超高壓輸電線懸垂絕緣子串激光除冰機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)研究

鄺江華，鄒德華，江 維，劉蘭蘭，彭沙沙

（1. 智能帶電作業(yè)技術(shù)及裝備(機(jī)器人)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(國網(wǎng)湖南省電力有限公司輸電檢修分公司)，湖南 衡陽 420100；2. 帶電巡檢與智能作業(yè)技術(shù)國家電網(wǎng)公司實(shí)驗(yàn)室(國網(wǎng)湖南省電力有限公司輸電檢修分公司)，湖南 衡陽420100；3. 武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430073）

0 引言

超高壓輸電線路是電能傳輸?shù)闹饕ǖ?，懸垂絕緣子串[1-4]是高壓輸電線路的重要組成部分，其對于輸電線路絕緣和桿塔固定具有重要作用。冬季嚴(yán)寒氣候產(chǎn)生的懸垂絕緣子覆冰不僅僅增加了絕緣子串的整體重量，同時(shí)還會(huì)影響絕緣子的電氣性能，嚴(yán)重的絕緣子覆冰會(huì)導(dǎo)致輸電線舞動(dòng)、斷線，甚至桿塔倒塌、絕緣子閃絡(luò)等線路事故的發(fā)生，這些都威脅到輸電線路的正常穩(wěn)定運(yùn)行。因此，對高壓輸電線路懸垂絕緣子覆冰清除是電力部門一項(xiàng)常規(guī)且極其艱巨的作業(yè)任務(wù)。目前，國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)已經(jīng)研制了一些輸電線路及絕緣子串的除冰裝置，但主要還是依賴于人工登塔作業(yè)，如山東電科院、武漢大學(xué)、湖南大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)分別研究了輸電線上的除冰方法，開發(fā)了相應(yīng)的智能化除冰裝備，通過對輸電線路除冰機(jī)理的研究，可以為絕緣子覆冰清除裝備的研制提供一些理論支撐與技術(shù)參考。

綜合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，在常見的輸電線路除冰方法研究方面有機(jī)械方式除冰[5-6]，其主要是通過人工登塔或者自動(dòng)化裝備搭載除冰機(jī)械裝置，通過敲打、碰撞等近距離接觸方式進(jìn)行除冰作業(yè)，除冰效果有限。此外，機(jī)械除冰過程中產(chǎn)生的振動(dòng)與沖擊對輸電線路和絕緣子可能會(huì)存在一定損傷和安全性隱患，對除冰工具搭載平臺(tái)的穩(wěn)定性控制要求較高。目前另一種主流的除冰方法是利用熱融冰[7-8]，如通過接近冰層，通過燃燒汽油產(chǎn)生熱量融化冰層。上述兩種除冰方法的共性是近距離接觸式除冰[9-10]，且機(jī)械和火燒都可能會(huì)損傷到輸電線路，因此，如何在保證除冰效果的前提下，保證輸電線路不受除冰損傷是輸電線路除冰的關(guān)鍵。激光作為一種清潔能源，它不僅可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離非接觸式的除冰[11-12]，而且在除冰作業(yè)過程中對輸電線路無任何損傷，是解決機(jī)械式除冰和熱熔冰作業(yè)缺陷的一種行之有效的方法。利用激光進(jìn)行輸電線路除冰的主要優(yōu)勢在于激光高功率密度、遠(yuǎn)距離非接觸式除冰，安全性高，且可以實(shí)現(xiàn)輸電線路的帶電作業(yè)除冰，無需斷電。同時(shí)，相對于地面設(shè)備而言，無人機(jī)具備飛控靈活、安全性高、可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此，利用無人機(jī)搭載激光除冰設(shè)備，其作業(yè)空間更為廣闊，人機(jī)協(xié)同操控更加方便，作業(yè)效率更高效，且能夠有效避免作業(yè)盲區(qū)。

基于上述研究背景，提出了一種基于無人機(jī)搭載的超高壓懸垂絕緣子激光除冰機(jī)器人機(jī)構(gòu)構(gòu)型，開發(fā)了其虛擬樣機(jī)模型，在此基礎(chǔ)上提出了輸電線路絕緣子串的激光除冰作業(yè)方法，通過人-機(jī)協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制，及激光器的旋轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)無接觸式帶電懸垂絕緣子除冰作業(yè)。

