參數的判斷，其沖洗效果嚴重依賴于沖洗人員的經驗、習慣、身體狀態、情緒等個人因素，缺乏穩定性，作業時存在極大的安全風險。此外，水路系統主要采用人工腳踏油門控制水泵的轉速或遙控高壓水泵的起停[3]，且無法準確了解水路工況的實時信息，自動化程度低。隨著電力設備數量的增加，電壓等級的升高，加上污染日趨嚴重，對帶電水沖洗裝備的自動化要求越來越高。

本課題組在充分研究國內外移動式高壓帶電水沖洗裝備的基礎上將機器人元素引入其中，研制了一種含機械臂的變電設備帶電水沖洗車，該裝備包括移動式平臺、機械臂、電控系統等。本文主要介紹功能結構、關鍵技術、性能測試及現場運行情況[4]。

1 機械結構

1.1 總體結構

總體結構如圖1所示。

1.2 移動車載平臺

改裝消防車作為帶電水沖洗作業平臺，包括承載車、高壓水泵、水箱、管路系統、機械臂室等。如圖1所示通過將取力器與承載車的發動機連接，可以直接驅動高壓水泵進行工作，不需要再外接電源，適合于移動式作業。

圖1 帶電水沖洗車結構圖

所用高壓水泵為雙級串并聯式，具有高水壓、高流量等特點。它的進水口與車廂中部水箱連接，四個出水口可為至少四路高壓水管供水，能滿足多支高壓水槍對高電壓等級的大直徑變電設備同時工作。其中，兩個出水口分別為兩個機械臂上水槍供水；另兩個出水口為備用手動沖洗槍供水，在需要采用手動配合沖洗時可以將水管引到較遠的距離。

在車廂前部上半部和車廂后部上半部均留有機械臂室，其正上方預留空間安裝有手動車頂門，車頂門作了防水處理，內部加裝有電動驅潮加熱裝置。

1.3 機械臂

如圖2所示，機械臂共包括三個軸：①最下面與底座相接的第一軸（J1）用于控制機械臂的水平旋轉；②中間的第二軸（J2）用于控制機械臂的升高和降低；③最上面的第三軸（J3）用于控制水槍的俯仰角度，水槍平行安裝于J3 軸的卡座上，其長度不超過臂長。三個軸均采用交流伺服電機并經減速機減速后驅動相應關節運動，具有低轉速大扭矩的特點，使得機械臂具有較好的控制精度和承載能力，能穩定可靠地完成水沖洗作業。J3 軸集成安裝激光測距儀和數字攝像機，并與水槍平行。

圖2 機械臂結構及動作范圍示意圖

機械臂的動作范圍主要如下：J1 可以實現330°旋轉，J2 在機械臂收縮時可以達到0°，在機械臂伸展時可以達到90°，J3 向下最大可以達到-30°，向上最大可以達到90°。

2 控制系統

帶電水沖洗車的控制系統根據功能需要可分為作業規劃、運動控制、水射流控制三部分，如圖3所示。

圖3 帶電水沖洗車的控制系統框圖

作業規劃部分由工控機、控制面板組成。工控機的CPU模塊可以運行機械臂的控制程序，通過系統總線和運動控制卡進行數據的交換以及指令的傳遞，并通過串行通信方式與PLC控制系統建立數據信息交換并對其實施監控。控制面板包括觸摸屏、顯示器和控制桿。操作人員通過觸摸屏可以準確設置機械臂的升降和轉動、水量、水壓等參數，從而實現精確沖洗；顯示器可實時顯示沖洗部位的現場情況，便于進行監控、定位和測距。通過將控制桿向左右和上下方向擺動來分別實現機械臂的旋轉和俯仰，從而可以靈活地進行帶電水沖洗作業。

運動控制部分直接面向被控對象，完成對其各自由度運動的控制。它主要由運動控制板卡、電機驅動器、電機、碼盤和限位開關組成。它接收來自作業規劃部分的指令，完成規劃路徑的運動控制，收集各關節位置的傳感器信息進行原始處理，供決策部分實現后繼運動軌跡的規劃。

