超高壓直流閥廳套管智能安裝系統研究分析

廣西送變電建設有限責任公司 許嘉毅

1 引言

超高壓直流閥廳套管智能安裝系統是針對超高壓直流閥廳套管安裝特點進行的升級與創新。超高壓直流閥廳套管安裝影響因素多，實際安裝中面臨很多阻礙。一是直流套管的形態以細長件為主，據統計最長值達到19m，因為長度原因，安裝空間延伸，加上套管的重量與安裝高度等要求嚴格，一旦安裝操作不規范，就會出現平穩性下降情況。二是超高壓直流閥廳套管安裝，施工作業面比較大，高度、重量等影響下，需要操作人員高度配合，以專業作業技能完成操作，加上施工兼顧閥廳內外兩方面，多臺設備共同運行等，增加了施工安全風險。三是安裝精度要求較為嚴格，尤其是安裝孔洞、套管之間的處理，周圍環境條件都需要時刻注意，尤其是溫度與濕度。為提高超高壓直流閥廳套管安裝質量，加大對智能安裝系統的研究力度，有效降低超高壓直流閥廳套管安裝難度。

2 深層次剖析超高壓直流閥廳套管傳統安裝方法的缺陷

超高壓直流閥廳套管安裝，因為影響因素多元化，所以傳統安裝中存在一些缺陷。如果不能明確缺陷具體情況，必然會影響超高壓直流閥廳套管安裝的安全與質量，從而增加不必要的風險。以下是超高壓直流閥廳套管傳統安裝缺陷，根據傳統安裝方法的缺陷去深化超高壓直流閥廳套管智能安裝系統研究。一是傳統安裝中超高壓直流閥廳套管拆裝工藝復雜，對拆裝空間要求嚴格，必須將環流變借助牽引車將其牽引到指定區域，隨后借助吊車起吊的方式完成套管拆裝[1]。如此一來，套管的拆除與安裝工程量都會增加，同時面臨很多風險。二是超高壓直流閥廳套管安裝期間，主要借助吊車起吊進行拆裝，整體操作不夠精確細致，導致拆除精度比較差，加上吊車起吊的穩定性不足，頻繁出現套管損壞的情況，繼而出現套管安裝與拆卸過程中頻繁接觸出線裝置，造成各種故障[2]。三是套管安裝與拆卸過程中，環境監測不到位，安裝精度達不到規定標準，安裝碰撞比較多，缺乏系統全面的維護，導致套管絕緣損壞嚴重，出現嚴重老化現象等，超高壓直流閥廳套管應用中出現絕緣擊穿與高溫爆炸等，一旦發生電力火災，對周圍環境與人身安全等帶來致命打擊[3]。

傳統的超高壓直流閥廳套管安裝已經不能滿足安全運行需求，積極對安裝經驗進行提煉，并打造智能安裝系統，方便超高壓直流閥廳套管安裝操作基礎上，有效排除安裝風險，增設超高壓直流閥廳套管安裝平臺，保證閥廳內即可以進行安裝操作，尤其是內部高壓套管的安裝更加便捷，不管是安裝還是拆除都在閥廳內完成。超高壓直流閥廳套管智能安裝系統的設計實施，增設現場環境監測功能，及時感知現場環境波動，并且準確測量受力情況，經過系統快速分析與三維定位，隨時了解超高壓直流閥廳套管安裝情況。不僅如此，借助移動機器人的輔助，對安裝路徑進行動態規劃，既可以保證安裝安全，又能夠保障安裝精度，科學消除安裝隱患，減少安裝工作量，提高安裝效率。

3 超高壓直流閥廳套管智能安裝系統具體研究

3.1 智能安裝平臺的研究

智能安裝平臺作為超高壓直流閥廳套管智能安裝系統的重要基礎，其組成部分復雜，需要以移動底盤為基礎，借助平衡支腿裝置科學控制，同時還需要設置升降裝置，能夠跟隨超高壓直流閥廳套管安裝情況，靈活調整變幅大臂與安裝操作的伸縮臂等，動態變動安裝位置，借助頭部旋轉裝置，對安裝角度等進行旋轉調整[4]。此外還涉及套管吊臂以及吊鉤，組成滑軌控制裝置。智能安裝平臺安裝設置期間，有效擴展了移動空間，打破傳統安裝中牽引其他區域拆卸的不足，增加獨立調節高度與底盤控制水平等功能，尤其是水平儀的安裝，可以隨時對支撐架平衡性進行調整，增加旋轉靈活性。機械手臂會根據安裝具體情況自由伸縮，工裝位置更是同時兼具旋轉伸縮兩種功能。