1 超高壓懸垂絕緣子串除冰作業(yè)任務(wù)分析與除冰機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)

1.1 懸垂絕緣子串除冰作業(yè)任務(wù)分析

懸垂絕緣子串及其所在的超高壓輸電線路典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括輸電導(dǎo)線、地線及其金具、直線桿塔、耐張桿塔及其地基，絕緣子串懸掛在直線桿塔的橫擔(dān)上，下端通過與懸垂線夾的聯(lián)接固定于輸電導(dǎo)線之上。

圖1 懸垂絕緣子串除冰作業(yè)環(huán)境示意圖Fig. 1 Schematic diagram of deicing operation environment for suspension insulator strings

絕緣子的主要功能是支持和固定載流導(dǎo)體，在載流導(dǎo)體與地之間形成良好的絕緣。絕緣子不僅承受機(jī)械負(fù)荷、導(dǎo)線和金屬附件的重量，還必須承受惡劣天氣情況下的風(fēng)載荷、雪載荷、導(dǎo)線舞動(dòng)以及運(yùn)輸安裝過程中所引起的沖擊負(fù)荷。從電氣角度來說，絕緣子不僅要使導(dǎo)線與地絕緣，還必須承受雷電和開關(guān)操作引起的過電壓沖擊，絕緣子上的覆冰和冰凌會(huì)增加桿塔負(fù)重，絕緣子串片間冰凌是導(dǎo)致片間短路和影響絕緣子電氣性能的主要因素。由于絕緣子片間的冰凌呈直線狀和柱狀，因此，完成作業(yè)任務(wù)的關(guān)鍵是激光裝置對于理想狀態(tài)為直線狀的冰凌的識(shí)別與定位，以及激光作用于冰凌上的融冰機(jī)理研究。

1.2 激光除冰機(jī)器人機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)及其作業(yè)空間分析

本文設(shè)計(jì)的基于無人機(jī)搭載的超高壓絕緣子激光除冰結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，該激光除冰裝置包括無人機(jī)和激光系統(tǒng)，其復(fù)合后如圖2（b）所示。激光除冰裝備包括機(jī)械部分和電氣兩大部分，機(jī)械部分包括旋轉(zhuǎn)和俯仰兩個(gè)自由度可以對激光頭方位和位姿進(jìn)行在線實(shí)時(shí)調(diào)整，使得激光頭可在一定旋轉(zhuǎn)角度和俯仰角度內(nèi)調(diào)整至合適工作位姿，最大角度視實(shí)際設(shè)計(jì)情況及工作需要而定。電氣部分主要包括激光玻璃管、電源、電池、控制器、電壓轉(zhuǎn)換模塊、無線通訊模塊、擴(kuò)束鏡頭等。其中，核心激光部件主要包括激光器探頭、頻率轉(zhuǎn)換裝置、準(zhǔn)直鏡、掃描振鏡、聚焦鏡等，瞄準(zhǔn)裝置可通過電子望遠(yuǎn)鏡將圖像信息傳送給激光控制系統(tǒng)，并在顯示屏上顯示。同時(shí)，考慮無人機(jī)飛行平衡及穩(wěn)定性，將激光裝置的機(jī)箱設(shè)計(jì)為梯形結(jié)構(gòu)，將質(zhì)量較輕的控制模塊和無線通訊模塊置于前端，并使機(jī)箱前端部分留有激光發(fā)生的裝置旋轉(zhuǎn)空間，梯形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也使得機(jī)箱整體高度得到了有效控制。

圖2 絕緣子激光除冰機(jī)器人基本構(gòu)型Fig. 2 Basic configuration of insulator laser deicing robot

要保證激光除冰機(jī)器人無盲區(qū)地實(shí)現(xiàn)絕緣子串除冰作業(yè)，2自由度的激光除冰裝備的可達(dá)運(yùn)動(dòng)空間分析是關(guān)鍵問題之一，該可達(dá)作業(yè)空間和俯仰運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩自由度有關(guān)。假設(shè)激光頭的俯仰運(yùn)動(dòng)俯仰角為α，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)角為β，則激光頭在忽略外界干擾情況下的可達(dá)作業(yè)空間P可以用式（1）來表示，激光除冰機(jī)器人通過2自由度來調(diào)節(jié)激光器的可達(dá)作業(yè)空間示意圖如圖3所示。

