GIS罐体内部异物清理机器人的研发与应用

马飞越，佃松宜，游 洪，刘威峰，田 禄，周 秀，蔡建辉

（1.国网宁夏电力公司电力科学研究院，宁夏 银川 750011；2.四川大学电气信息工程学院，四川 成都 610000）

GIS罐体内部异物清理机器人的研发与应用

马飞越1，佃松宜2，游 洪2，刘威峰1，田 禄1，周 秀1，蔡建辉1

（1.国网宁夏电力公司电力科学研究院，宁夏 银川 750011；2.四川大学电气信息工程学院，四川 成都 610000）

针对气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switchgear,GIS）内部异物颗粒引起设备内部电场畸变,从而造成设备闪络故障问题，通过对异物颗粒的产生原因及影响因素进行分析，研制了一种GIS罐体内部异物颗粒清理机器人，实现了GIS设备内部可视化异物清理功能。应用结果表明：机器人检测不仅提高了750 kVGIS内部缺陷检查的效率，而且保证了检测人员的安全，为GIS状态检修提供了有效技术支持。

GIS；异物颗粒；腔体清理；机器人

据国网公司2006年-2015年设备故障统计，气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated Switchgear，GIS）故障占比越来越大，并且故障原因多样，故障类型［1］大概可分为10种，如图1所示。

图1近10年GIS设备故障类型统计

其中，异物导致放电故障次数最多，占29%。GIS内部异物大多为异物自由颗粒。

2015年11月，某330 kV变电站内110 kVGIS设备超声波局部放电检测时发现母线内部存在异物颗粒放电信号，厂家打开手孔盖板对设备内部目视检查并通过吸尘方式进行清理，清理后再次进行交流耐压试验时超声局放检测仍存在异物缺陷，经历3次开盖检查才彻底处理完成，不仅耗费了大量的人力、物力及时间，同时经历多次交流耐压试验也给设备造成了累积绝缘疲劳。

1 GIS GIS罐体内部异物

1.1异物产生的原因

GIS设备主要由断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器等电气元件组成，利用SF6气体绝缘性能各元件均封装在充满SF6气体的GIS壳体内部［2］。在生产制造阶段，设备内部各元件已被打磨光滑并经冲洗除去杂质，但设备各部件组装产生的部件间摩擦、运输过程中的机械振动、运动部件动作时引起的碰撞冲击以及放电引起的碎片脱落都会在GIS罐体产生金属异物颗粒；在设备安装过程中抽真空或充SF6气体时，现场环境中的漂浮异物也易进入GIS壳体内部形成异物颗粒；运行过程中由于设备吸附剂罩缺陷，密封硅脂及润滑脂使用不当，金属件表面油漆等工艺处理不良也会产生异物缺陷［3］，这些异物颗粒有细长的线形、螺旋线形、球形、粉末状等不同形状，它们在电场中带电后受静电作用会产生运动，严重影响GIS设备的绝缘性能。

1.2内部异物的危害

GIS内部存在异物颗粒时，由于GIS运行过程中，内部异物颗粒处于交变的电场环境中，在高压电场作用下，异物颗粒因携带电荷会受到电动力作用［4］，当受到的库仑力大于颗粒自身的重力时，异物颗粒会从罐体底部浮起，并在其表面上跳动，造成GIS内部电场发生畸变，易引起设备内部盆式绝缘子、支柱绝缘子或绝缘拉杆等部件表面闪络，造成设备故障。

2 GIS GIS异物清理机器人的研发

为了实现电网GIS、罐式断路器等设备内部的可视化及异物清理功能，确定GIS罐体内部异物清理机器人研发技术方案为：控制部分采用Inter Edison控制平台，并在其上运行Linux系统；人机交互部分采用带蓝牙手柄的Android操作平台；异物清扫功能通过机器人底部可调功率的吸尘模块实现。

2.1整体架构组成

气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）检测清理机器人系统，主要由检测设备、人机交互系统、移动小车以及电源等部分构成，其整体架构如图2所示。

