變電站帶電作業(yè)水沖洗機(jī)器人的研制

李 健，魯守銀，董 旭

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250002；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250101；3.山東建筑大學(xué)，濟(jì)南 250101）

0 引言

變電站絕緣子串裸露在戶外環(huán)境時(shí)，需要定期的對(duì)表面的工業(yè)污穢和自然污穢進(jìn)行清掃沖洗，以防止由于污穢的積累，在雨霧等惡劣天氣發(fā)生污閃現(xiàn)象，造成停電等事故[1]。目前國內(nèi)帶電沖洗作業(yè)大都采用人工沖洗的方式，由人工手持沖洗桿，采用兩槍或三槍跟蹤沖洗方法進(jìn)行水沖洗作業(yè)，這種沖洗方法對(duì)操作人員的技術(shù)要求很高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，存在一定的安全隱患。國外主要采用帶電水沖洗的方法進(jìn)行絕緣子的污穢沖洗，意大利Pisa University[2]通過用直升機(jī)安放帶電水沖洗機(jī)器人的方法進(jìn)行沖洗，這種沖洗方式的成本過高，無人機(jī)的工作受到天氣狀況的影響；美國的Florida Power & Light Co.采用變電站的固定水沖洗系統(tǒng)進(jìn)行沖洗作業(yè)；日本的Kyushu電子電力公司和安川電子公司共同研制的帶電作業(yè)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)雙臂清掃[3]。在國內(nèi)的帶電沖洗設(shè)備的研究從“氣控絕緣子帶電清掃及監(jiān)測(cè)機(jī)具”開始，武漢高壓研究所研究的500kV直流絕緣瓷瓶清潔機(jī)器人，超高壓帶電自動(dòng)清掃機(jī)以及叉車裝配超高壓帶電自動(dòng)清掃機(jī)具等；上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所研制HVCR-Ⅰ采用輕型卡車作為移動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過剪叉式升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行清掃作業(yè)，存在體積大，剪叉式升降機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性差等問題[4]；HVCR-Ⅱ在移動(dòng)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，然而自動(dòng)清掃速度慢，效率低的問題限制其使用范圍。本文所述的變電站帶電作業(yè)水沖洗機(jī)器人采用履帶式移動(dòng)底盤，伸縮臂式升降結(jié)構(gòu)，體積小巧，能夠在變電站內(nèi)行動(dòng)靈活行走，對(duì)變電站絕緣子等設(shè)備表面污穢進(jìn)行帶電水沖洗作業(yè)時(shí)穩(wěn)定性高，能夠減輕人工作業(yè)強(qiáng)度，提高操作安全性，沖洗效率高。

1 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

變電站帶電作業(yè)水沖洗機(jī)器人主要由底盤移動(dòng)機(jī)構(gòu)，升降機(jī)構(gòu)，液壓系統(tǒng)，電控系統(tǒng)以及絕緣防護(hù)系統(tǒng)組成，如圖1所示。底盤移動(dòng)機(jī)構(gòu)為履帶式移動(dòng)底盤結(jié)構(gòu)，履帶式底盤具有著地面積大，著地壓強(qiáng)小，粘著力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，機(jī)器人可以適應(yīng)變電站不同的路面條件，能夠跨越溝道和電纜溝，自帶動(dòng)力可在變電站室外道路和設(shè)備區(qū)內(nèi)無障礙運(yùn)動(dòng)；升降機(jī)構(gòu)安裝在底盤移動(dòng)機(jī)構(gòu)上，其末端為兩自由度噴槍，升降機(jī)構(gòu)能夠?qū)姌屚婆e相應(yīng)作業(yè)位置，噴槍作業(yè)平臺(tái)具有自調(diào)平功能；液壓系統(tǒng)采用全液壓驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)，可以在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)大范圍的無機(jī)調(diào)速，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)工作循環(huán)和自動(dòng)過載保護(hù)；電控系統(tǒng)由電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，電氣系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)向用電設(shè)備供電及蓄電池的充電，控制發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)與停止，保持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，測(cè)量角度與位移進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)算法運(yùn)動(dòng)；控制系統(tǒng)包括車載子系統(tǒng)和遙控子系統(tǒng)，車載子系統(tǒng)和遙控子系統(tǒng)都具備整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)顯示和控制指令的實(shí)現(xiàn)等功能，車載子系統(tǒng)和遙控子系統(tǒng)可以通過無線方式通信；絕緣防護(hù)系統(tǒng)采取絕緣臂與高電阻率水柱長(zhǎng)度結(jié)合的組合絕緣模式，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在帶電作業(yè)時(shí)的整體絕緣。

