電力工井多功能勘測(cè)工具的研發(fā)與應(yīng)用

代相波 王立勇 張凱 韋立坤 馬駿鵬

（國網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司,山東 濰坊 261000）

隨著我國城市化建設(shè)的推進(jìn),城市電網(wǎng)亦開展大規(guī)模改造,用于連接電纜通道的電力工井應(yīng)用越來越廣泛,以某地級(jí)市為例,現(xiàn)直供區(qū)管轄電力工井超5000 座（常見電力工井如圖1 所示）。電力工井屬于一種地下有限空間,其內(nèi)作業(yè)不可避免的會(huì)面臨中毒、缺氧窒息、燃爆、淹溺、高處墜落、觸電、物體打擊、坍塌、掩埋、高溫高濕等安全風(fēng)險(xiǎn),在某些質(zhì)量較差的工井,上述風(fēng)險(xiǎn)可能共存,并具有隱蔽性和突發(fā)性。井下作業(yè)項(xiàng)目主要包括工井及所敷設(shè)電纜驗(yàn)收、資料獲取、電纜敷設(shè)、運(yùn)維巡視、故障點(diǎn)查找等工作,除電纜敷設(shè)等少量項(xiàng)目確需井下完成,其他項(xiàng)目如能準(zhǔn)確獲取工井內(nèi)實(shí)時(shí)影像資料,則無下井工作必要。

圖1 電纜工井簡圖

文獻(xiàn)[1-3]介紹了有限空間作業(yè)所面臨的各類風(fēng)險(xiǎn),針對(duì)有限空間作業(yè)危害因素辨識(shí)及事故應(yīng)急救援措施做出探討,并比較了國內(nèi)外不同安全法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)；文獻(xiàn)[4]介紹了一種拔插式電力工井檢測(cè)裝置,可針對(duì)工井內(nèi)各類有毒有害氣體及氧氣含量進(jìn)行檢測(cè),但未涉及影像資料方面；文獻(xiàn)[5]介紹了一種電力工井可視化探測(cè)裝置,可實(shí)時(shí)傳輸影像畫面,但行程短,無橫向動(dòng)作功能、越障功能、熱成像功能、高度測(cè)量功能,且不具備工井全景可視化功能,不適用于真實(shí)電力工井作業(yè)環(huán)境；文獻(xiàn)[6]介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)與WebGIS 的深基坑在線監(jiān)測(cè)平臺(tái),其具備三維可視化和在線監(jiān)測(cè)功能,但主要針對(duì)于煤礦等大型深基坑,固定點(diǎn)位、不可移動(dòng),且造價(jià)成本高,不適用于電力工井。綜上,目前所研發(fā)設(shè)備或工具尚集中在大型深基坑在線監(jiān)測(cè)或僅支持短行程縱向伸縮,不適用于電力工井真實(shí)作業(yè)環(huán)境。

本文提出一種可實(shí)現(xiàn)高清夜視、紅外測(cè)溫、氣體檢測(cè)、高度測(cè)繪、縱向伸縮、橫向避障、有線傳輸、實(shí)時(shí)顯示的電力工井多功能勘測(cè)工具（圖2）,可代替工作人員下井作業(yè),從而避因工作人員進(jìn)入有限空間作業(yè)所帶來的高處墜落、缺氧窒息、淹溺、觸電、物體打擊等各類意外風(fēng)險(xiǎn),并可有效提升作業(yè)效率。

圖2 電力工井多功能勘測(cè)工具

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該電力工井多功能勘測(cè)工具主要由機(jī)械動(dòng)作單元、采集傳輸單元、地面支撐單元三個(gè)部分構(gòu)成,結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1.1 機(jī)械動(dòng)作單元

機(jī)械動(dòng)作單元主要承擔(dān)信息采集設(shè)備上下進(jìn)出工井及工井內(nèi)延展動(dòng)作功能,作為攝像、測(cè)溫、測(cè)距等設(shè)備動(dòng)作載體,包含縱向伸縮部分及橫向動(dòng)作部分。綜合考慮伸縮長度、動(dòng)作速度、載荷大小、直徑、走線方式及制造成本等方面,縱向伸縮部分設(shè)計(jì)一種竹節(jié)式伸縮桿[7],具備一定穩(wěn)定度的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)快速有效動(dòng)作,于內(nèi)部布置管線槽,可管內(nèi)穿線,美觀的同時(shí)增強(qiáng)防水性及防意外破壞性；綜合考慮臂展長度、承載力、動(dòng)作方式、技術(shù)難度及制造成本等方面,橫向動(dòng)作部分設(shè)計(jì)一種雙軸精密擺動(dòng)機(jī)構(gòu),由直流電機(jī)搭配諧波減速機(jī)進(jìn)準(zhǔn)定位[8],定為精準(zhǔn)、啟停平穩(wěn),可有效搭載各信息采集設(shè)備動(dòng)作至目標(biāo)點(diǎn)位。考慮電力工井下無線信號(hào)傳輸困難,縱向及橫向動(dòng)作部分的動(dòng)力及數(shù)據(jù)傳輸均設(shè)計(jì)為有線控制,均為內(nèi)置走線。

