地下电缆巡检机器人关键技术研究

何军，梁彦

（四川职业技术学院电子电气工程系，四川遂宁629000）

地下电缆巡检机器人关键技术研究

何军，梁彦

（四川职业技术学院电子电气工程系，四川遂宁629000）

针对目前地下电缆实时监测所存在的各种问题，国内外一直致力于利用机器人技术来解决.为了完成对地下电缆绝缘老化状态、早期故障的实时监测与预警、可靠性分析与寿命管理等，需要结合多学科的最新技术，包括检测技术、信号处理与数据融合、控制技术、通信技术和机器人技术等学科.面向这一新的方向，本文探讨了研究和开发地下电缆巡检机器人应关注的一些关键技术.

地下电缆；巡检机器人；绝缘老化；实时监控；传感器阵列

地下电缆是电力系统的重要组成部分，是保证供电可靠性的基础.统计历年来地下电缆的故障发现，导致输电电缆故障的主要原因是导线绝缘材料长期工作在高压、高温下，引起物理、化学变化，发展到一定程度或在外部条件（雷电、短路等）激发下，造成绝缘性能下降［1-2］.20世纪70年代以来，随着世界上装机容量的迅速增长，原有的预防性维修体系已不能满足越来越高的供电可靠性要求，为降低停电和维修费用，国内外开始研究状态检修这一新方向，即对运行中电气设备的绝缘状态进行连续的在线监测，随时获得能反映绝缘状况变化的相关信息，进行分析处理后，根据诊断结论安排必要的维修.从国内外已取得的研究成果可以看出，将移动机器人用于输电线路的实时监测是一个必然的趋势.目前国外无越障功能的架空输电线路巡线机器人技术较为成熟，已进入实用阶段，国内对具有自主越障功能的机器人研究投入力量大，取得了多项研究成果，但是都没有解决地下电缆的实时监测问题.

1 地下电缆巡检机器人关键技术

1.1 机械结构与驱动

1.1.1 隧道电缆机器人

陆地机器人按照其移动机构可分为轮式、履带式、足式、蛇形等［3］，而移动机构的选取又取决于机器人的移动环境.110k V及其以上高压电缆常集中铺设在电缆隧道中，以方便布线、维护.隧道中间有人行通道，高压电缆被固定在通道两侧的墙壁上，因此人行通道和电缆都可以作为隧道电缆机器人的移动环境.目前国内外研发的隧道机器人一般在人行通道上移动，常采用履带式的移动机构以确保机器人行驶过程中的平稳性.但机器人离两侧的电缆尚有一段距离，因此主要检测的是隧道内环境而不是电缆故障.华盛顿大学的地下电缆移动监测平台首次以电缆表面作为机器人的移动环境，采用多段轮式结构，在沙漏型车轮和平衡杆的辅助下能够紧贴电缆表面平稳地移动，但其越障能力十分有限，难以顺利地执行巡线任务.因此，为了完成对地下输电线路故障的检测，并且达到足够的精度，机器人不但应该以电缆表面作为移动环境，还应具有左右转弯和跨越一些典型障碍（如电缆中间接头、固定夹等）的能力.一方面对巡线机器人的机械结构提出了很多限制，比如空间约束，大小和重量的限制；另一方面对机器人的驱动能力提出了更高的要求.驱动机构既要具有较大的转矩，以克服摩擦；又要具有较宽的调速范围和快速响应能力，可适应复杂的速度变化.因此，一种灵活稳定并能应对各种不利巡线因素的机器人系统是完成隧道电缆巡线任务的基础.

1.1.2 管内机器人

在城市电缆输配电系统中，约30%的地下输电线路采用电缆管道敷设［4］.这就要求巡检机器人能在排管内沿电缆表面行进（包括前进、停止和后退）.此时机器人的移动环境更为狭小，例如10k V三芯电缆，其排管管径为150～200mm.并且排管内环境相对潮湿，多尘土.因此从机械机构上来说，要求巡检机器人小巧灵活，并且在不会对排管造成物理破坏的前提下具备一定的涉水能力、爬坡能力和跨越管内障碍的能力.