图2机器人整体架构

图2中，移动小车为机器人的移动机构，其功能为：控制机器人在GIS管道内行走、协助机器人完成预定的操作指令。在小车的移动机构中，分布有运动控制系统、传感器数据采集系统、机器人的扫地装置以及电源系统，用以实现GIS机器人的动作操控。检测设备系统为机器人的监控部分，该部分为一个6自由度的可调节的云台结构，由具有4自由度的机械臂和具有2自由度的旋转云台共同组成。用于实现机器人对GIS罐体内的可视化检测。人机交互系统通过Android操作平台与蓝牙手柄，实现人机之间的交互。操作平台与机器人系统之间，通过蓝牙传输控制信号，实现友好的人机交互功能。

2.2硬件结构设计

GIS罐体内部异物清理机器人硬件部份是整个设备运行的保障，需充分考虑机器人可扩展性。硬件电路部分主要由电源、主控制电路、驱动电路、传感器采集模块等部分组成，如图3所示。

图3硬件电路

电源部分采用防浪涌、防正负反接的措施，加上充分的电源滤波，给系统提供一个稳定可靠的电源环境。

主控电路包括高速高性能的Inter Edison控制芯片及stm32协处理器，在Inter Edison上运行的Linux系统，在stm32协处理器上运行的电机及传感器驱动程序，从而保证机器人系统能实时、准确可靠的工作。

机器人本体机构主要由移动小车、驱动机构、6自由度云台摄像头、补光设备、传感器等部分组成（如图3所示）。机器人设计尺寸358mm×300 mm×155.6mm(长×宽×高)，重量为3.5 kg，机器臂整体举升为437mm，机器人左右移动角度20∘，能够充分满足无死角检测GIS罐体的要求，同时满足清扫罐体底部异物的要求。

GIS检测清理机器人工作于GIS罐体内部，其移动小车外形采用了弧形结构，以便更好地适应GIS罐体内部，同时为机器人提供足够的工作空间。在移动小车系统的整体设计中，采用配重的方式设计其每部分需要装置的机构，包括驱动机构、控制板、电源系统，清扫装置等，以便机器人的整体重心位于其几何中心上。在移动小车运动驱动方式上，为保障其全向移动，实现左右各20∘的偏移，同时，在运动过程中各驱动机构之间不存在干扰，选择了带麦克纳姆轮的独立悬挂驱动机构。

考虑到现有的驱动芯片驱动能力较差，且其发热量大的特点，在本项目中，采用MOS管搭建了H桥，通过UART来接收485总线的转速指令，然后经MCU处理后形成不同脉宽的PWM驱动信号，同时，编码器的值还能实时反馈电机的转速。在整个驱动机构中，隔离芯片的加入有效地隔离了功率级和控制级，其驱动控制如图4所示。

图4电机驱动

GIS检测清理机器人的云台机构由4自由度机械臂和2自由度拍摄云台组成。为实现机械臂举伸的要求，机械臂选用质量较轻，承重较大的材料，其中，机械臂的举升总长度达437mm，满足在GIS腔体内监控举升300mm的要求；而2自由度的拍摄云台可在机械臂上360°旋转，从而实现摄像机在腔体内的无死角拍摄；同时，为保障摄像机的拍摄质量，在摄像机的拍摄过程中，增加了对应的补光方案，以弥补摄像机在拍摄过程中光线不足的问题。结构如图5所示。

图5机器人整体实物结构

2.3软件结构设计

嵌入式软件是该设备的重要组成部分，也是与Android操作平台上下沟通的桥梁。系统软件采用抢占式调度实时多任务处理，该处理方式能在系统运行的任何时候都先执行就绪了的最高的优先级任务，以确保关键任务被及时处理。在整个设备的系统中，硬件电路处于从机地位，因此，串口处理处于最高优先级任务，以确保Android操作平台所发送的指令能及时执行和反馈。采用多个任务功能处理信号量、邮箱、消息队列、事件标志之间的信息交换以及对临界资源的访问。

依照硬件电路的划分，嵌入式软件按照功能相应划分为：通信处理，输入接口处理，输出处理，现场环境信息采集等部分。整体的设计流程如图6所示。

图6系统软件架构流程

为更好实现对GIS管道罐体内部的可视化检测及罐体底部的异物清扫，机器人系统的人机交互平台采用基于蓝牙手柄的Android操作平台，从而可以通过调节手柄的按钮来实现相关操作指令输入。具体的人机交互平台控制如图7所示。

