配網架空裸導線帶電涂敷絕緣材料機器人的研制

鄒林，羅俊平，李銳海，王頌，余文輝

（南方電網科學研究院有限責任公司，廣州 510000）

引言

自80年代中期后，在國家的大力支持下架空裸導線機器人的技術走向國際領先。山東大學，武漢大學和自動化國家“863”計劃資助的研究所沉陽分別在110 kV、220 kV和500 kV的架空裸導線輸電線路的自主巡線機器人取得了長足的發展[1]。這種機器人能夠實現大規模、長線路巡檢工作，工作實習過程可以跨線、塔和其他障礙物，盡管取得了一定的研究成果，但離實用階段還有一定的距離。國外電力系統方面專家對機器人的研究始于上世紀80年代末，日本、美國等一些少數發達國家，研制了進行普通巡線作業的帶電作業機器人。日本九州電力公司主要研究工作涉及電線的連接和切斷、輸送等硬件的模塊化和機器人性化。現在，其Phase I機器人也已達到了實用化。日本九州電力公司幾乎每一個企業已經配備了這種機器人。并且這種機器人大概能完成每個營業所的大約80 %的帶電作業工作。從九十年代開始，九州電力公司進行研究的適用于交流6 kV及交流22 kV電壓等級的第二代帶電作業機器人-半自動式的Phase II，也已經研制出了實驗樣機[2,3]。

城區配電網基本實現了架空導線的絕緣化處理，但是對于樹障區、城鄉結合部建筑密集區、交叉跨越（公路、河流、池塘）區段、人員活動頻繁區域的架空導線局部絕緣處理、裸導線整條線路絕緣化處理工作還未完成，在暴風雨天氣線路很容易發生跳閘，影響供電安全性及可靠性[4,5]。對樹障區、城鄉結合部建筑密集區、交叉跨越（公路、河流、池塘）區段、人員活動頻繁區域的架空導線局部絕緣處理、裸導線整條線路絕緣化處理一直是南方電網公司配電網改造和運維的難題之一，目前只能依靠人工更換絕緣導線解決此類問題，但是受地理位置、原有桿塔受力情況、停電時間等因素影響，相當一部分區域很難實施。

2018 年電網公司明確涂覆絕緣材料作為處理配網設備事故的措施之一。涂覆絕緣材料替代更換導線已逐漸在整個南網進行廣泛使用，絕緣材料涂覆裝置也隨之發展起來。現在絕緣材料涂覆裝置需要借助登高車人工將裝置掛在導線上，要安排相關線路停電，不僅存在較大作業安全風險，而且嚴重影響了供電可靠性。同時，受地形限制，一些登高車到不了的地方很難實施作業。

為了降低線路跳閘率，提高配網供電可靠性，有必要開展防跳閘改造技術研究，本文研究開發一種安全經濟的導線絕緣施工裝置，能適應裸導線現場絕緣化施工要求，實現絕緣化涂裝，且施工便捷，絕緣化后的導線能正常運行，電氣絕緣等性能均滿足要求。

1 涂敷裝置的集成

裝置采用模塊化設計，各模塊集成組裝后即是整機，整機結構緊湊高效，運輸、安裝、施工方便。設計圖如圖1 。

整機可裝進定制的鋁合金箱子內進行運輸，小型貨車即可進行運輸。現場施工時，只需將噴頭、涂料罐與機體進行連接，即可開展施工，各部件連接操作簡單。導線絕緣施工裝置可配合絕緣裝置實現帶電自升、自降上下線；也可以應用我司開發的自牽引卷揚上線技術，無需帶電作業平臺或絕緣斗臂車輔助，適用于多種作業場景，施工方便。

1.1 噴涂模塊

涂料擠出機構及噴涂方式設計合理，確保了機器人沿導線行走時涂料供應系統能夠提供均勻可調的涂料，噴涂完成后能夠在導線圓周上均勻覆蓋厚度不低于2 mm的絕緣、機械等性能滿足要求的涂層。

