一種輸電線路絕緣子串檢測機器人機構設計

引言

絕緣子是工作在高壓輸電線上的一種絕緣體,它將高壓輸電線桿與輸電線連接起來,在這樣特殊的環(huán)境下工作,必定對絕緣體有著特別高的要求,它不僅要求絕緣體具有較強的機械性能,同時還要求有較高的絕緣性能。輸電線路的絕緣子工作在自然環(huán)境中,經(jīng)受著高電壓的影響及長時間的外部環(huán)境侵蝕,絕緣性能難免下降,進而變成不良的絕緣子,而不良的絕緣子嚴重威脅著電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。因此,針對長期工作在高壓輸電線路中絕緣子的檢查工作顯得尤為重要,檢查絕緣子的狀態(tài),有利于保證高壓輸電線路安全工作。隨著電壓等級的提高絕緣子串長度也在不斷增加,采用傳統(tǒng)的人工方法進行檢測難度也大大增加,因此新型檢測設備的研制越來越重要。為了代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工操作的檢測方法,對于自動檢測機器人檢測技術進行研究進而實現(xiàn)高效的帶電自動檢測迫在眉睫。

目前,國內外關于懸垂絕緣子檢測機器人的研究甚為廣泛,伴隨產(chǎn)生了多種機器人。根據(jù)行走機構工作原理,可以分為三種形式,分別為蠕動式、履帶式和輪腿式。依據(jù)仿生學原理的行走形式,蠕動式行走機構沿著懸垂絕緣子串蠕動爬行,如韓國電力研究院研制的懸垂絕緣子清掃機器人和美國電力研究院研制的1ke機器人,該行走機構具有運動穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點,其主要的缺點是步態(tài)控制復雜。高壓絕緣子維護清掃機構由意大利學者LuigiParis研發(fā),采用履帶式的行走機構,通過履帶沿著絕緣子表面滾動式地爬行,該機構具有良好的適應能力和承載能力,被廣泛應用于各類越障機器人中,但其結構較復雜,機器尤為笨重。輪腿式行走機構是利用多組輪腿與絕緣子瓷裙交替接觸來實現(xiàn)沿著懸垂絕緣子串運動,韓國電力研究院研制的絕緣子檢測機器人和中國科學院沈陽自動化研究所研制的葉輪滾動式懸垂絕緣子檢測機器人都采用了輪腿式行走機構。輪腿式行走機構工作原理簡單,運動連續(xù)性好,體積輕便,但其對不同絕緣子串的適應性、運動穩(wěn)定性及承載能力較弱。

絕緣子串長期工作在自然環(huán)境下的輸電線路上,根據(jù)這一外部自然環(huán)境特點,考慮到檢測任務較為嚴峻,結合現(xiàn)有新型裝置機構的優(yōu)勢,本文提出了一種新型絕緣子檢測機器人機構。這種新型檢測機構可以分為四部分,分別是固定安裝支架、行走驅動裝置、導向裝置及檢測裝置。新型機構的行走移動方式特別,不依賴于絕緣子串本體,可以適應不同的絕緣子串,例如水平、垂直、單串以及雙聯(lián)或其他絕緣子串。該新型檢測機構優(yōu)勢較多,它不僅結構簡單、上串操作簡單,還有著較好的適應性、較快的移動速度,同時對絕緣子磨損較小,檢測準確率及可靠性較高。

1任務需求與環(huán)境描述

在架空輸電線路中,比較常見的絕緣器件是盤形懸式絕緣子,根據(jù)《劣化盤形懸式絕緣子檢測規(guī)程》(DL/T626一2005)中的要求,針對分布電壓、絕緣電阻要進行定期測量,同時這也是工頻耐壓實驗中的一項重要檢測內容。

