220kV變電站帶電作業(yè)機(jī)器人的研制

李 健，魯守銀，王振利，趙玉良

LI Jian，LU Shou-yin，WANG Zhen-li，ZHAO Yu-liang

(國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院 山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250002)

0 引言

帶電作業(yè)是電力設(shè)備測試、檢修和改造的重要手段，它為提高供電可靠性、減少停電損失和保證電網(wǎng)安全做出了巨大貢獻(xiàn)。帶電作業(yè)對(duì)操作人員的技術(shù)水平和熟練程度、氣候條件及安全防護(hù)用具等要求非常嚴(yán)格。由于擔(dān)心安全隱患及缺乏合適的人身安全防護(hù)用具及帶電作業(yè)技術(shù)培訓(xùn)不夠等，部分地區(qū)對(duì)變電站帶電作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行了限制，致使變電站停電作業(yè)頻繁，輸、配電可靠性指標(biāo)不能完成，從而給電力企業(yè)帶來了很大的經(jīng)濟(jì)損失，給人民生活和生產(chǎn)帶來了很大的不便。

目前大型變電站現(xiàn)場作業(yè)任務(wù)均操作人員使用原始工具手動(dòng)完成，其存在著如下缺陷：

1）變電站設(shè)備由于置身戶外，彌漫于空氣中的工業(yè)污穢和自然污穢易沉積在設(shè)備表面形成污穢層，這些污穢物受霧、小雨等侵害，極易引發(fā)污閃事故。

2）操作人員手工帶電完成設(shè)備套管清掃與清洗、設(shè)備RTV防污閃材料的噴涂等工作，勞動(dòng)強(qiáng)度極大，效率低，自動(dòng)化水平低。

3）人工帶電作業(yè)安全防護(hù)、遮蔽要求非常嚴(yán)格，稍不注意就會(huì)出現(xiàn)短路電流，造成重大的安全事故，引發(fā)人身傷亡事故[1]。

220kV變電站帶電作業(yè)機(jī)器人是山東電力科學(xué)研究院承擔(dān)的國家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃2012AA041506）科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目,旨在結(jié)合我國變電站帶電作業(yè)需求，研制一臺(tái)能夠的滿足變電站作業(yè)環(huán)境需求的帶電作業(yè)智能機(jī)器人，能夠完全代替人工完成變電站帶電設(shè)備套管清掃與清洗、設(shè)備RTV防污閃材料的噴涂、帶電絕緣子零值檢測、隔離開關(guān)除銹防護(hù)帶電作業(yè)任務(wù)，提高作業(yè)人員的操作安全性能。

圖1 變電站帶電作業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

1 高壓帶電作業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

變電站作業(yè)機(jī)器人主要由工作機(jī)和遠(yuǎn)程遙控指揮車兩部分組成。工作機(jī)部分按功能主要分為工作裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、平臺(tái)總成和行走機(jī)構(gòu)等組成。

整機(jī)主要性能參數(shù)：

1）整機(jī)質(zhì)量（不包括機(jī)械臂）：2000kg；

2）液壓機(jī)械臂質(zhì)量：60kg；

3）機(jī)器人平臺(tái)裝載質(zhì)量：120kg；

4）機(jī)器人作業(yè)平臺(tái)高度：4.5m；

5）整機(jī)作業(yè)幅度：3.5m；

6）行走速度：4km/h；

7）回轉(zhuǎn)平臺(tái)速度：8rpm；

8）最小轉(zhuǎn)彎半徑：750mm；

9）臂架最大角度：63°；

10）爬坡度：30%；

11）整機(jī)收起外廓狀態(tài) (長×寬×高)：2700×1300×1500mm。

1.1 工作裝置

工作裝置由回轉(zhuǎn)平臺(tái)、三節(jié)絕緣臂和機(jī)器人作業(yè)平臺(tái)組成。回轉(zhuǎn)平臺(tái)通過回轉(zhuǎn)支承與底盤連接，在回轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)及其附屬各部件360度連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。三節(jié)絕緣臂安裝于回轉(zhuǎn)平臺(tái)上，分為大臂、連接臂、前臂，其中大臂鉸接到回轉(zhuǎn)平臺(tái)上，連接臂鉸接于大臂上，前臂鉸接于連接臂上。機(jī)器人作業(yè)平臺(tái)鉸接到前臂上，能夠自動(dòng)調(diào)平。在回轉(zhuǎn)平臺(tái)上還設(shè)有狀態(tài)顯示屏，用于伺服閥、關(guān)節(jié)限位、油位、油壓和電源等狀態(tài)指示。