早期的絕緣噴涂模塊不能根據導線的大小而自動調節，在使用過程中需要人手先對導線規格進行測量，更換合適的噴涂頭才能進行涂覆作業，工序復雜麻煩而且會影響效率。

針對上述問題，我司研發一款噴頭可調的導線噴涂裝置用噴涂結構，包括導線固定座、噴涂上模和噴涂下模，噴涂上模和噴涂下模固定安裝在導線固定座的一側并且相互拼接形成噴涂模具；噴涂上模和噴涂下模分別對稱滑動連接了多組半圓形的噴涂口組件，噴涂口組件中間位置設置有尾桿從而形成類Y型；通過控制系統連接到同步調整電機和傳動伸縮桿，控制同步調整電機和傳動伸縮桿的運行，多組不同口徑的Y型噴涂口組件相互配合形成一個可調節大小的噴涂口，由外到內每組噴涂口的口徑逐漸增大并能連接成一個平整的圓塔型導線噴涂倉，從而可以根據電線的大小及涂料厚度自由調節噴涂口的大小。涂料供應系統由無刷電機和涂料罐組成，無刷電機可方便控制擠壓量和擠壓速度，擠壓穩定；再配合控制系統內預設的控制程序，可實現穩定涂覆，涂覆厚度可在2～3 mm范圍內調節。

通過電磁鐵裝置保證噴頭在作業過程中鎖緊，同時通過對噴頭自動合攏動力裝置進行遠程控制，從而拉動鋼絲繩作用于翻轉連桿實現對噴頭裝置張開與合攏的自動化操作；具有鎖緊機構防失靈設計，在噴頭自動合攏動力裝置失靈時，可斷掉滑動電磁鐵的供電，噴頭便會自動打開，有利于施工人員在地面遙控噴頭設備脫離線纜。

圖1 絕緣涂敷裝置圖

1.2 行走模塊

導線涂敷裝置的移動本體采用輪式行走機構，能安全越過傾角不超過25 °的導線，移動速度和最高噴涂速度達5 m/min。涂覆機器人爬坡能力受機器自重與行走輪的摩擦系數、行走電機的功率有關，針對涂敷作業的需求，將從以下幾點進行改進以實現導線絕緣施工裝置可安全越過傾角不超過25 °的導線：①將機器輕量化，減少自身重量；②在行走輪下加裝輔助輪，提高行走輪對導線的摩擦力；③采用特殊材料制作的行走輪，增加摩擦系數，提高爬坡能力（如用皮革類替代常規的橡膠）。

我司已有涂覆機器的行走電機已具備行走速度5 m/min的要求，需要調整擠料電機的參數，并將輸料管加大，減小電機擠料壓力，增加單位出料量即可實現移動速度和最高噴涂速度達5 m/min。

通過設計出一種可在10 kV架空線路上行走的機構，該模塊包括兩套走線臂和安裝基板，其中走線臂包括走線滑輪、支架、走線驅動電機和聯動動力組件；兩套走線臂底部均與安裝基板轉動連接，沿安裝基板中軸線對稱再錯位排列安裝，走線臂下方設置有撥動板，聯動動力組件通過撥動板同時驅動走線臂擺動。在走線臂呈V型張開時，將涂覆機器人由吊帶吊到架空裸電線下且走線滑輪最低點高于電力線的位置，傳動齒板向內收縮，帶動走線臂往基板中軸線方向抱合，將機器人懸掛于電力線，無需人工攀登桿塔安放機器人，避免了操作人員高空作業的危險，減少了作業強度。聯動動力組件能夠同時驅動兩套走線臂，兩套走線臂同步擺動，使機器人兩邊保持平行，避免不平行而影響吊掛。走線臂設置了快裝機構，實現噴頭的快速拆裝，安裝精確牢固，無需人工攀登桿塔調整噴頭。走線臂支架，采用了鏤空設計，強化空氣對流，加快散熱，提升走線臂的壽命和運行穩定性。該行走機構能在10 kV架空導線不同線徑上穩定行走，且有一定的爬坡能力，以及良好的續航能力，機構本身具備良好的機械性能及低故障率。