圖1 變電站帶電作業(yè)水沖洗機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

變電站帶電作業(yè)水沖洗機(jī)器人的主要參數(shù)：

1）整機(jī)質(zhì)量：2000kg

2）機(jī)器人平臺(tái)裝載質(zhì)量：120kg

3）機(jī)器人作業(yè)平臺(tái)高度：7m

4）整機(jī)作業(yè)幅度：3.5m

5）行走速度：5km/h

6）回轉(zhuǎn)平臺(tái)速度：8rpm

7）最小轉(zhuǎn)彎半徑：750mm

8）臂架最大角度：65°

9）爬坡度：30°

1 0）整機(jī)收起外廓狀態(tài) (長(zhǎng)×寬×高)：3020×1300×1500mm

11）柴油發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率：25kW

12）發(fā)動(dòng)機(jī)排量：2.19L

13）發(fā)動(dòng)排額定轉(zhuǎn)速：2200RPM

14）水槍出水壓力：0～3Mpa

1.1 底盤移動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人的底盤移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用履帶式移動(dòng)底盤結(jié)構(gòu)，主要由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，齒輪泵，履帶架底盤，行走馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)輪，支撐輪，從動(dòng)輪，履帶，張緊緩沖裝置以及兩側(cè)的四個(gè)液壓支腿組成。柴油箱位于底盤左側(cè)，液壓油箱位于底盤右側(cè)，液壓支腿鉸接在底盤四周。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用IKY履帶（車輪）用液壓傳動(dòng)裝置，由具有制動(dòng)功能的閥組、液壓馬達(dá)、制動(dòng)器、一級(jí)行星減速器組成，其輸出可直接與驅(qū)動(dòng)輪連接。機(jī)器人行走過程中，支腿收起位于兩側(cè)，在沖洗作業(yè)時(shí)，支腿張開，提高機(jī)器人的穩(wěn)定性。

1.2 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降機(jī)構(gòu)主要由回轉(zhuǎn)平臺(tái)，兩級(jí)伸縮臂，調(diào)平機(jī)構(gòu)以及水槍噴嘴結(jié)構(gòu)組成。回轉(zhuǎn)平臺(tái)與底盤移動(dòng)機(jī)構(gòu)通過回轉(zhuǎn)支承連接，回轉(zhuǎn)馬達(dá)提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)平臺(tái)及其附屬件的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，比例控制箱螺栓連接于回轉(zhuǎn)平臺(tái)后端；兩級(jí)伸縮臂與回轉(zhuǎn)平臺(tái)鉸接，包括大臂、連接臂和前臂，大臂與連接臂采用槽型對(duì)扣結(jié)構(gòu)，前臂兩端加框架接頭，伸縮臂之間的有移動(dòng)滑塊，便于臂的伸出與縮回，大臂與變幅油缸鉸接，連接臂頭端安裝鏈輪，保證伸縮臂在伸出和縮回時(shí)的同步性，前臂采用高強(qiáng)度玻璃鋼材質(zhì)，達(dá)到絕緣的要求；調(diào)平機(jī)構(gòu)采取靜液壓調(diào)平模式，主體有兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的調(diào)平液壓缸組成，調(diào)平液壓缸Ⅰ位于回轉(zhuǎn)平臺(tái)與大臂之間，調(diào)平液壓缸Ⅱ安裝在前臂與工作臺(tái)之間的，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。兩個(gè)調(diào)平油缸的有桿腔相連，無桿腔相連，使得當(dāng)調(diào)平液壓缸Ⅰ長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，與工作平臺(tái)相連的調(diào)平液壓缸Ⅱ長(zhǎng)度發(fā)生相反方向的變化。在系統(tǒng)中安裝補(bǔ)油裝置，以防止密封和接頭處的泄漏影響到調(diào)平機(jī)構(gòu)的調(diào)平特性。

圖2 調(diào)平機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

水槍噴射機(jī)構(gòu)包括水槍，跟蹤攝像機(jī)，俯仰油缸和擺動(dòng)油缸等。擺動(dòng)油缸與工作臺(tái)連接，俯仰油缸連接在擺動(dòng)油缸上，從而實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)與俯仰的沖洗動(dòng)作；水槍安裝于水槍架上，進(jìn)行沖洗作業(yè)，在機(jī)器人的水槍架上安裝跟蹤攝像機(jī)，以便于觀察水沖洗作業(yè)情況，接受反饋信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。水槍噴射機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 水槍噴射機(jī)構(gòu)

1.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)采用全液壓驅(qū)動(dòng)與控制，以適用于水沖洗機(jī)器人在變電站內(nèi)進(jìn)行沖洗作業(yè)的特殊工況。液壓系統(tǒng)主要由液壓馬達(dá)，支腿油缸，變幅油缸，伸縮油缸，俯仰油缸，擺動(dòng)油缸，絕緣油管以及電磁閥組成，根據(jù)液壓泵的技術(shù)參數(shù)選擇丹弗斯PVG32比例閥，采用模塊化結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)作業(yè)需求組成液壓閥組，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)

