一種履腿臂復(fù)合型變電站帶電水沖洗機(jī)器人

肖建華 ，姜 勇 ，方學(xué)智 ，傅 博

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司凱里供電局，凱里 556000；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110016；3.中國(guó)科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院，沈陽 110016）

在線運(yùn)行的絕緣子，在自然環(huán)境中，受到SO2、氮氧化物及顆粒性塵埃等大氣環(huán)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(tài)時(shí)接近；當(dāng)遇有霧、露、雨等潮濕天氣，以及融冰、融雪時(shí)，絕緣子因表面污穢物吸收水分致使污穢層中的電解質(zhì)溶解，造成絕緣子絕緣水平降低，泄漏電流增大，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生閃絡(luò)事故。由于污穢而引起的絕緣閃絡(luò)事故，在電力系統(tǒng)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(guó)各大電網(wǎng)幾乎都發(fā)生過大面積污閃，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。絕緣子是配、變電設(shè)施中最基礎(chǔ)的部件，絕緣子出現(xiàn)污穢是發(fā)生閃絡(luò)事故的根源，絕緣子干凈與否直接關(guān)系到供電的可靠性。故定期對(duì)配、變電設(shè)施上的絕緣子進(jìn)行清污工作，是變電站必不可少的基本工作。

隨著電網(wǎng)電壓等級(jí)提高、系統(tǒng)容量增長(zhǎng)，設(shè)備停電的機(jī)會(huì)越來越少、停電時(shí)間也越來越短。設(shè)備停電清污成為難于實(shí)現(xiàn)的措施，為及時(shí)清掃設(shè)備表面污穢，防止設(shè)備污閃事故，保證設(shè)備安全供電，帶電水沖洗已經(jīng)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(yè)仍以人工方式為主，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，危險(xiǎn)性高，且受人員心理素質(zhì)、業(yè)務(wù)水平、工作經(jīng)驗(yàn)和精神狀態(tài)等諸多因素的制約，清污效率差異性大，清污質(zhì)量參差不齊。人工方式帶電水沖洗作業(yè)已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代化變電站安全運(yùn)行的要求，采用機(jī)器人來代替人工作業(yè)是智能電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

本文介紹了變電站帶電水沖洗技術(shù)及相關(guān)設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，研究提出了一種新型履腿臂復(fù)合型變電站帶電水沖洗機(jī)器人，并分析了此類機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。

1 變電站帶電水沖洗的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)輸、變電設(shè)備帶電水沖洗的研究開展較早，發(fā)展很快。美國(guó)、加拿大、日本、俄羅斯、捷克及中東沙特、約旦等國(guó)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(yīng)用。帶電水沖洗適用的電壓等級(jí)已從交流110 kV線路擴(kuò)展到交、直流的750 kV線路，從110 kV變電站擴(kuò)展到500 kV變電站，以及配電網(wǎng)線路。

國(guó)內(nèi)自20世紀(jì)80年代初開始對(duì)帶電水沖洗技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。1980年開始對(duì)110 kV及220kV水柱絕緣進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上提出水柱安全距離。1982和1983年又連續(xù)對(duì)110kV及220 kV被沖洗設(shè)備的絕緣進(jìn)行研究。2000年以后，隨著帶電水沖洗設(shè)備技術(shù)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(shè)備。

按照帶電水沖洗設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通常可分為固定式和移動(dòng)式2種。固定式水沖洗是根據(jù)被沖洗絕緣子的尺寸和形狀，在絕緣子周圍設(shè)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(gè)區(qū)域，并且各個(gè)區(qū)域都能從上風(fēng)側(cè)到下風(fēng)側(cè)，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(shè)大量的管道和噴嘴，投資很大，一般在建造變電站時(shí)即完成敷設(shè)，作為變電站的永久防污閃措施。國(guó)外廣泛采用這種方法，例如美國(guó)Florida Power&Light Co的變電站即采用固定水沖洗系統(tǒng)。

圖1 固定式水沖洗設(shè)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(fā)的電力專用高空作業(yè)綜合水沖洗車。它由運(yùn)載動(dòng)力車作為裝載車輛，并提供動(dòng)力；在該運(yùn)載動(dòng)力車的車架上，安裝有高電阻水的水箱及泵送裝置；該運(yùn)載動(dòng)力車的車架上的機(jī)械臂上有托架，托架上方安裝的工作平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)人站在平臺(tái)上工作和進(jìn)行水沖洗工作。該沖洗車可進(jìn)行高空無人的帶電水沖洗作業(yè)，設(shè)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(yè)綜合水沖洗車Fig.2 Electric power special high-altitude operation integrated water washing truck