图7人机交互平台控制

从图7可以看出，机器人系统通过无线通信方式实现机器人硬件系统与人机交互平台之间的信号交流。在人机交互平台中，其主体为基于Android系统的平板控制台，并将其集成到蓝牙手柄控制终端，用以实现机器人视频模块的实时信息显示、机器人运动姿态的监测、机器人系统状态的监测以及运动控制模块的监测。

3 效果评价

为验证研发的GIS罐体内部异物清理机器人的功能及性能是否满足要求，结合宁夏电网某750 kV变电站750 kV断路器内部缺陷检查处理现场进行应用。该断路器设备在投运前交流耐压同时超声波局放检测发现罐体内部存在自由颗粒缺陷。由于罐体内部较大，操作人员在断路器手孔部位从外部无法有效检测设备内部状态，操作人员如进入罐体内部，残流的SF6气体会造成人员缺氧窒息，罐体内部湿冷的环境也易造成人员手脚冻伤。使用机器人对罐体内部异物进行清理，很好地解决了这一难题。机器人通过断路器手孔部位进入罐体内部，操作人员在罐体外部通过可视化功能进行检查操作，机器人在罐体内部行走检查，发现断路器内部存在异物颗粒时，通过高清摄像头将影像传递给操作人员，操作人员使用异物清扫功能指挥机器人进行清理，异物清理工作全部完成后，机器人退出罐体。机器人在罐体内部检查状态如图8所示，检查发现的罐体内部异物颗粒如图9所示。

图8 机器人在罐体内部检查状态

图9检查发现内部存在异物颗粒

4 结论

（1）GIS罐体内部异物清理机器人的研发，使操作人员可以通过机器人的可视化功能有效检查设备内部缺陷，避免设备内部异物缺陷的漏检。

（2）机器人通过弧形结构、麦克纳姆轮的构架，与GIS设备及罐式断路器内部弧形的筒体结构相适应，不仅可以灵活前进及后退，还能实现横向位移，为可视化提供广阔的视野。

（3）机器人采用大功率的吸尘模块，当发现异物的时候可以通过控制平台的吸力水平，适用于不同大小的异物颗粒收集。

（4）机器人采用基于Android操作平台与蓝牙手柄的人机交互模式，不仅为设备投运前内部检查提供新的手段，更避免了设备故障时解体检查接触有毒分解物对操作人员的安全危害，提升了GIS设备状态检修的效率及安全性。

［1］ 马飞越，刘威峰，李奇超，等.超声波局部放电检测在GIS自由颗粒缺陷检测中的应用[J].宁夏电力，2016 (5)：44-48.

［2］ 刘洪正.高压组合电器[M].北京：中国电力出版社，2014.

［3］ 国家电网公司运维检修部.提升GIS运行可靠性108项措施建议[Z].北京：国家电网公司，2015，12.

［4］ 胡泉伟，张亮，吴磊，等.GIS中自由金属颗粒缺陷局部放电特性的研究[J].陕西电力，2012（01）：1-4.

Developmentand app lication of robotw ith foreignmatters cleaning function inside the GIS cavity

MA Feiyue1,DIAN Songyi2,YOU Hong1,LIUW eifeng1,TIAN Lu1,ZHOU Xiu1,CAIJianhui1
(1.PowerResearch Institute of State Grid Ningxia PowerCo.,Yinchuan Ningxia 750011,China; 2.Schoolof Electric&Information Engineering,Sichuan University,Chengdu Sichuan 610000,China)

Aiming at the problem of the foreign particles inside gas insulated switchgear(GIS)easily causing electric field distortion inside the equipment and resulting in the arcing fault of GIS,By the analysis the producing reason and the influence of factors of the foreign particles,develops and manufactures a robot to clean the foreign particles inside the GIS cavity,realizes the function of foreign particles cleaning visualization inside the GIS.The application result shows that the robotnot only promotes the inside defection examination efficiency of 750 kV GIS,but also guarantees the safety of the examination staff.It provides effective technique support for GIS condition-based maintenance.

GIS;foreign particles;cavity cleaning;robot

TM83

B

1672-3643（2017）02-0043-05

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.02.009

2017-01-18

马飞越（1986），男，工学硕士，从事高电压绝缘及试验研究工作。

有效访问地址：http：//dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.02.009