特高压输电线路巡视辅助检修机器人的研制

何 宇，王 栋，王 鑫，寇 玺，李继红

（国网陕西省电力公司检修公司，陕西 西安 710065）

0 引 言

我国的超高压输电线路已经进入了一个飞速发展的阶段，送电负荷越来越大，线路若有故障将会对电网运行产生巨大影响。因此，对输电线路进行维修保护已经成为全国电力系统的一项非常重要的工作内容。对绝缘子串巡视检查和检查耐张压接管是否存在发热现象，已经成为输电线路日常运检的重要工作，需要工作人员登塔逐一检修。特高压输电线路由于电压等级高、杆塔高度高，运维检修人员登塔体能消耗大，易发生虚脱情况，工作量大，工作效率低，且存在触电、坠落等安全隐患[1-3]。

防坠落轨道是目前超高压杆塔建造时为防止登塔人员意外坠落而沿杆塔设置的一种T 型钢轨道。目前，它的作用仅限于为登塔人员悬挂安全绳，为其加设一道保护，实现安全闭环保护，但仍不能减轻操作人员的工作强度，且存在工作人员杆塔攀爬过程中易卡死等问题。

1 课题背景

1.1 课题研究意义

根据近年来电力系统特高压输电线路状况，以满足检修工作实际需要为目的，研发主要针对特高压输电线路绝缘子及绝缘子串的各种缺陷及耐张线夹压接管发热等问题，解决因近年恶劣天气明显增多造成线路故障跳闸等故障。为确保运行人员安全和能够快速查找出故障点，采用机器人自行登塔巡视显得十分必要。输电线路故障占份额最大的是雷击故障[4]。特高压线路杆塔相对较高，故障点不易发现，必须人员登塔进行查找故障点。由于气候条件恶劣，存在登塔运行人员安全隐患。

1.2 国内外研究现状

目前，对于代替人进行登塔作业的机器人已有一些研究成果。经过大量检索对比发现，铁塔攀爬机器人种类繁多，主要有硬梯攀爬机器人、水泥杆攀爬机器人等，但由于体积和重量的原因[5]，目前并未投入实际生产。

2 研究目标和研究内容

2.1 研究目标

本文研发了一套有针对性的利用已加装的防坠落轨道实现自动登塔和对绝缘子、压接管可靠性进行检测的特高压输电线路巡视辅助检修机器人。它可提高供电可靠性，减轻一线员工的劳动强度，提高工作效率。作业过程中不需要设备停电，作业人员通过地面操作平台完成对机器人的实时操控完成作业。在特殊恶劣天气情况下，它不需要人员登塔检查作业，可提高检修的安全性和作业效率。

2.2 研究内容

总结我国750 kV 超高压线路带电作业和运维检修的现有成熟经验，引用750 kV 输变电工程关键技术研究成果，结合750 kV 输电线路杆塔、金具、绝缘子串的技术条件与结构特点，分析计算合适的机械结构，以实现在750 kV 特高压输电线路杆塔的防坠落轨道上能垂直、水平行走的机器人到达工作位置后，可见光成像设备和红外成像设备能全方向由地面操作人员调整以对准数据采集目标，并能将采集的数据传输至地面。

3 机器人整体方案设计

3.1 机器人机械方案的研究

特高压输电线路巡视辅助检修机器人由主体、垂直行走部分、水平行走、动力系统、直流供电系统、数据采集系统提及通信系统7 部分组成，整体结构采用履带式的行走底盘、蜘蛛臂式的支撑结构、双副剪叉臂多处铰接点的过约束配合剪叉臂、可沉降的围栏防护等[6]。整体结构平稳可靠，操作简单，通过性强，并可实现远端遥控自行走。

机器人利用防坠落轨道的T 型钢[7]，卡在防坠落轨道的T 型材两侧，压紧支撑轮使行走皮带与T 型材的平面产生足够的滚动摩擦力，实现在防坠落轨道上的行走，从而达到机器人登塔的目标。

特高压输电线路巡视辅助检修机器人采用特种橡胶履带底盘结构，能够适应各种地面，如草坪、沙石地、水泥地面等，实现全地形无障碍行走功能[8]。实现升降机构部分采用非金属绝缘复合材料结构，相关材料符合GB13398 等相关标准，保证绝缘安全裕度。

3.2 机器人控制方案的研究

特高压输电线路巡视辅助检修机器人的控制系统由图像采集系统和运动控制系统两大部分组成。

3.2.1 图像采集系统

图像采集系统构成如下[9]：①一个高清可见光摄像头，实现高清图像采集；②一个热成像摄像头，实现热成像图像采集；③一个控制云台，实现高清可见光摄像头和热成像摄像头运动控制；④两个运动状态检测摄像头，实时图像采集机械装置运动位置的图像；⑤一个图像交换机，将四路摄像头图像信号和控制信号合并网络通信；⑥两个无线网桥，一个接入图像交换机，一个接入显示和控制计算机，实现交换机和计算机的无线通信；⑦一个显示和控制计算机，配备专用软件，显示热成像图像，显示热成像图像中的高低温度，显示高清图像，显示机械装置运动位置的图像，并可实时存储图像。

3.2.2 运动控制系统

运动控制系统组成如下[10]：①11路电机控制摇杆，产生相应电机运动控制的信号；②摇杆信号读取和无线信号通信板，基于无线收发芯片nRF1024 和STc51系列芯片为主的控制系统，实现摇杆信号读取和控制信号的无线通信；③多路继电器控制信号和无线信号通信板，基于无线收发芯片nRF1024 和STc51 系列芯片为主的控制系统，实现多路继电器控制和控制信号的无线通信；④多路继电器板，控制11 路电机的动作。

4 结 论

特高压输电线路巡视辅助检修机器人采用全地形剪叉式绝缘检修平台，应用前景非常广阔。由于产品简便、易操作，检修人员能够非常快速地掌握正确的使用方法，简化现场检修的工作步骤，不仅能快速提高检修效率，而且可以大幅度提升检修工作的安全可靠性。它利用已加装的防坠落轨道，实现自动登塔和对绝缘子、压接管可靠性的检测，提高了供电可靠性，减轻了一线员工的劳动强度，提高了工作效率。在恶劣天气下，它仍可完成检测任务，降低了人员登塔的风险隐患。

实验结果表明，特高压输电线路巡视辅助检修机器人可以屏蔽高压电场对机器人控制系统的干扰，且具备在恶劣天气进行运维检测的能力，支持实时监控杆塔绝缘子串、金具、压接管的实时情况与温度变化情况，并将采集的数据输送至地面，由地面接收并贮存，以便于后期技术人员快速分析找出故障点，极大地减轻运维检修人员对杆塔的运行巡视工作，可及时发现隐患和缺陷位置，实现对智能电网输电线路的信息化和现代化的科学管理。