1.2 远程控制和通信

机器人控制系统分为两部分：机器人自主控制系统和远程计算机控制系统.机器人自主控制系统可采用分布式多处理系统实现机器人位姿控制、导航以及数据采集和处理.远程计算机控制系统是操作人员与机器人之间联系的纽带.操作人员通过地面移动基站的用户界面查看机器人的巡检状况，随时发出各种驱动行为指令，指挥机器人跨越障碍、处理意外故障等.同时机器人借由通信模块将检测到视频信息、电缆故障信息等传回远程计算机控制系统，并接受操作人员发出的实时或非实时数据类型的命令.鉴于现场安全性考虑，通信模块可以考虑采用不受布线限制的无线通信网络.无线传输对远程计算机和机器人之间距离限制的问题可以通过机器人的自治功能加以弥补，但需要解决的是它们之间多路传输能力问题以及来自不同通信线路的优先级问题［5］.

1.3 传感与检测

无论是隧道电缆机器人还是管内机器人，要完成巡检工作，都必须在沿电缆行走的同时通过携带的传感器收集尽可能多的有用信息，包括电缆绝缘状态信息和图像信息.

1.3.1 绝缘状态检测

输电线路绝缘老化的本质是材料性能在热、电、机械与环境等因素下发生不可逆转的改变.对其进行状态检测需要涉及过热点、局部放电、水树老化等较为全面的故障信息.

（1）过热点检测

过热点检测是目前被国内外普遍认可的一项电缆监测手段，因为无论是电缆的老化或是负荷的增加，都会通过温度方面的信息反映出来.引起电缆绝缘层出现过热点的原因十分普遍，包括物理损伤、特殊环境（十字路口、停车场下），电缆交叉等［6］.而当其连续处于过热状态时，使用寿命将大大减少，并且可能引起接口破损，产生局部放电，导致绝缘故障.

传统的电缆温度监测方式是将点式感温装置如热电偶装在电缆重要部位进行测温.此方法只能对电缆局部而不是整条线路实现温度在线监测.国外目前应用得较为广泛的是分布式光纤测温技术［24］.但需要将光纤安装在电缆表面，不满足移动检测的要求.因此选取一种体积小、灵敏度高、能够实现非接触测量的温度传感器是机器人实现过热点在线检测的关键.华盛顿大学用泰雷公司的M ID红外测温仪对14k V电缆上一个人造的过热点进行了检测［7］，实验结果表明红外测温仪可捕捉从物体辐射出的红外能量，越靠近被测点，检测结果越准确.并且红外测温仪的探头部分体积小，质量轻，适合机器人携带，因此可随机器人沿电缆移动读取温度，实现在线移动测温.

（2）局部放电检测

随着电力系统的发展和电压等级的提高，局部放电（P D）已成为输电线路绝缘老化的主要原因之一.研究表明［8］：输电线路绝缘层中P D的长期存在会导致绝缘老化，严重时会引发停电事故，带来巨大的经济损失.目前应用得较为广泛的地下输电线路P D检测法诸如脉冲电流法、超高频法等都需要对电缆作某些“加工”，比如将外屏蔽层截断，在电缆与接地线间固定传感器等，不适合用来进行移动检测和无损检测.

声发射检测作为无损检测的一种手段，目前在开关柜和变压器上的应用比较普遍［9］，在输电线路上的应用还只是作为一种辅助方法.主要由于声发射信号（AE信号）在传播过程中会衰减，需要近距离检测.而巡检机器人能够在移动过程中尽可能地接近放电源，正好可以解决这一难题.并且声发射传感器不受电磁干扰，体积小，适合机器人携带.已有研究表明［28］，电缆局部放电产生的AE信号与视在放电量在一定范围内成正比.因此可以根据检测到的AE信号来判断局部放电的情况.