1.2 采集傳輸單元

采集傳輸單元主要承擔(dān)井內(nèi)影像、電纜及環(huán)境溫度、氣體含量、高度測(cè)量等信息的采集及傳輸功能,作為采集工井內(nèi)各類信息的主體,其需具備準(zhǔn)確無誤采集并上傳功能,包含采集部分及傳輸部分。綜合考慮夜視環(huán)境、設(shè)備自重、防潮防水性能、成本控制等方面,采集部分分別設(shè)計(jì)采用海康威視的DS-2CD2766FWDV2-IZS 球形機(jī)實(shí)現(xiàn)井內(nèi)影像采集功能,采用TOPRIE 的H2 紅外熱成像測(cè)溫儀實(shí)現(xiàn)電纜及環(huán)境溫度測(cè)量功能[9],采用Honeywell 的Max XTII 四合一泵吸式氣體檢測(cè)儀實(shí)現(xiàn)井內(nèi)有毒有害氣體及氧氣含量檢測(cè)功能,采用超聲波測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)距功能；傳輸部分主要包含電源線、通訊線及氣體檢測(cè)用軟管等,綜合考慮操作復(fù)雜度、美觀性、防潮防水性能、等方面,傳輸部分使用管內(nèi)穿線方式,并設(shè)計(jì)一種收線器用于收納各類型管線[10]。

1.3 地面支撐單元

地面支撐單元主要承擔(dān)機(jī)械動(dòng)作單元與采集傳輸單元的控制、動(dòng)力供給、圖像顯示與信息存儲(chǔ)、固定支撐等功能,作為中樞控制及顯示系統(tǒng),其需具備精確控制、高清顯示、穩(wěn)定支撐的功能,包含控制及顯示部分、動(dòng)力部分、設(shè)備支撐部分。綜合考慮設(shè)備體積、有線接口、開發(fā)難度、綜合成本等方面,控制及顯示部分設(shè)計(jì)使用工控電腦搭配8 存電容屏的組合；綜合考慮便攜性、容量、便適用性等方面,動(dòng)力供給部分設(shè)計(jì)使用PERCON 的Q300 移動(dòng)電源；綜合考慮操作便攜度、支撐牢固、易移動(dòng)等方面,設(shè)計(jì)一種三角架形式支撐架,并搭配移動(dòng)滾輪。

2 參數(shù)功能

該電力工井多功能勘測(cè)工具縱向竹節(jié)式伸縮桿有效行程4000mm,超出絕大部分電力工井井筒長度,滿足勘探使用條件,可由井上電動(dòng)按鍵控制,按鍵伸縮、松開即止,可于任意位置停止；雙軸機(jī)械臂擺臂范圍≧1000mm,與縱向竹節(jié)式伸縮桿配合使用,可越過電纜拍攝,具備越障功能,可由井上電動(dòng)搖桿控制擺幅,動(dòng)作準(zhǔn)確、啟停平穩(wěn)；攝像部分具備實(shí)時(shí)傳輸、遠(yuǎn)程控制、拍照存儲(chǔ)、日夜全彩、IP66 防護(hù)等功能；具備紅外熱成像功能,可實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)；具備實(shí)時(shí)測(cè)距功能,可實(shí)時(shí)反饋數(shù)值；配備8 路1TNVR 網(wǎng)絡(luò)高清監(jiān)控主機(jī)適用于多種平臺(tái)接入,預(yù)留傳輸端口；配備8 存電容觸摸屏,可于同一界面實(shí)時(shí)顯示攝像拍攝畫面、紅外熱成像畫面、高度數(shù)值等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要,可下達(dá)各類控制指令,并存儲(chǔ)所需數(shù)據(jù)；電力管線及通訊數(shù)據(jù)線均為有線傳輸、管內(nèi)走線,美觀大方且具備更好的防水、防外力破壞性能,并可于無線信號(hào)缺失的地下工井開展作業(yè)。

利用該電力工井多功能勘測(cè)工具開展電力工井勘測(cè)作業(yè)時(shí),首先利用可收縮支撐架將該工具穩(wěn)定置于井口上方,并利用鎖緊扣鎖緊,接入配備戶外移動(dòng)電源為設(shè)備通電后。首先選擇相應(yīng)熱成像模式、攝像模式、高度測(cè)距模式,設(shè)定相應(yīng)參數(shù)。控制上下操作按鍵,移動(dòng)竹節(jié)式伸縮桿至目標(biāo)高度,操控電動(dòng)搖桿,控制雙軸機(jī)械臂橫向移動(dòng)至目標(biāo)位置。根據(jù)屏幕顯示影像畫面及熱成像畫面做進(jìn)一步動(dòng)作調(diào)整,可操控云臺(tái)進(jìn)一步調(diào)整攝像頭俯仰角度、旋轉(zhuǎn)角度,直至屏幕顯示所需目標(biāo)畫面,并可利用伸縮焦距功能拉伸畫面至工井內(nèi)目標(biāo)物體。可于控制屏幕拍攝需要畫面并存儲(chǔ),全部資料均可導(dǎo)出至手機(jī)等各類存儲(chǔ)設(shè)備。單工井勘測(cè)作業(yè)完畢后,收縮支撐架后可利用所配備滾輪方便移動(dòng)本設(shè)備至下一工井,再次展開下一工井勘測(cè)作業(yè)。利用該電力工井多功能勘測(cè)工具可有效開展檢（搶）修勘探、施工驗(yàn)收、電纜測(cè)溫、深度測(cè)量、氣體檢測(cè)等各類工作,無各類有限空間作業(yè)風(fēng)險(xiǎn),且相對(duì)于傳統(tǒng)作業(yè)模式效率較高。該工具可進(jìn)一步推廣應(yīng)用于雨污水、路燈、熱力、燃?xì)獾? 米深度內(nèi)各類工井。

