輸電線路帶電更換絕緣子作業機器人研究

摘 要：電網的可靠性為我國經濟快速發展的提供強有力的保障，其中輸電線路的安全可靠供電是最為關鍵的部分。由于電能不能存儲的特性，要求電網必須處于不停運的工作狀態，而輸電線路一直處于氣候不斷變化的工作環境，隨著時間的推移會出現一些不可避免的故障。其中絕緣子損壞是最為常見的情況，如果不及時進行檢修更換，將會導致事故的發生，甚至導致電網解裂，造成巨大的經濟損失和人員傷亡。絕緣子帶電更換帶電作業是一項工作強度高、危險系數大的工作任務。針對此項工作任務本文提出一種替代作業人員完成帶電更換輸電線絕緣子的機器人。

關鍵詞：輸電線路；絕緣子更換；帶電更換絕緣子作業機器人

中圖分類號：TM755 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）35-0035-02

隨著電子技術和計算機技術的飛速發展，機器人在許多領域得到了廣泛的實際應用。其中無人機、電力巡檢機器人、帶電作業機器手臂在電力行業也是屢見不鮮。使用機器人代替作業人員完成各項帶作業任務，提高了作業的效率。絕緣子更換作業需要作業人員登上輸電塔架，在空中進行作業。由機器人代替作業人員進入危險環境中，提高了作業的安全性，并且避免人身傷亡事故的發生?，F如今電能是全世界最為重要的能源，因此保證供電的可靠性至關重要。而絕緣子更換作業是保證供電可靠性措施中最為常見而且重要的工作任務。輸電線路帶電更換絕緣子作業機器人的研究將會成為智能電網建設和維護的重要手段。

1 絕緣子串的結構

架空輸電線路由絕緣子將輸電導線和輸電桿塔進行分離，以保證輸電線路傳輸電能的可靠性。其中絕緣子起著支撐輸電導線和防止短路接地的作用。由于絕緣子長期暴露在空氣中，容易遭受雷擊、鳥類、惡劣天氣等情況影響。這些情況都可會對絕緣子造成一定程度損壞。當輸電線路絕緣子出現缺陷、損壞、殘舊等故障，雖然一時間不會立即造成事故，但是不即時進行處理，會將會釀成嚴重的事故。為了保證輸電線路的安全可靠，電網會對輸電線路絕緣子進行周期性巡檢，避免輸電線路發生故障。

輸電線路絕緣子串的基本結構如圖1所示。輸電鐵塔與絕緣子串通過專用Z型掛板相連接。輸電線路和絕緣子串通過W型碗頭掛相連接。

2 更換絕緣子作業步驟

目前我國電網作業人員進行絕緣子帶電更換作業流程大致相同，首先作業人員需登上鐵塔靠近絕緣子，然后通過專用作業工具將絕緣子底部的W銷取出，將絕緣子碗頭脫出。通過地面作業人員的利用收緊吊物傳遞繩，將進行更換的絕緣子串緩慢的降至地面。最后地面作業人員通過收緊吊物傳遞繩將新絕緣子升至適當位置，鐵塔上的作業人員利用專用工具將新的絕緣子安裝完畢。整個過程對塔上作業人員的作業要求極高，而且塔上存在高空作業和誤碰帶電輸電線路的觸電危險，屬于特種作業范疇。

結合實際現場人工更換絕緣子的作業步驟，我們設計一種可以替代塔上作業人員的絕緣子帶電更換機器人。絕緣子帶電更換機器人作業的具體步驟，如下：

（1）機器人通過電動卷揚機上線；

（2）機器人移動至懸垂線夾；

（3）機械手移動到需更換絕緣子位置；

（4）機械手末端的W銷拔插裝置定位并夾持碗頭掛板；

（5）W銷拔插裝置拔出碗頭掛板上的W銷；

（6）塔上作業人員更換絕緣子。

3 絕緣子更換作業機器人作業分析

在現場實際絕緣子串拔取過程，只需將W銷從碗口的反方向進行拔出，即可將絕緣子串與輸電線路分離。通過實際工作的分析，只需要將機械手臂末端裝置的W銷拔插裝置定位實際W銷的位置后，然后利用夾爪裝置將工作位置固定，最后完成W銷的拔出任務。通過對W銷拔出作業的分析，通過3D模擬仿真軟件solidworks的模擬，整個作業流程分為：①碗頭掛板定位；②夾持碗頭掛板；③夾緊W銷；④拔出W銷四個步驟。模擬仿真圖如圖2所示。