圖3 除冰激光器的可達(dá)作業(yè)空間分析Fig. 3 Analysis of reachable working space of deicing laser

2 激光除冰機(jī)器人控制系統(tǒng)與作業(yè)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

2.1 激光控制系統(tǒng)的硬件組成

激光控制系統(tǒng)是機(jī)器人激光除冰作業(yè)的核心，激光器能夠穩(wěn)定可靠地發(fā)出激光是完成作業(yè)的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)的激光控制系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)為核心控制器，激光控制系統(tǒng)的硬件組成如圖4所示，其中核心CPU采用STM32F107VCT6芯片，在其外圍具有時(shí)鐘電路、晶振電路、復(fù)位電路和電源電路等基本單元，激光控制模塊主要包括功率設(shè)定、激光調(diào)制、MO開關(guān)、急停和同步脈沖等功能。激光運(yùn)動(dòng)模塊能夠控制激光器的俯仰和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；激光功能控制模塊能夠?qū)崿F(xiàn)激光自主聚焦和對象自主定位；激光通訊模塊能夠?qū)崿F(xiàn)地面控制端與無人機(jī)-激光裝備的遠(yuǎn)程無線通信。通過各部分電路的協(xié)調(diào)工作產(chǎn)生可控穩(wěn)定和功率可調(diào)的激光源，用于輸電線路絕緣子除冰作業(yè)。

圖4 激光除冰機(jī)器人系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Hardware structure diagram of laser deicing robot system

2.2 激光除冰機(jī)器人作業(yè)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

合理的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是高效完成絕緣子激光除冰作業(yè)的關(guān)鍵，基于無人機(jī)搭載的超高壓絕緣子激光除冰機(jī)器人的作業(yè)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃步驟如下：

（1）通過地面控制器，控制無人機(jī)啟動(dòng)飛行至待除冰超高壓絕緣子串一側(cè)，調(diào)整合適的飛行高度，且與待除冰的超高壓絕緣子串保持合適距離，高清瞄準(zhǔn)裝置拍攝圖像信息傳給地面控制器；

（2）根據(jù)拍攝圖像信息，地面控制器控制無人機(jī)飛行高度與激光除冰裝置的旋轉(zhuǎn)和俯仰關(guān)節(jié)，調(diào)整合適角度使激光頭瞄準(zhǔn)至待除冰的絕緣子冰凌上；

（3）根據(jù)視頻圖像信息，控制系統(tǒng)計(jì)算出無人機(jī)作業(yè)距離，選擇合適的激光功率以及輸出模式，機(jī)器人規(guī)劃激光除冰作業(yè)掃描路徑；

（4）根據(jù)機(jī)器人規(guī)劃的作業(yè)路徑，無人機(jī)搭載的激光除冰裝置調(diào)整旋轉(zhuǎn)和俯仰關(guān)節(jié)角度進(jìn)行除冰作業(yè)，直至除冰作業(yè)完成，然后，進(jìn)入下一個(gè)工作狀態(tài)。若絕緣子串上出現(xiàn)冰凌時(shí)，首先對冰凌進(jìn)行激光清洗處理，若絕緣子串覆冰厚度較厚時(shí)，控制激光頭對覆冰反復(fù)進(jìn)行左右掃描處理，必要時(shí)進(jìn)行上下掃描融冰。當(dāng)一側(cè)絕緣子串覆冰清除完成后，飛行至另一側(cè)進(jìn)行除冰作業(yè)。通過無人機(jī)和激光除冰裝備的協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制，并重復(fù)上述過程實(shí)現(xiàn)桿塔上整串絕緣子激光除冰作業(yè)。

超高壓輸電線路懸垂絕緣子除冰作業(yè)任務(wù)如圖5所示，為使無人機(jī)-激光裝置系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地判定是否完成一次完整作業(yè)，在激光除冰作業(yè)前，利用無人機(jī)搭載三維成像掃描儀對整個(gè)超高壓輸電線路，特別是桿塔處的懸垂絕緣子串進(jìn)行三維成像和掃描，獲取作業(yè)環(huán)境和主要作業(yè)對象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用專業(yè)三維重構(gòu)軟件對作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行三維重構(gòu)，獲取絕緣子串的片數(shù)、高度、內(nèi)徑、冰層等重要參數(shù)?；谏鲜鰠?shù)對無人機(jī)-激光裝置系統(tǒng)實(shí)施協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)的絕緣子串精準(zhǔn)除冰作業(yè)。