西南交通大學(xué)研制的絕緣子水沖洗機(jī)器人[1]如圖3所示，包括沖洗機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、通水管路、控制箱、蓄電池等部件。行走機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)沖洗機(jī)器人的位置移動(dòng)；沖洗機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)水槍的瞄準(zhǔn)；控制箱控制機(jī)器人各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)；蓄電池為機(jī)器人各項(xiàng)設(shè)備提供動(dòng)力；通水管路連通水沖洗車水箱和機(jī)器人水槍；下攝像機(jī)用于實(shí)時(shí)提取機(jī)器人周圍環(huán)境信息；上攝像機(jī)和光電距離傳感器安裝在水槍支架上，上攝像機(jī)用于提取絕緣子圖像信息，光電距離傳感器用于測(cè)量絕緣子與水槍之間的距離；水沖洗機(jī)器人采用防淋雨設(shè)計(jì)，外殼用不銹鋼薄板制成，機(jī)器人尾部地線與變電所的地線端相連，起安全保護(hù)作用。

圖3 絕緣子水沖洗機(jī)器人Fig.3 Insulator water washing robot

國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院與山東魯能智能技術(shù)有限公司聯(lián)合研制了一種履帶式帶電水沖洗機(jī)器人[2]，如圖4所示。該機(jī)器人采用履帶式移動(dòng)底盤，可在變電站室外道路和設(shè)備區(qū)內(nèi)的草坪、石子路面等區(qū)域無障礙行走；采用多級(jí)組合絕緣[3]，利用絕緣伸縮升降臂結(jié)構(gòu)，提高水沖洗作業(yè)絕緣性能[4]；采用無線遠(yuǎn)程遙控，能有效減輕人工作業(yè)強(qiáng)度，提高操作安全性，確保作業(yè)人身安全。機(jī)器人整機(jī)質(zhì)量2000 kg，作業(yè)平臺(tái)高度7 m，水槍出水壓力 0～3 MPa。

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

2 腿臂復(fù)合型變電站帶電水沖洗機(jī)器人

根據(jù)110 kV和220 kV變電站的結(jié)構(gòu)布局和環(huán)境特點(diǎn)，遵循帶電水沖洗作業(yè)的相關(guān)技術(shù)要求和操作規(guī)范，采用先進(jìn)的智能化移動(dòng)操作機(jī)器人技術(shù)，研究設(shè)計(jì)了一種新型履腿臂復(fù)合型變電站帶電作業(yè)水沖洗機(jī)器人。整個(gè)系統(tǒng)包括移動(dòng)操作機(jī)器人、遠(yuǎn)程控制基站和純水供給車3個(gè)部分，其中，移動(dòng)操作機(jī)器人和遠(yuǎn)程控制基站由中科院沈陽自動(dòng)化研究所聯(lián)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(fā)。

移動(dòng)操作機(jī)器人采用履腿臂復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括移動(dòng)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(fù)合型帶電水沖洗機(jī)器人Fig.5 Track-leg-arm complex type electrified water washing robot

移動(dòng)底盤采用履腿復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu)，可根據(jù)地面情況[6]采取行走、越障、轉(zhuǎn)向等不同移動(dòng)方式。相較于單一的輪式或履帶式移動(dòng)底盤，這種履腿復(fù)合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有更強(qiáng)的地面適應(yīng)性和越障能力。其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖6所示。

圖6 移動(dòng)底盤的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型Fig.6 Kinematics model of mobile baseplate

式中：R為主履帶驅(qū)動(dòng)輪半徑；lR為移動(dòng)載體兩側(cè)主履帶之間的距離；vL、vR為移動(dòng)載體兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度；θL、θR為移動(dòng)載體兩側(cè)履帶驅(qū)動(dòng)輪的角位移；（x，y，θ）為移動(dòng)底盤的位姿。

操作臂[7]為五自由度，通過機(jī)械接口和電氣接口架設(shè)在電控箱體上。操作臂基座具有升降移動(dòng)自由度和偏航轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，能夠適應(yīng)大空間作業(yè)要求；操作臂肘部有一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度，可實(shí)現(xiàn)操作臂的折疊展開動(dòng)作；操作臂的腕部具有偏航自由度和俯仰自由度，這兩個(gè)自由度可實(shí)現(xiàn)模擬人工水沖洗絕緣子的手腕動(dòng)作；操作臂上集成有水沖洗作業(yè)專用噴槍頭及管路接口。