3 應(yīng)用對(duì)比

目前井下作業(yè)主要采用的方式為利用爬梯、梯子或速差自控器及三角架套裝。工作人員井下工作需嚴(yán)格遵守“先通風(fēng)、再檢測(cè)、后作業(yè)”的原則[7]。采用帶送風(fēng)管道的強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)備通風(fēng)時(shí)間應(yīng)不少于5 分鐘,并應(yīng)保證作業(yè)場(chǎng)所應(yīng)滿足人均30m3/h 的新風(fēng)量,自然通風(fēng)時(shí)間應(yīng)不少于半小時(shí)；有毒有害氣體及氧氣含量檢測(cè)耗時(shí)大約為8 分鐘；布置下井工具,絕緣伸縮梯約需5 分鐘、救援三腳架套裝約需15 分鐘,綜上可得,一次簡單的井下信息采集工作約需25～50 分鐘準(zhǔn)備時(shí)間,浪費(fèi)時(shí)間長、工作效率低。為便于直觀分析,繪制分時(shí)耗時(shí)圖,傳統(tǒng)單次工井內(nèi)作業(yè)分項(xiàng)耗時(shí)如圖4 所示,利用該電力工井多功能勘測(cè)工具作業(yè)分項(xiàng)耗時(shí)如圖5 所示。

圖4 傳統(tǒng)單次工井內(nèi)作業(yè)分項(xiàng)耗時(shí)圖

圖5 電力工井多功能勘測(cè)工具作業(yè)分項(xiàng)耗時(shí)圖

分別于某地市高某路及渤某路對(duì)比測(cè)試兩種工作模式。其中高某路為市政施工新建造電力工井開展土建項(xiàng)目驗(yàn)收,井筒平均深度約2.5 米,尚未敷設(shè)電纜,井內(nèi)環(huán)境相對(duì)簡單,須充分觀測(cè)井內(nèi)各部分,以確定有無接地扁鐵焊接不規(guī)范、防腐處理不充分、管孔壓扁、墻壁異物及防水封堵不合格等缺陷。渤某路為現(xiàn)有工井,井筒平均深度約3.5 米,敷設(shè)電力電纜后進(jìn)行電氣項(xiàng)目驗(yàn)收,井內(nèi)電纜、通訊線密布,井內(nèi)環(huán)境復(fù)雜,且部分工井內(nèi)有積水,須觀測(cè)項(xiàng)目為電纜穿越管孔是否封堵、電纜中間頭制作是否規(guī)范、電纜標(biāo)識(shí)牌制作是否規(guī)范及是否遺留施工垃圾等項(xiàng)目。分別針對(duì)兩路段進(jìn)行測(cè)試,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1,其中計(jì)時(shí)時(shí)間不包括布置安全圍欄及井蓋開關(guān)耗時(shí),為提高效率,伸縮梯作業(yè)組多名工作人員交替開展通風(fēng)、氣體檢測(cè)工作。

表1 兩種作業(yè)模式耗時(shí)對(duì)比表

為直觀展示兩種工作模式用時(shí)對(duì)比,繪制折線圖,如圖6 所示。

圖6 兩種作業(yè)模式耗時(shí)對(duì)比圖

對(duì)比表1、圖6 不難得出,兩種作業(yè)模式分別于不同類型工井開展16 次工井土建及電纜施工驗(yàn)收作業(yè),電力工井多功能勘測(cè)工具作業(yè)模式的耗時(shí)（平均耗時(shí)8.2min）均遠(yuǎn)小于伸縮梯作業(yè)模式（平均耗時(shí)28.2min）。

4 結(jié)論

本文介紹了一種電力工井多功能勘測(cè)工具的研究與應(yīng)用,詳細(xì)介紹了該工具的結(jié)構(gòu)組成與基本功能,并利用驗(yàn)收作業(yè)任務(wù)與伸縮梯下井作業(yè)模式展開對(duì)比。經(jīng)實(shí)踐表明,該工具可于檢（搶）修勘探、施工驗(yàn)收、電纜測(cè)溫、深度測(cè)量、氣體檢測(cè)等各類工作中代替工作人員下井工作,在有效避免有限空間作業(yè)所面臨的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí),大幅提升現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率,具有重要推廣價(jià)值。