1.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由六自由度主從操作液壓機(jī)械臂夾持專用作業(yè)工具完成。主從操作液壓機(jī)械臂是高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的核心?，F(xiàn)場作業(yè)時(shí)，操控主手與機(jī)械臂間僅通過光纖通訊，這樣操作人員操控主手控制機(jī)械臂接觸高壓設(shè)備，隔離高壓電場對(duì)作業(yè)人員造成的人身傷害，這也是高壓帶電搶修作業(yè)機(jī)器人最為突出的優(yōu)點(diǎn)。

液壓機(jī)械臂整個(gè)系統(tǒng)主要由機(jī)械臂、操控主手、液壓伺服控制單元、主手控制器、液壓供油單元和外部電源組成[2]，如圖2所示。

圖2 液壓機(jī)械臂系統(tǒng)組成

1.3 平臺(tái)總成

平臺(tái)總成主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、控制閥、回轉(zhuǎn)支承及接頭、液壓油箱、燃油箱、電器部件和配重等組成[3]。

設(shè)定工作機(jī)的行走速度為4km/h，履帶驅(qū)動(dòng)輪半徑200mm，據(jù)選擇的減速馬達(dá)參數(shù)計(jì)算，需馬達(dá)轉(zhuǎn)速為55r/min。

行走馬達(dá)總流量為：

設(shè)定行走時(shí)系統(tǒng)壓力為12MPa時(shí)，泵的輸入功率（即驅(qū)動(dòng)功率）為：

根據(jù)以上要求綜合考慮，選擇日本原裝洋馬4TNV88-SYY發(fā)動(dòng)機(jī)。

1.4 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)采用履帶式移動(dòng)底盤結(jié)構(gòu)，主要由底盤、履帶架、左右行走馬達(dá)、驅(qū)動(dòng)輪、承重輪、履帶、張緊緩沖裝置以及兩側(cè)的四個(gè)液壓支腿組成。左、右行走馬達(dá)、左側(cè)支腿液壓缸Ⅰ和Ⅱ、右側(cè)支腿液壓缸Ⅰ和Ⅱ均通過下部電磁換向閥A組與液壓泵連接?？刂剖直ㄟ^下部電磁換向閥A組驅(qū)動(dòng)左、右行走馬達(dá)，當(dāng)兩條履帶運(yùn)行速度相同時(shí)，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)前進(jìn)或后退運(yùn)動(dòng)，當(dāng)兩條履帶速度不同時(shí)，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。

履帶式行走機(jī)構(gòu)牽引系數(shù)由滾動(dòng)摩擦系數(shù)、爬坡度系數(shù)、滑移轉(zhuǎn)向系數(shù)、加速系數(shù)等因素決定，綜合考慮設(shè)定牽引系數(shù)i=0.8，則：

其中，r為履帶輪半徑，取200mm。

行走馬達(dá)排量為：

其中，Tg為單個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)扭矩，η為機(jī)械效率，取0.9, P為馬達(dá)壓差，取16MPa。

2 電氣控制系統(tǒng)

變電站帶電作業(yè)機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)包括四部分：液壓機(jī)械臂、工作機(jī)移動(dòng)及升降機(jī)構(gòu)、高空攝像機(jī)和帶電作業(yè)工具，其中液壓機(jī)械臂由液壓伺服控制器進(jìn)行控制，工作機(jī)移動(dòng)及升降機(jī)構(gòu)、高空攝像機(jī)、帶電作業(yè)工具由總線控制裝置進(jìn)行控制，如圖3所示。該機(jī)器人控制系統(tǒng)全部通過無線進(jìn)行信號(hào)傳遞，保證了作業(yè)人員與高壓電場完全隔離。