水射流控制部分由PLC、開關狀態檢測單元、多路電磁閥單元、信號檢測傳感器單元、觸摸屏組成。PLC 是整個控制部分的核心，其輸入輸出控制模塊負責檢測開關狀態檢測單元中各個開關動作狀態信號和控制電磁閥單元中各個開關的準確動作；模數轉換模塊負責采集信號檢測傳感器單元中水泵轉速、水泵壓力信號，水箱液位、水電導率信號；數模轉換模塊根據設定的轉速，自動穩定的輸出相應0～5V 直流模擬量控制發動機轉速，使水泵達到理想的轉速和壓力狀態。觸摸屏人機操作界面與PLC 控制單元之間通過串口232 線進行連接通信，可實時顯示水泵轉速、水泵壓力信號，水箱液位、水電導率信號等各種狀態信息；可選擇自動或手動模式對各個開關進行開閉操作。針對直徑大小的不同的設備，還提供了單槍沖洗、雙槍沖洗和多槍沖洗等多種作業方式。

3 關鍵問題分析

3.1 機械臂的工作狀態

綜合考慮機械臂出倉時的動作空間及消防車的載荷分布，機械臂出倉前兩個機械臂均處于收縮狀態，呈對角線布局。機械臂出倉后處于伸展狀態，此時機械臂的水槍出水口離地垂直距離遠高于人工持槍高度。

對于高電壓等級的變電站，由于設備比較高，人工持槍沖洗角度小，所需水柱長，沖洗過程中出現水柱發散幾率相應增大，可能無法對沖洗設備形成有效的打擊力，增大了污閃風險和人身安全風險。相比而言，出倉后的機械臂抬高了水槍高度，增大了水槍的沖洗角度，可有效提高水柱打擊力。因而機械臂代替人工持槍沖洗，在降低作業強度和確保人身安全的同時，也可以提高沖洗效果。

3.2 機械臂的安全控制

作業人員可根據感知的控制桿操控速度對電動機的運動速度進行靈活設定。然而，僅憑經驗感知操控機械臂控制水槍動作可能出現誤動作的風險，控制系統通過對機械臂動作從軟件和硬件上實現雙重閉鎖，為其安全動作提供了保障。當作業人員操控控制桿起動機械臂運動或在運動范圍內連續動作時，由于上位機程序自動實現軟件閉鎖，機械臂無法直接動作，需配合控制面板底部的解鎖按鈕使用；由于碼盤無法直接反饋的電機的絕對位置，當機械臂超出規定的安全動作范圍動作時，此時利用限位開關對其進行硬件閉鎖。

3.3 水槍測距瞄準

沖洗作業前，為提高工作效率和保證相鄰設備的安全，需要使水槍與絕緣子實現快速而準確的對準調節。當機械臂出倉后，操作人員首先通過肉眼察看前方絕緣設備的大概位置，然后利用控制桿對水槍位置進行粗調，同時觀察顯示器中圖像，當待沖洗絕緣子進入監控范圍內后，可通過激光測距儀所反饋的實時距離和照射在絕緣子底部上的紅色激光點進行初步對準判定。

由于水槍沖洗過程中的水霧會對基于點對點照射的激光產生干擾，可能無法準確判別水槍是否瞄準。而水槍與J3 軸中的攝像機和激光測距儀并排垂直布置，三者間距很小，因此通過在顯示器中心位置設置十字標志，可對紅色激光點進行校準。正式沖洗過程中，將設備沖洗位置微調至與十字重合，即使無法看到紅色激光點，也可以進行對準判定。

4 性能測試和現場運行試驗

4.1 電氣試驗

帶電水沖洗的顯著特點是依靠水柱的絕緣性能使流經人體的電流不超過安全值，并依靠水柱的耐受強度來保證帶電體不對人體放電。從保證人身安全的角度出發，要求水柱的絕緣性能需要滿足兩個條件：①在系統最大工作電壓下，流經作業人員人體的泄漏電流不超過1～2mA；②當系統中出現操作過電壓時，水柱不發生閃絡[7]。

參照文獻[6]的相關要求，對機械臂水槍噴口處進行了水柱泄漏電流試驗和15 次操作沖擊耐壓試驗，結果如表1、表2所示，可以滿足500kV 及以下電壓等級變電設備帶電水沖洗時的水柱絕緣安全要求。