声发射法与其他P D检测方法相比，还有一个突出的优点是可以实现“预防性”检测，即检测局部放电之前的绝缘层受损状态.因为在运行电压下，P D与绝缘层的受损状态是相辅相成的.绝缘层的缺陷会引发P D，P D的发生又加剧绝缘层缺陷的扩展.因此，声发射传感器对P D进行检测不仅可以检测放电过程中产生的超声波信号，还可以检测放电前后绝缘层缺陷扩展时对外发出的AE信号.从而机器人就可以根据收集到的相关信息判断输电线路的受损程度，以便及时有效地采取措施进行处理.

（3）水树老化检测

虽然采用声发射传感器对P D进行检测可以有效判断输电线路绝缘层的受损状态，但是由于电缆老化过程中，P D是间歇性产生的，只有在准确的时间和位置，机器人才能由携带的声发射传感器检测到局部放电的存在.因此，为了保证巡线机器人对绝缘状态所有过程的检测，还要借助于其他检测方式——水树老化检测.

当电缆绝缘层中产生水树时，其介电特性会发生改变，因此利用介电测量技术可以对绝缘层进行间接无损的水树老化检测.即通过边缘电场传感器（F E F）测得的电缆绝缘材料复介电常数的变化判断绝缘层是否存在水树.F E F的原理和普通平板电容相同，不同之处在于前者的两个电极（驱动电极和感应电极）在同一平面内.进行检测时，将传感器紧贴电缆表面，对驱动电极施加电压，感应电极接地.从而可以根据穿透绝缘层的两个电极间的电场线检测绝缘材料的复介电常数.有文献已经提出利用三波长叉指式介电传感器来进行微水分检测［10］，这可以作为地下输电线路水树老化检测的有效依据.将叉指式边缘电场传感器安装在机器人上，对电缆表面测量，即使在空隙中没有水分，并且信号变得很微弱的情况下，也可以检测绝缘层表面的异常情况.即检测的是绝缘材料的实际状态，而不是局部放电的结果.

1.3.2 图像采集

为了及时了解电缆隧道或管道内这种极限环境内的情况，比较直观有效的方法是采用以摄像头为基础的图像采集模块对机器人周围环境进行检测.由于巡检现场运行环境恶劣，特别是管内机器人，移动环境空间狭小，因此安装在机器人上的摄像头模块应考虑以下几个方面：

（1）体积小，功耗低，可拆卸；

（2）有较强的图像处理及压缩能力；

（3）具有实时传输图像及接受外部控制命令的通信能力；

（4）采用防水广角镜头，能够监视机器人周围较广范围内的图像.

1.4 远程监控软件

对地下输电线路巡线机器人而言，地面移动基站的主要任务是对其进行遥操作以及分析处理机器人发回的图像及各种检测信息.因此其软件系统必须具备以下功能：

（1）地面移动基站的监控部分必须提供良好的人机接口界面，完成摄取图像的显示，数据综合处理以及控制命令的发送等工作.

（2）监控软件能够对采集到的图像和数据信息做好记录，便于以后的分析和处理.

2 结论

由于地下电缆故障的复杂性和所处环境的复杂性，将移动机器人应用于实时监测还存在一定的困难，本文综合比较了国内外巡线机器人的研究现状，探讨了研究地下电缆巡检机器人需要解决的一些关键技术.尽管我国对地下电缆巡检机器人的研究还处于探索阶段，但是，随着科技的不断发展，以及在不断积累监测数据和总结诊断经验的基础上，对地下电缆巡检机器人的研究具有广阔的前景.

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责任编辑：张隆辉

TP242

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1672-2094（2015）03-0154-03

2015-04-27

何军（1963-），男，重庆万州人，四川职业技术学院副教授.研究方向：电气自动化技术.