圖3 變電站帶電作業(yè)機(jī)器人電氣控制示意圖

變電站帶電作業(yè)機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)由一臺(tái)工控機(jī)和一套PLC系統(tǒng)組成。工控機(jī)采用工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)構(gòu)成功能強(qiáng)大的人機(jī)交互系統(tǒng)，通過操控主手遠(yuǎn)程無線遙控機(jī)械臂夾持專用設(shè)備或工具完成變電站帶電作業(yè)任務(wù)。PLC選用歐姆龍CP1H，觸摸屏上有3位選擇開關(guān)，分別為手動(dòng)控制、自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制。選擇遠(yuǎn)程控制時(shí)，伺服閥由主手控制。在自動(dòng)控制時(shí)伺服閥受PLC邏輯程序控制，在手動(dòng)控制時(shí)伺服閥由操作人員直接觸摸屏來控制，如圖4所示。

圖4 變電站帶電作業(yè)機(jī)器人硬件連接示意圖

3 液壓控制系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)采用五路進(jìn)口節(jié)流換向閥+手動(dòng)控制+遙控，操縱舉升機(jī)構(gòu)；兩路進(jìn)口比例換向閥遙控前進(jìn)后退轉(zhuǎn)彎；四路進(jìn)口節(jié)流換向閥遙控支腿伸縮；七路液壓伺服閥控制液壓機(jī)械臂各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。液壓鎖、單雙向平衡閥直接固定在油缸上，使其工作更安全可靠。

如圖5所示，液壓油從油箱通過吸油濾油器進(jìn)入機(jī)械臂液壓控制油路，再經(jīng)回油濾油器流回油箱。下部電磁換向閥A組主要控制機(jī)器人前、后兩側(cè)支腿伸縮運(yùn)動(dòng)和工作機(jī)移動(dòng)平臺(tái)行走運(yùn)動(dòng)，通過中央轉(zhuǎn)換接頭、分配閥與液壓泵連接；上裝電磁換向閥B組主要控制大臂、連接臂、前臂俯仰和機(jī)器人作業(yè)平臺(tái)調(diào)平以及回轉(zhuǎn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)上裝控制切換器、分配閥與液壓泵連接；機(jī)械臂液壓伺服閥C組主要控制六自由度液壓機(jī)械臂的腰部回轉(zhuǎn)油缸、大臂俯仰油缸、小臂俯仰油缸、腕部俯仰油缸、腕部擺動(dòng)油缸、手爪開合和腕部旋轉(zhuǎn)馬達(dá)等運(yùn)動(dòng)，通過上裝控制切換器、分配閥與液壓泵連接。中央轉(zhuǎn)換接頭是連接回轉(zhuǎn)平臺(tái)與底盤油路的液壓元件，它保證回轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)任意角度后，行走馬達(dá)還能正常配油。

圖5 變電站帶電作業(yè)機(jī)器人液壓控制示意圖

4 絕緣防護(hù)系統(tǒng)

機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)對(duì)象是帶電的電力設(shè)備，動(dòng)作稍有不慎有可能使機(jī)器人“機(jī)毀人亡”，還有可能給電網(wǎng)帶來災(zāi)難性的故障，所以采取有效的絕緣措施，保證機(jī)器人的絕緣強(qiáng)度是機(jī)器人能否進(jìn)行作業(yè)的首要條件。

圖6 帶電作業(yè)機(jī)器人視頻監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

從操作人員作業(yè)安全角度考慮，采用多級(jí)立體組合絕緣策略實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的絕緣防護(hù)，主要包括主體絕緣和輔助絕緣兩部分。主體絕緣主要由變電站帶電作業(yè)機(jī)器人對(duì)地絕緣、操作人員的人身絕緣安全、設(shè)備及線路相間絕緣組成；輔助絕緣主要由遮蔽工具絕緣防護(hù)和系統(tǒng)配套設(shè)備布置絕緣組成。在抗電磁干擾上，采用有效的電磁兼容技術(shù)，增加機(jī)器人系統(tǒng)抗電磁干擾的能力。

