基于無人機的絕緣子清掃測零裝置研究

文/龔金棟，國網(wǎng)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(fā)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(fā)現(xiàn)和更換就可能會發(fā)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(tǒng)的火花間隙測試設(shè)備需要人工上塔，帶電作業(yè)，既不安全又測量效率低，漏檢錯檢問題較多。

因此現(xiàn)場迫切需要利用最新科技開發(fā)自動絕緣子清掃測零設(shè)備，用來解決長期以來困擾電力系統(tǒng)架空線路污閃的技術(shù)難題。本項目應(yīng)用最新的無人機技術(shù)和無線通訊技術(shù)，開發(fā)研制一種絕緣子帶電清掃測零機器人，實現(xiàn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計原理

應(yīng)用最新的機器人技術(shù)和無線通訊技術(shù)，開發(fā)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(zhuǎn)動桿、擺動機構(gòu)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(cè)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(xiàn)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(qū)動伸縮式絕緣轉(zhuǎn)動桿轉(zhuǎn)動，伸縮式絕緣轉(zhuǎn)動桿則驅(qū)動擺動機構(gòu)使清掃頭在絕緣子上作推磨式擺動而將塵埃擦去，經(jīng)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(fā)生。還可增設(shè)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(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

主要由無人飛機、清掃攝像機、伸縮式絕緣轉(zhuǎn)動桿、擺動機構(gòu)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(tǒng)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(zhuǎn)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(guān)閉油門和鎖定保險。該機實現(xiàn)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(zhí)行指令模式，精確飛往指定目的地。

圖1：系統(tǒng)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(zhí)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(tài)。

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(wěn)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(tài)，可抵消飛行時姿態(tài)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(wěn)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(jié)構(gòu)

圖2：清掃結(jié)構(gòu)組成

清掃機構(gòu)由伸縮式絕緣轉(zhuǎn)動桿、擺動機構(gòu)和清掃頭組成。根據(jù)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(qū)域遙控發(fā)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(tǒng)采集由此產(chǎn)生在絕緣子上的泄露電流，進行相關(guān)的放大濾波處理。處理后的數(shù)據(jù)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(jié)果通過自帶的顯示屏實時顯示并發(fā)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(jié)果，又可以把相關(guān)數(shù)據(jù)通過地面站計算機進行回放和保存。

2.2.5 地面站系統(tǒng)

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(tǒng)利用LabVIEW 設(shè)計開發(fā)而成，具有顯示效果直觀，可以方便保存數(shù)據(jù)等優(yōu)點。Lab VIEW 是美國國家儀器公司推出的一種基于圖形開發(fā)、調(diào)試和運行程序的集成化環(huán)境，是目前國際上應(yīng)用最廣、發(fā)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(jié)果分析

3.1 裝置的集成測試

整個裝置通過單元模塊設(shè)計測試，組裝集成測試的模式，組成系統(tǒng)。 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(jié)果分析

經(jīng)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(shù)據(jù)準確返回。機器人對電網(wǎng)懸掛風箏剪短，操作準確，幾乎不受風力影響。

3.3 創(chuàng)新點

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

3.3.2 實現(xiàn)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(fā)提供樣板。

4 總結(jié)

在經(jīng)濟迅速發(fā)展的當今形勢下，電網(wǎng)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(wǎng)建設(shè)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(wǎng)的維護節(jié)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(qū)線路中推廣使用。