表1 帶電水沖洗設備水槍噴口處泄漏電流試驗

表2 帶電水沖洗設備水槍噴口處15 次操作沖擊耐壓試驗

4.2 500kV 變電設備全真模擬試驗

2013年1月，在某試驗基地通過變頻串諧升壓系統對人工涂覆c 級污穢的某相支柱絕緣子加壓至500kV 后開展帶電水沖洗試驗，驗證該設備是否滿足變電站現場實際帶電水沖洗要求。

該次作業采用人機配合沖洗模式，其中兩支槍人工手持，另外兩支槍通過操控機械臂作業。沖洗方式為四槍組合、一沖三回。在沖洗過程中通過泄漏電流傳感器和采集系統對支柱絕緣子的泄漏電流情況進行了采集，并選取泄漏電流基波幅值為特征量，結果見表3。其中，泄漏電流基波最大幅值為10.5mA，沖洗結束時泄漏電流基波幅值2.8mA；泄漏電流的最大幅值出現在高壓水柱接近支柱絕緣子的頂部時，由于此時所加電壓主要集中在此位置，涂覆人工污穢的外絕緣表面被逐漸上升的水霧打濕，因而流過的泄漏電流相應急劇增大，至頂部沖洗后，泄漏電流明顯降低。

整個沖洗過程中泄漏電流無明顯太大變化，沖洗結束后泄漏電流基波幅值很小，基本可以忽略，說明沖洗效果明顯。

表3 被沖洗設備的泄漏電流情況

4.3 500kV 變電站現場運行試驗

2013年 2月，使用該裝備在佛山供電局某500kV 變電站進行帶電水沖洗作業，沖洗對象為#1主變壓器變高500kV A 相電容式電壓互感器，該設備支柱高度為4.5m，頂部距地面垂直高度為10.6m。對于三節式的電容式電壓互感器外絕緣采用人機配合、一沖三回、四槍組合的方式沖洗。現場作業實況如圖4所示。

圖4 帶電水沖洗實況

作業開始前，操作人員首先通過控制面板調整機械臂的位置，使兩兩相鄰的四支槍呈90°對準設備外絕緣底部，然后通過水射流控制系統調節水泵轉速至相應水泵出口水壓并實時監控電磁閥狀態、水箱液位等狀態信息進行輔助決策。沖洗過程中，通過操作桿垂直方向對機械臂第三軸的俯仰動作進行靈活控制，上升緩慢、回掃迅速。沖洗前的電容式電壓互感器外絕緣表面較臟污，經沖洗作業后，其表面沒有出現污水滴落，局部起弧現象，沖洗效果明顯。

5 結論

1）本文介紹的帶電水沖洗裝置，將智能機械臂嵌入其中，使用它完成了500kV 電壓等級變電站中電容式電壓互感器設備的帶電水沖洗作業，作業效果明顯。

2）該裝置能夠對高電壓等級的大直徑變電設備的外絕緣表面進行清洗作業，操作靈活、安全，適用于變電站內移動式作業的開展。

3）通過使用機械臂作業代替人工持槍作業，解決了勞動強度大，安全風險高等問題。結合水射流控制系統實現了水射流的智能化控制，提高了帶電水沖洗的作業效率和自動化程度。

[1] 陳曉國,楊楚明,饒章權.變電設備帶電水沖洗技術探討[J].電網技術,2007(S2):59-61.

[2] 文屹,孫建江.變電設備帶電水沖洗的應用[J].貴州電力技術,2008(6):35-36.

[3] 魏增福.帶電清洗技術在廣東電網的應用[J].清洗世界,2010,26(10):13-16.

[4] 陳曉倫,彭夕嵐,楊汝清,等.330kV 變電設備帶電清掃機器人研究[J].2007,31(19):56-59.

[5] 趙援朝,蔣建湘,高培慶.電氣化鐵路帶電水沖洗工程車的開發[J].機車電傳動,2001(6): 13-16.

[6] GB/T 13395-1992,電力設備帶電水沖洗導則[S]. 北京: 中國標準出版社,2008.

[7] IEEE Guide for cleaning insulators,IEEE Std. 957- 2005,2005.