遠(yuǎn)程控制基站[8-9]的組成結(jié)構(gòu)如圖7所示，包括嵌入式工控機(jī)、無線數(shù)傳模塊、圖像接收模塊、數(shù)字硬盤錄像機(jī)、穩(wěn)壓電源模塊及便攜式電池箱。

圖7 遠(yuǎn)程控制基站Fig.7 Remote control base station

遠(yuǎn)程控制基站用于在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)電場(chǎng)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人本體的遠(yuǎn)程控制。它與機(jī)器人之間采用無線通信方式，可對(duì)移動(dòng)底盤進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，調(diào)整操作臂的位姿，以滿足絕緣子水沖洗對(duì)噴槍的位姿要求。遠(yuǎn)程控制基站具有機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃和狀態(tài)監(jiān)控功能。

機(jī)器人在進(jìn)入電場(chǎng)后，通過遠(yuǎn)程控制基站規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的沖洗作業(yè)位置，輸入運(yùn)動(dòng)指令，控制機(jī)器人前往待沖洗設(shè)備處；在機(jī)器人行進(jìn)過程中，機(jī)器人自動(dòng)完成目標(biāo)位置估計(jì)、自身位置檢測(cè)與調(diào)整；整個(gè)作業(yè)過程機(jī)器人的狀態(tài)信息將通過無線傳輸?shù)姆绞交貍鹘o遠(yuǎn)程控制基站。

圖8 帶電水沖洗機(jī)器人作業(yè)示意Fig.8 Operational indication of electrified water washing robot

機(jī)器人系統(tǒng)帶電水沖洗的作業(yè)示意如圖8所示。兩臺(tái)機(jī)器人一臺(tái)作為主沖洗機(jī)器人，另一臺(tái)作為輔助沖洗機(jī)器人，每臺(tái)機(jī)器人的箱體端都配有連接法蘭，能夠?qū)崿F(xiàn)與純水供給車供水管線的快速連接。機(jī)器人啟動(dòng)并完成自檢后，首先通過遠(yuǎn)程控制基站設(shè)定水沖洗作業(yè)位置；然后，兩臺(tái)機(jī)器人編隊(duì)前進(jìn)，通過傳感器感知環(huán)境狀態(tài)，自主運(yùn)動(dòng)到待沖洗設(shè)備位置；接著，利用機(jī)器視覺系統(tǒng)的反饋信息，調(diào)整操作臂[10]的位姿使其末端噴槍對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)；最后，連通給水管路，兩臺(tái)機(jī)器人同步完成對(duì)同一設(shè)備的水沖洗作業(yè)。

參照人工帶電水沖洗作業(yè)的安全操作規(guī)范，機(jī)器人能夠基于運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和軌跡規(guī)劃算法在線生成水沖洗作業(yè)的操作臂執(zhí)行動(dòng)作；此外，對(duì)于支柱絕緣子等作業(yè)目標(biāo)，在非逆光和背景干擾較弱的條件下，機(jī)器人也能夠基于機(jī)器視覺系統(tǒng)自主完成目標(biāo)識(shí)別和定位。

3 結(jié)語

變電站帶電水沖洗機(jī)器人[11-12]的研發(fā)和使用可以最大限度地彌補(bǔ)人工帶電水沖洗作業(yè)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(yùn)維技術(shù)的發(fā)展方向。在未來，變電站帶電水沖洗機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)可歸納為以下幾點(diǎn)：①信息處理智能化：新一代變電站帶電水沖洗機(jī)器人[13]將繼續(xù)提高現(xiàn)有的信息處理智能化水平，實(shí)現(xiàn)全天候條件下作業(yè)目標(biāo)的自主識(shí)別和定位，機(jī)器人的自主性和異常情況處理能力將進(jìn)一步提升；②功能設(shè)定模塊化：為滿足多場(chǎng)景多任務(wù)的帶電水沖洗作業(yè)需求，機(jī)器人系統(tǒng)需采用模塊化設(shè)計(jì)，不斷提高共用技術(shù)模塊在機(jī)器人系統(tǒng)中的占比，可以適應(yīng)更多的環(huán)境條件和變電站設(shè)備，同時(shí)大大降低機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用和維護(hù)成本；③現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化：需要借鑒現(xiàn)有的人工作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，研究建立一套適于變電站帶電水沖洗機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)安全操作標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以及機(jī)器人產(chǎn)品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)此類機(jī)器人的廣泛普及應(yīng)用。