智能安裝平臺工作過程如下：一是以移動底盤對超高壓直流閥廳套管安裝的相關裝置進行移動，保證安裝裝置、換流變套管方向為90°；二是借助平衡支腿裝置，去支撐超高壓直流閥廳套管安裝部件，隨后利用升降裝置將其引入至需要安裝的位置，適當對旋轉控制盤進行調整，保證滑軌角度滿足套管軸線平衡要求。方便套管吊臂長度調整需求，為拆卸套管的控制創造有利條件。其間需要人工對套管安裝的零部件進行管理，保證套管安裝順利[5]；三是根據套管安裝情況，調整升降裝置，及時控制旋轉盤，以反向執行拆卸的方式，順利更換新套管，簡化套管安裝操作流程。

3.2 現場感知監測功能的增加

根據對超高壓直流閥廳套管安裝研究可以發現，因為其結構組成特殊，所以極易受到安裝現場環境變化的影響。種情況需要通過現場環境監測功能，對安裝現場環境變化隨時監測，如溫度變化、濕度變化等，利用傳感器上傳變化動態，方便對現場溫度與濕度的控制，提高超高壓直流閥廳套管安裝的安全性。其中的溫度傳感器，應用紅外線熱成像技術，隨時檢測溫度變化，搭配內置報警系統，設置規定閾值，若溫度變化超出閾值范圍，立即發出警報，從而有效規避安裝風險。對比傳統安裝中溫度監測所應用的接觸儀，溫度傳感器的應用能夠迅速捕捉溫度的變化并迅速做出反應。

濕度監測依靠濕度傳感器完成，主要是對超高壓直流閥廳套管安裝期間水蒸氣量進行測量。濕度測量的主要方法是跟蹤數值變化，數值若變化異常，證明周圍環境濕度異常。當前超高壓直流閥廳套管安裝中所應用的濕度傳感器，以聚酰亞胺搭配腐蝕硅材質為主，不僅使用壽命長，并且可以迅速測出接觸面積濕度參數，有效提高了超高壓直流閥廳套管智能安裝過程中濕度的測試效率與準確性。

現場感知監測功能的應用，幫助超高壓直流閥廳套管安裝隨時對周圍環境進行監控，并靈活調整與控制，保證超高壓直流閥廳套管安裝期間，周圍的溫度與濕度數據始終保持在理想狀態，即溫度為20～25℃，濕度≤45%。

3.3 吊車與吊繩的選擇

智能安裝系統的應用，必須做好吊車、吊繩的選擇，才能夠保證后續安裝工作順利完成。吊車的選擇需要根據直流閥廳套管結構設計，選擇技術成熟的100t汽車吊，該吊車工作幅度≤10m，起吊操作中起重臂仰角范圍為45°～50°，起重量參數值≥10t，起重臂的長度為20m。吊車的選擇必須參考直流閥廳套管的重量，此次研究的直流閥廳套管重量≤10t，因此100t 汽車吊滿足安裝要求。吊繩的選擇也是保證安裝安全與質量的重要條件，吊繩的選擇需通過計算方式完成。吊繩選擇具體計算內容如式（1）所示：

式（1）中，Q為套管重力；G為套管重量；G1為配重重量；k1為動載荷系數；k2為風載荷系數。

此外還可以根據力的平衡原理計算套管重力，即Q=F1+F2。F1為主起吊繩受力；F2為輔助起吊繩受力。

3.4 智能安裝系統受力分析

超高壓直流閥廳套管智能安裝系統運行期間，智能安裝平臺會根據超高壓直流閥廳套管安裝情況，對各構件進行調整，必須展開準確的受力分析，從而獲得合理設計參數，以此保證安裝的順利完成。