2 涂敷機器人的控制

目前工業機器人使用的控制器，一般是選用PLC、MCU進行控制。對于電力絕緣涂覆方面的工業機器人，目前中國的廠家較少，由于施工環境因素要求，機器人需要更小體積和更輕的重量，而單片機在工業上發展成熟，能提供豐富的功能，因此本文研究方案選用MCU單片機作為控制器。

絕緣涂覆機器人控制方法及系統是基于MCU微控制器+無線通信的。控制系統，地面端遙控器可通過接收的無線圖像顯示進行可視化監控，對空中導線端的機器人無線控制。該系統是一個閉環控制系統，通過地面端設備發送相關參數、動作等指令至機器人端，機器人端執行指令并返回狀態數據，形成閉環控制，保證控制系統的穩定性、準確性。

地面端遙控器通過QT觸摸界面，進行機器人的參數設定，及動作指令控制；通過無線圖像傳輸設備進行實時監控空中端的機器人狀態。

機器人端的MCU微控制器通過接收的無線數據指令，對相關電機、電子、傳感器等組件執行對應的狀態；并將機器人相關狀態數據返回至地面端遙控器。機器人端升降部分，通過陀螺儀的數據，對升降電機進行實時調速，進而調平機器人的整體，使之平衡上升。

無線設備采用2.4 G無線通信，進行地面端遙控器與機器人端無線通信。

控制系統用于控制行走機構的行走速度以及推料機構向絕緣包覆機構輸送絕緣涂料的速度；針對不同的行走速度和不同的線徑，絕緣包覆機構輸送絕緣材料的速度都有一個相對應的設定值，以保證包覆材料不會在線纜上形成缺料。

3 涂敷機器人的應用

為了配合絕緣裝置實現帶電自升、自降上下線，滿足施工作業需求，我司設計開發一種絕緣裝置（機械人帶電作業平臺）實現帶電自升、自降上下線；同時我司開發一種自牽引卷揚上線技術，無需帶電作業平臺或絕緣斗臂車輔助，適用于多種作業場景。

機器人帶電作業平臺包括升降平臺、承載升降平臺并用于相對高壓電線往復移動升降平臺的橫移平臺，升降平臺包括作業平臺、用于抬升作業平臺的升降機構。橫移平臺包括平臺基座、可拆卸的設置在平臺基座上方并用于相對高壓電線往復移動升降平臺的橫移機構，升降機構可拆卸的連接橫移機構；平臺基座包括平臺底板、若干可拆卸的設置在平臺底板下方用于支撐平臺底板的可調地腳；橫移機構包括橫移立架、垂直于高壓電線兩兩相互平行設置在平臺底板上方的兩組直線導軌、分別滑動連接在兩組直線導軌上的若干直線滑塊，垂直于高壓電線僅是指在作業過程中兩組直線導軌相對于高壓電線垂直，直線滑塊可拆卸的固定連接在橫移立架底部，使得橫移立架可以沿直線導軌往復推動；升降機構包括電動升降桿、可拆卸的固定在電動升降桿頂部的定位支架，電動升降桿底部可拆卸的固定在橫移立架上，電動升降桿以橫移立架為支點抬定位支架和升作業平臺；作業平臺包括機器人安置盒、連接機器人安置盒底部并用于驅動機器人安置盒相對高壓電線往復移動的平移模塊、連接平移模塊底部承載平移模塊的承接支座，承接支座固定在定位支架中下部，平移模塊可以通過電機結合絲桿和滑塊或者電機結合傳送帶等方法實現機器人安置盒相對高壓電線往復移動。

圖2 絕緣涂敷裝置實際應用場景

4 總結與展望

本文研制開發一種安全經濟的配網架空裸導線帶電涂敷絕緣材料機器人裝置，其具有集成化的涂敷模塊及行走模塊，能適應裸導線現場絕緣化施工要求，實現絕緣化涂裝，施工便捷，絕緣化后的導線能正常運行，相比現有的人工涂敷絕緣材料的方式，工作效率高且安全可靠，在配電網系統中具有廣闊的市場應用前景。