1）變電站帶電作業(yè)機(jī)器人對(duì)地絕緣裝置，主要借助三節(jié)絕緣臂作為升降機(jī)構(gòu)，確保機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)地絕緣。各節(jié)絕緣臂對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)油缸均采用絕緣油缸。

2）操作人員的人身絕緣安全裝置，主要采用遠(yuǎn)程遙控指揮車遠(yuǎn)程遙控完成作業(yè)，與高壓設(shè)備電場完全隔離。操控主手安裝在遠(yuǎn)程遙控指揮車控制工作臺(tái)上操作機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。操控主手與機(jī)械臂是同構(gòu)的，采用液壓伺服驅(qū)動(dòng)，機(jī)械臂可以完全跟隨操控主手來運(yùn)動(dòng)。

3）設(shè)備及線路相間絕緣裝置，主要包括機(jī)械臂的絕緣護(hù)套和機(jī)器人絕緣作業(yè)平臺(tái)。機(jī)械臂通過支承絕緣子安裝于機(jī)器人絕緣作業(yè)平臺(tái)底架上面，采用專用橡膠絕緣護(hù)套，起到遮蔽或隔離的保護(hù)作用，防止發(fā)生相間短路；機(jī)器人絕緣作業(yè)平臺(tái)為硬鋁合金焊接而成，裸露型材表面均用環(huán)氧玻璃布纏繞，底架采用環(huán)氧絕緣板外包，防止平臺(tái)作業(yè)時(shí)接觸兩相高壓導(dǎo)線造成短路。

5 通訊及監(jiān)控系統(tǒng)

工作機(jī)和遠(yuǎn)程遙控指揮車之間全部控制系統(tǒng)通過無線進(jìn)行信號(hào)傳遞，保證了作業(yè)人員與高壓電場完全隔離。操作者借助攝像機(jī)回傳的視頻信息，通過監(jiān)控完成目標(biāo)物的類型識(shí)別、姿態(tài)分析、操作決策。立體攝像機(jī)可以在圖像中獲取水平方向360度的環(huán)境信息，利用全方位視覺的這個(gè)特點(diǎn)，立體攝像機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)作業(yè)平臺(tái)、機(jī)械臂、工具系統(tǒng)、高壓設(shè)備等全方位實(shí)時(shí)的監(jiān)控。當(dāng)機(jī)器人作業(yè)平臺(tái)到達(dá)作業(yè)位置時(shí)，通過追蹤攝像機(jī)進(jìn)行更精確的定位，如圖6所示。各個(gè)攝像機(jī)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過光纖傳輸?shù)娇刂剖覂?nèi)，經(jīng)過工控機(jī)處理，獲取場景的視覺信息。在安全區(qū)域內(nèi)，操作者坐在駕駛室內(nèi)，通過圖像顯示屏實(shí)時(shí)觀察機(jī)械臂作業(yè)姿態(tài)，采用主從控制式操控主手遠(yuǎn)程無線遙控機(jī)械臂夾持專用工具接觸高壓設(shè)備或線路帶電作業(yè)。

6 結(jié)論

根據(jù)變電站220kV帶電作業(yè)工藝和作業(yè)環(huán)境需要，設(shè)計(jì)一種新型變電站帶電作業(yè)機(jī)器人。該機(jī)器人裝置從操作人員作業(yè)安全角度考慮，從而利用機(jī)器人代替人工完成變電站帶電作業(yè)任務(wù)，操作人員位于安全區(qū)域內(nèi)，避免直接接觸高壓設(shè)備，極大提高了操作人員帶電作業(yè)安全性能，并對(duì)我國變電站作業(yè)方式產(chǎn)生積極變革作用。

[1]上海市電力公司組.10kV架空配電線路帶電作業(yè)指導(dǎo)書[M].北京：中國電力出版社,2007.

[2]GRIPS Manipulator System Manual 003-5005-00 Rev6.

[3]吳宗澤主編.機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)（第二版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2008.