圖5 激光絕緣子除冰機(jī)器人作業(yè)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃Fig. 5 Motion planning of laser insulator deicing robot operation

3 激光除冰熱傳導(dǎo)模型和作業(yè)機(jī)理

3.1 激光除冰熱傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型

當(dāng)激光束照射絕緣子盤面覆冰時(shí)，會(huì)發(fā)生顯著的熱效應(yīng)，不同激光器的波長對于冰層融化效果不一樣，同時(shí)融冰效果還與覆冰厚度成正比關(guān)系，因此，對于相同波長激光束照射在不同冰層上，其融冰效果也是不同的。當(dāng)用較長波長激光照射并掃描絕緣子覆冰時(shí)，大部分激光能量都會(huì)被覆冰表面所吸收，此時(shí)，絕緣子表面溫度顯著升高，冰融化為水甚至直接氣化。當(dāng)用較短波長激光照射絕緣子覆冰時(shí)，除了表面覆冰吸收激光能量外，冰層內(nèi)部也可吸收激光能量，因此，覆冰內(nèi)外冰層形成溫差，在內(nèi)外溫差應(yīng)力超過冰層最大抗壓時(shí)，絕緣子覆冰會(huì)發(fā)生斷裂或者自動(dòng)脫落，這種方式下的激光除冰效率更高。不論是絕緣子冰層表面融化，還是內(nèi)外溫差過大產(chǎn)生應(yīng)力造成的冰塊自動(dòng)炸裂和脫落，其除冰機(jī)理都是基于激光熱傳導(dǎo)模型和能量守恒定律，激光熱傳導(dǎo)方程可用于絕緣子覆冰周圍及內(nèi)部的溫度場分析，其熱傳導(dǎo)方程模型為式（2）。

式中：系數(shù)kx，ky，kz為x，y，z方向上的導(dǎo)熱系數(shù)；ρ為材料密度值，是溫度的函數(shù)；C是比熱容，也是溫度的函數(shù)；t為激光的照射時(shí)間；Q是單位體積內(nèi)部熱產(chǎn)生率，如果kx，ky，kz與方向無關(guān)，則式（2）可進(jìn)一步簡化為式（3）。

對式（3）采用柱式坐標(biāo)系，則激光熱傳導(dǎo)方程可化為式（4），該式是激光除冰理論分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

3.2 懸垂絕緣子激光除冰作業(yè)機(jī)理分析

求解式（2）（3）（4）可以得到激光作用于冰面所產(chǎn)生的溫度場分布特性，對于固定的冰面材質(zhì)，激光絕緣子除冰作業(yè)時(shí)，激光波長大小以及作業(yè)方式的合適選擇，可使激光能量可以最大限度被覆冰吸收用于除冰，這是提高激光除冰作業(yè)效率的關(guān)鍵。根據(jù)作業(yè)前的準(zhǔn)備，通過無人機(jī)搭載三維成像掃描儀對懸垂絕緣子串的掃描，獲取除冰對象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過軟件的重構(gòu)和視覺算法可以實(shí)時(shí)地獲取冰面尺寸及厚度等幾何特性，根據(jù)這些幾何特性來對激光器的波長大小、功率大小、掃射時(shí)間等關(guān)鍵控制參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置與調(diào)配，通過除冰對象三維重構(gòu)所得幾何數(shù)據(jù)與激光器的控制參數(shù)之間的耦合模型來實(shí)現(xiàn)絕緣子串的最優(yōu)激光除冰作業(yè)。

4 測試實(shí)驗(yàn)