3.4.1 超高壓直流閥廳套管操作平臺參數計算

操作平臺的參數計算，集中于兩方面，一是平衡支撐；二是配重計算。直流閥廳套管的安裝，必須在安裝平臺上將重達1750kg 套管平穩吊起，隨后操作升降大臂到合適位置，調整變幅油缸，參考底盤正常方向，升降裝置需要調整到距其90°位置，隨后計算底盤受力狀態，計算如式（2）所示：

式（2）中，F為作用力；M為F對轉動軸力矩；L為力臂。

根據公式對套管端支腿力矩進行計算，發現套管端支腿力矩與底盤端支腿力矩數值相差較大，分別為21.42 噸米與18.13 噸米，這樣一來超高壓直流閥廳套管安裝操作的平衡性差，需要在實際操作中持續增加底盤重量，增加不少于1400kg。根據超高壓直流閥廳套管安裝現場的觀察分析，發現安裝場地并不存在過多限制性條件，因此需要將安裝考慮的側重點傾向于操作工程位置的保護。其中安裝操作中大臂伸出狀態需要對角度嚴格控制，不允許≤30°，并且計算操作力矩變化，防止安裝側翻現象。

3.4.2 機械臂操作受力分析

機械臂操作是超高壓直流閥廳套管智能安裝系統的重要步驟，機械臂操作受力分析中，要素為機械臂壁厚的選擇，根據套管重量去調整升降大臂的角度，并且控制變幅油缸，其參數直接影響機械臂受力狀態。受力模式在作業環境的影響下，需要調整為靜應力模式。因為機械臂的組成結構特點，所以計算期間不能忽略力學性能與復合安全系數計算。

3.4.3 安裝過程的三維定位分析

超高壓直流閥廳套管智能安裝系統應用中，會對超高壓直流閥廳套管的安裝全過程進行三維定位，這為超高壓直流閥廳套管安裝操作提供了方便，同時能夠及時發現安裝不當情況，快速解決安裝問題。對于超高壓直流閥廳套管來講，因為智能安裝平臺的操作集中于閥廳，所以安裝條件限制性大，必須借助三維定位技術對安裝過程精細指導，準確對安裝位置進行三維定位。過程三維定位技術的應用，可以打破可見光安裝操作的局限，加入無線電波通信方式，多途徑、大范圍地產生多徑效應，加上VLC 技術的加入，保證定位的精確度。若安裝項目中設置了基本照明設施，三維定位分析的操作難度下降，服務能力進一步強化，幫助超高壓直流閥廳套管安裝一定程度降低硬件成本。

三維定位分析技術的核心為粒子群優化算法（Particle Swarm Optimization，PSO），具體應用分析中該算法存在不足會過早收斂，面對這種情況，必須對優解速度進行改善，借助模擬退火算法，及時將粒子群優化算法的不足進行改善，有效解決超高壓直流閥廳套管安裝問題。三維定位分析的運行，首先需要設置初始值。第一步將粒子群大小以N 表示，所有離子初始位置均以隨機坐標為主，最大迭代數設定成mmax，通過視距信道增益偏差的計算，將其設置為粒子群初始值設置的適應度函數。其次需要對退火更新粒子進行模擬調整，準確對粒子適應度進行計算，根據衰減參數與迭代時間，得到最新的退火粒子數值。借此對粒子速度、坐標及時更新，并增加其安裝適應度。

3.5 動態路徑規劃分析

超高壓直流閥廳套管智能安裝系統中應用移動機器人，根據安裝具體情況對動態路徑進行科學規劃，為超高壓直流閥廳套管安裝提供便利。保證直流閥廳障礙物不會隨意變動的條件，借助動態窗口法去輔助智能安裝平臺，及時對動態障礙物加以躲避，將障礙物對超高壓直流閥廳套管安裝的影響降到最低。有效整合融合算法與超高壓直流閥廳套管路徑規劃的傳統A＊算法，在不斷磨合中確定無碰撞路徑，借此有效節約超高壓直流閥廳套管安裝路徑規劃時間，實現超高壓直流閥廳套管安裝的優化。

4 結語

超高壓直流閥廳套管智能安裝系統是對傳統安裝操作的升級，有效打破傳統安裝局限。根據超高壓直流閥廳套管安裝特點，增設智能安裝與監測等功能。尤其是三維定位分析、動態路徑規劃等，有效提高超高壓直流閥廳套管安裝效率與安全性。