【68】 第37卷 第5期 2015-05(下)為整機(jī)提供動(dòng)力源，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出連接通過聯(lián)軸器連接變量柱塞泵。液壓油從油箱，經(jīng)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。安全保護(hù)模塊主要由單向閥與溢流閥構(gòu)成，單向閥為控制油液回流，安全閥其過載保護(hù)功能，壓力表通過壓力表開關(guān)與油路相連，并實(shí)時(shí)顯示油路液壓油壓力。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)，通過中央回轉(zhuǎn)接頭、分配閥與液壓泵連接；上裝電磁換向閥B組主要控制回轉(zhuǎn)平臺(tái)、大臂、連接臂、俯仰油缸和擺動(dòng)油缸，經(jīng)上裝控制切換按鈕、分配閥與液壓泵連接；中央回轉(zhuǎn)接頭是聯(lián)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。液壓控制原理圖如圖4所示。

圖4 液壓控制原理圖

1.4 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變電站帶電水沖洗機(jī)器人電控系統(tǒng)由電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。

電氣系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)、蓄電池、機(jī)械臂傳感器系統(tǒng)、電源管理模塊、通信系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，向所有用電設(shè)備供電，同時(shí)向蓄電池充電。蓄電池包括動(dòng)力和控制電池和機(jī)械臂傳感器電池。動(dòng)力和控制電池負(fù)責(zé)給液壓電磁閥、比例閥、車載子系統(tǒng)等供電。機(jī)械臂傳感器電池負(fù)責(zé)給機(jī)械臂角度傳感器、位移傳感器、通信模塊等供電。機(jī)械臂傳感器負(fù)責(zé)采集機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的角度和位移信息。電源管理模塊負(fù)責(zé)電源的穩(wěn)壓、保護(hù)、充電、報(bào)警等。電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

變電站帶電作業(yè)水沖洗機(jī)器人控制硬件系統(tǒng)包括：工控機(jī)、遙控手柄、觸摸屏、按鍵、無線CLIENT、無線AP、串口服務(wù)器、TRIO控制器、角度傳感器、攝像機(jī)和HUB等組成。其系統(tǒng)連接圖如下圖所示。該系統(tǒng)通過控制液壓比例閥的開度，實(shí)現(xiàn)大臂旋轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂伸縮、平臺(tái)俯仰、平臺(tái)旋轉(zhuǎn)及移動(dòng)車體的移動(dòng)精確控制，并通過在機(jī)械臂各關(guān)節(jié)處安裝的角度及位移傳感器，實(shí)現(xiàn)水沖洗機(jī)器人運(yùn)動(dòng)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)硬件組成如圖6所示。

圖5 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖6 系統(tǒng)硬件組成

1.5 絕緣防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

絕緣防護(hù)系統(tǒng)由機(jī)器人本體的絕緣臂和高電阻率水柱相結(jié)合的組合絕緣措施。機(jī)器人本體伸縮臂中的前臂采用高強(qiáng)度玻璃鋼材質(zhì)，既滿足強(qiáng)度要求，又達(dá)到絕緣的要求；帶電水沖洗的水經(jīng)過凈化處理，凈化后的水電阻率不低于100kkΩ·.cm。每次沖洗前都應(yīng)用合格的電導(dǎo)率儀測(cè)量水電阻率，測(cè)量時(shí)應(yīng)從水槍出口處取水樣進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 18037—2000帶電作業(yè)工具基本技術(shù)要求與設(shè)計(jì)導(dǎo)則》探討，在不同天氣、濕度等因素下，不同電壓等級(jí)所對(duì)應(yīng)的間隙，確定噴嘴離帶電設(shè)備的距離。

變電站水沖洗機(jī)器人絕緣性能參數(shù)：

1）整機(jī)絕緣等級(jí)：220kV絕緣。

2）變電設(shè)備帶電水沖洗的水電阻率不小于100kkΩ·.cm。

3）水沖洗車體電氣系統(tǒng)和噴槍須采用設(shè)有等電位連接線并接地，接地電阻小于1kΩ·。

2 機(jī)器人樣機(jī)研制與試驗(yàn)

根據(jù)以上方案設(shè)計(jì)，研制出變電站帶電作業(yè)水沖洗機(jī)器人的試驗(yàn)樣機(jī)，如圖7所示。

圖7 變電站帶電作業(yè)水沖洗機(jī)器人的試驗(yàn)樣機(jī)

由于機(jī)器人的絕緣防護(hù)系統(tǒng)采取的是絕緣臂與高電阻率水柱相結(jié)合的組合絕緣方式，因此在沖洗之前對(duì)純水制備系統(tǒng)進(jìn)行了水壓、水阻率、制水速度和最大流量進(jìn)行了檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 純水制備系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果