4.1 可達(dá)作業(yè)空間測試實(shí)驗(yàn)與分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證激光除冰機(jī)器人機(jī)構(gòu)構(gòu)型在絕緣子覆冰清除作業(yè)中的可行性和有效性，通過調(diào)節(jié)激光裝備上的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的偏轉(zhuǎn)角α，β來測試激光束在絕緣子串上掃描的作業(yè)空間范圍，以本文作業(yè)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中垂直形態(tài)下的5片懸垂絕緣子構(gòu)成的1個(gè)絕緣子串來進(jìn)行激光掃描作業(yè)運(yùn)動(dòng)空間范圍測試，規(guī)定俯仰運(yùn)動(dòng)向上俯仰角α為正，左右運(yùn)動(dòng)向左偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角β為正，初始位置的兩個(gè)偏轉(zhuǎn)角都為0，且激光頭正對絕緣子串第3片中心位置，得到的測試結(jié)果如表1所示。

表1 絕緣子垂直形態(tài)下運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與激光束掃描空間測試結(jié)果Tab. 1 Test results of the motion mechanism and laser scanning space for the vertical shape insulator

通過表1的測試結(jié)果可知，在激光裝備構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí)，2自由度的激光運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)其偏轉(zhuǎn)角分別在 45°～-45°之間和 60°～-60°之間，激光器在運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)與激光裝備自身及搭載設(shè)備無人機(jī)之間發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，且通過偏轉(zhuǎn)角的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)一串絕緣子的上下掃描和一片絕緣子的左右掃描，因此，機(jī)械設(shè)計(jì)上通過設(shè)置該偏轉(zhuǎn)角及其運(yùn)動(dòng)控制，激光除冰機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)超高壓輸電線路懸垂絕緣子的無盲區(qū)除冰作業(yè)。

4.2 作業(yè)性能測試實(shí)驗(yàn)與分析

在湖南省電力有限公司輸電檢修分公司帶電作業(yè)中心所轄的望新培訓(xùn)線路I線#10號(hào)塔B相上進(jìn)行模擬除冰試驗(yàn)，ZB1-24型桿塔，LGJ-400/50型導(dǎo)線，XP-7型絕緣子串，總共10片絕緣子。為進(jìn)行除冰效果對比，分別進(jìn)行兩次除冰實(shí)驗(yàn)，第一次通過機(jī)械式敲打除冰，整串絕緣子的覆冰清除大約需要10 min，第二次利用激光與機(jī)械除冰相結(jié)合的方式，初始階段利用機(jī)械力敲打覆冰，然后用激光遠(yuǎn)程照射絕緣子覆冰，由于激光在冰面的熱效應(yīng)，絕緣子串覆冰出現(xiàn)一些裂紋，再用機(jī)械力輕擊覆冰，冰層會(huì)自動(dòng)脫落，完成一整串絕緣子覆冰清除大約為6 min。由于結(jié)合了激光除冰，整體作業(yè)效率有了明顯提高，若該作業(yè)方式推廣至整個(gè)片區(qū)的超高壓輸電線路絕緣子除冰作業(yè)其效率提高所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益是可觀的。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，機(jī)械除冰方法在結(jié)合激光除冰后，由于激光作用冰層上的熱融效應(yīng)和熱應(yīng)力效應(yīng)，除冰效率會(huì)提高，這是其相比接觸式除冰的重要優(yōu)勢。同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)可得到不同除冰方法的特點(diǎn)及其性能評價(jià)，如表2所示。

表2 典型除冰作業(yè)實(shí)驗(yàn)的性能評價(jià)Tab. 2 Performance evaluation of typical deicing operation experiment

通過表2的對比也可以看出激光除冰綜合了機(jī)械式除冰和熱融冰各種的優(yōu)點(diǎn)，是目前操作性、安全性和效率最高的一種除冰方式。

5 結(jié)論

（1）提出了一種基于無人機(jī)搭載的輸電線路絕緣子激光除冰機(jī)器人基本構(gòu)型、虛擬樣機(jī)系統(tǒng)及其與無人機(jī)的復(fù)合協(xié)同運(yùn)動(dòng)作業(yè)控制方法。

（2）提出了激光除冰的面熱源和體熱源作用下的激光能量熱傳導(dǎo)方程，并分別計(jì)算了激光作用下的冰層溫度場的具體表達(dá)式和融冰模型。

（3）提出了一種激光除冰機(jī)器人的嵌入式集成控制體系架構(gòu)及其物理實(shí)現(xiàn)方法，并通過相關(guān)測試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了除冰機(jī)器人機(jī)構(gòu)構(gòu)型及激光除冰的可行性和有效性。