輸電線路絕緣子串的取出作業分為：①絕緣子串定位；②夾持鋼帽；③推出絕緣子串三個步驟，如圖3所示。絕緣子裝入的操作步驟與取出的步驟剛好相反，當機器手臂完絕緣子更換的工作任務后，機器人移動到初始位置，即完成輸電線路絕緣子更換的工作任務。

4 機器人總體設計

輸電線路絕緣子更換作業機械人以移動機器人由機器人本體、行走輪、夾爪以及等電位輪四大部分組成，其中機器人的作業手臂對稱分布在機器人本體兩端兩機械臂，實現多角度的擺動，在機械手臂上固定有行走輪，使其可以在輸電線路上進行移動，并在機械手臂的末端安裝可以夾緊導線的夾爪裝置，使輸電線路絕緣子更換作業機器人在工作時保證其穩定性，為了滿足機器人等電位作業能力，采用等電位技術，在機器人行走輪一側安裝等電位輪，使得絕緣子更換作業機器人與導線始終為同一電位，不會有電壓差，保證整個機構的可靠性。

絕緣子更換作業機器人設計有機械手臂，分別在機器人本體兩側對稱布置。其中橫向移動關節1和橫向移動關節2通過電機帶動可以實現橫向地移動，通過橫向移動關節的橫向移動使機械手臂末端的執行機構與絕緣子串接觸；俯仰關節1和俯仰關節2使得機械手臂實現自由的旋轉；伸縮關節1和伸縮關節2可以使得末端執行機構在垂直方向進行一定范圍的升降；回轉關節1和回轉關節2可以實現自由的旋轉；最后通過驅動縱向移動關節1和縱向移動關節2的電機，對機械手臂的末端執行機構進行小范圍的調整，使其準確的到達絕緣子串中心面的位置。通過橫向移動關節、俯仰關節、伸縮關節、回轉關節和縱向移動關節的協同工作，將機械手臂的末端執行機構準確的移動到W插銷的位置。

W銷拔插裝置和絕緣子串取裝機構構成組成了輸電線路絕緣子更換作業機器人的末執行機構。W銷拔插裝置通過末端機構上的移動關節1進行工作，完成W銷的拔出和插入的工作，與此同時通過夾爪1和夾爪2，夾住碗頭掛板和W，使其在W插銷拔取過程中保持穩定。絕緣子串取裝機構主要由前端的以曲柄滑塊機構為工作原理的夾爪3對鋼帽進行夾持，該夾持機構的并由移動關節2對絕緣子串的推出和裝入。

通過前期的實際考察和理論分析，我們先利用CAD制圖軟件將構想的設計模型進行了設計，模型設計圖如圖4所示。通過模型設計圖的基本構想，通過機械加工、電機選型、電池選型和材料選擇等方面綜合考慮，最終研制出輸電線路絕緣子更換作業機器人樣機，樣機如圖5所示。

5 結 論

在智能電網大背景下，機器人在電網中的應用也成為一個必然的趨勢。它將取代大部分強度高、危險系數大的作業任務。隨著我國特高壓輸電技術的不斷發展，電網聯絡更加緊密，對供電可靠性的要求也越來越高。輸電線路在不停電的情況下進行絕緣子更換作業，對提高電網可靠性有著重要的作用。本文研制一種可以帶電更換絕緣子的機器人，使得絕緣子更換作業更加安全可靠。

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收稿日期：2018-11-4

作者簡介：羅 俊（1989-），男，助理工程師，碩士研究生，主要從事變電運維工作。