針對(duì)變電站帶電作業(yè)水沖洗機(jī)器人機(jī)械性能、控制系統(tǒng)可靠性及沖洗效果等，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。沖洗作業(yè)時(shí)，移動(dòng)底盤結(jié)構(gòu)的液壓支腿支撐地面以提高機(jī)器人的整體穩(wěn)定性，回轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)指定角度，伸縮臂伸出至安全距離，在遠(yuǎn)程控制的情況下采用雙槍對(duì)沖，一沖四回的沖洗作業(yè)方式進(jìn)行沖洗作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖8所示。

圖8 變電站帶電作業(yè)水沖洗機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了防止沖洗時(shí)濺射的水霧沾濕相鄰的絕緣子，從而發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象，需對(duì)沖洗角度進(jìn)行控制。沖洗角度α為水柱與所沖洗的絕緣子和相近的絕緣子的連線之間的銳角，如圖9所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)沖洗角度為45°時(shí)，相近的絕緣子會(huì)被濺濕，因此沖洗角度α應(yīng)小于45°。

圖9 沖洗角度

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)變電站帶電作業(yè)水沖洗機(jī)器人機(jī)械性能與控制系統(tǒng)可靠性良好，機(jī)器人能夠在遠(yuǎn)程控制的情況下到達(dá)指定位置，并進(jìn)行沖洗作業(yè)。變電站帶電作業(yè)水沖洗機(jī)器人沖洗作業(yè)后，絕緣支柱上流下的水為清水，無污垢及污水滴落，且絕緣子片表面光潔明亮，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13395-2008《電力設(shè)備帶電水沖洗導(dǎo)則》，機(jī)器人沖洗后的效果滿足變電站設(shè)備沖洗干凈的判定要求，沖洗效果圖如圖10所示。

圖10 沖洗后效果

3 結(jié)論

根據(jù)變電站作業(yè)環(huán)境，設(shè)計(jì)一種新型的變電站帶電作業(yè)水沖洗機(jī)器人。該機(jī)器人采用履帶式移動(dòng)平臺(tái)及絕緣升降機(jī)構(gòu)，可在變電站室外道路和設(shè)備區(qū)無障礙自由運(yùn)動(dòng)，采用高水阻率和噴射距離的智能噴水系統(tǒng)，在不同天氣、濕度等因素下，結(jié)合噴射水柱長(zhǎng)度對(duì)泄漏電流的影響，確定噴嘴離帶電設(shè)備的最佳噴射距離。融合實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，無線通訊技術(shù)與基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的角度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用加速度傳感器、陀螺儀和地磁的傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)角度的無線精確監(jiān)測(cè)。在保證帶電沖洗作業(yè)的同時(shí)，極大的保障了技術(shù)人員的安全，減少了停電作業(yè)的損失，為變電站帶電沖洗作業(yè)提供了一種新的解決方案。

[1] 車 立新 ,楊 汝清,顧毅.22 0- 3 3 0 K V 變 電 設(shè) 備 高 壓 帶 電 清 掃 機(jī) 器 人設(shè) 計(jì)[J].機(jī)器人,2005,27(2):102-107.

[2] Pelacchi P.Automatic hot line insulator washing device positioned by helicopter[C].Proceedings of IEEE 8th International Conference on Transmission & distribution Construction, Operation & Liveline Maintenance. Piscataway, NJ, USA:IEEE,1998:133-143.

[3] Nakashima M,Yakabe H,Maruyama Y. Application of semiautomatic robot technology on hot-line maintennance work[C].IEEE International Conference on Robotics and Automation.Nagoya,Japan:1995:843-850.

[4] 顧毅,翁新華,等.關(guān)節(jié)式超高壓帶電清掃機(jī)器人HVCR-Ⅱ[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2006,40(12):2173-2176,2181.

[5] 孔祚.超高壓帶電清掃機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].上海:上海交通大學(xué),2008.

[6] 房光輝.高壓帶電清掃機(jī)器人移動(dòng)載體的研究[D].上海:上海交通大學(xué),2008.

[7] 李向東,魯守銀,等.一種基于變電站使用的移動(dòng)機(jī)器人介紹[J].山東電力技術(shù),2005,(03):3-6,10.

[8] 湯君茂.帶電清掃機(jī)器人液壓自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].上海:上海交通大學(xué),2009.

[9] 楊汝清,顧毅,等.關(guān)節(jié)式帶電清掃機(jī)器人的絕緣性及安全性設(shè)計(jì)[J].機(jī)器人,2006,28(02):149-153.

[10] 車立新,楊汝清,顧毅,等.帶電清掃機(jī)器人絕緣安全分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005,39(12):2011-2015.

[11] 胡 元 .高 空 作 業(yè) 車 工 作 平 臺(tái) 調(diào) 平 機(jī) 構(gòu) [J].工 程 機(jī) 械 ,2006,37(12):34-36.