通常而言,只會將絕緣子串處于鉛垂狀態(tài)的情況納入研究中,這種狀態(tài)的表現(xiàn)形式是所有絕緣子片的軸線處于同一條直線上,如圖1(a)所示。實際上會有一些偏差,因為相鄰兩個絕緣子片通過鐵帽和鋼腳連接,這樣僅控制了高度方向的參數(shù)和位移,對相對轉動并沒有影響。根據(jù)《絕緣子串元件的球窩連接尺寸》(GB/T4056一2008),相鄰絕緣子片間臨界夾角按不同連接標記規(guī)定為9°~12°,同時受到外界因素影響,如自然彎曲、安裝誤差等因素,實際輸電線路中的絕緣子串軸線會出現(xiàn)一段小角度范圍內彎曲的空間曲線,如圖1(b)所示?，F(xiàn)階段,人工登塔帶電檢測是國內比較常見的檢測輸電線路瓷質絕緣子的方法,該方法主要工作原理如下:電力操作人員登上鐵塔,利用攜帶的絕緣桿將絕緣子檢測裝置靠近絕緣子,并使絕緣子檢測裝置的探針與相鄰兩絕緣子的鐵帽可靠接觸,進行絕緣電阻的測量,根據(jù)阻值的大小來判斷是否為低值絕緣子。圖1所示正是電力操作人員在檢測耐張瓷質絕緣子串。

2絕緣子串檢測機器人設計

2.1絕緣子串檢測機器人構型分析

機器人結構示意圖如圖2所示,該機構主要由四部分組成,分別為固定安裝支架、行走驅動裝置、導向裝置以及檢測裝置。固定安裝支架一側是絕緣齒條類型,起著驅動行走裝置的作用,利用齒輪與絕緣齒條相嚙合驅動行走驅動裝置。在行走驅動裝置上安裝了導向裝置,行走驅動裝置的一側與檢測裝置相連接,這樣四個組成部分就關聯(lián)了起來。通過如下方式實現(xiàn)輸電線路絕緣子串的逐片檢測:行走驅動裝置在齒輪與齒條嚙合的驅動下移動行走,并將檢測裝置送達預先設定好的位置,探針旋轉后搭接到鋼帽上,以實現(xiàn)檢測工作。

固定安裝支架由三個重要部分組成,分別是固定安裝座、絕緣齒條和拉簧。將固定安裝座的一端固定在輸電線路鐵塔塔材上,較鏈與絕緣齒條與另一端連接,使用一根拉簧將固定安裝座與絕緣齒條連接。行走驅動裝置主要包含下列組成部分:驅動電機、驅動齒輪、驅動齒輪安裝座、從動齒輪、從動齒輪安裝座及控制箱體。驅動齒輪安裝座和從動齒輪安裝座分別安裝在控制箱體的兩端,驅動電機和驅動齒輪安裝在驅動齒輪安裝座上,從動齒輪安裝在從動齒輪安裝座上:另外,電子控制元件及無線傳輸系統(tǒng)安裝在控制箱體中,位置傳感器安裝在控制箱外。

通過齒輪、齒條嚙合傳動驅動機器人上下移動,進而實現(xiàn)該新型機構的行走移動,這種驅動方式不僅行走速度快、到位準確,而且檢測效率較高。這種新型設計方式對絕緣子串的本體要求較低,可適應、應用于多種形式的絕緣子串。該機構行走驅動部分與絕緣子串互不接觸,只有導向架存在局部接觸,承受著的阻力較小,因而對絕緣子片涂層的磨損較小。使用這種新型機構裝置,僅僅需要將固定安裝座連接到桿塔塔材的合適位置,不需在絕緣子串上安裝檢測機器人。電機通過齒輪直接驅動檢測裝置的探針進行運動,檢測操作平穩(wěn),穩(wěn)定性好,搭接絕緣子鋼帽的可靠性高,進而確保了檢測數(shù)據(jù)的有效性。同時導向裝置起著保護作用,能夠確保機器人完成工作,不會從輸電線的絕緣子串上掉落,保證了機器人自動、安全、穩(wěn)定、可靠地完成檢測工作。

2.2檢測裝置

如圖3所示,絕緣子檢測裝置主要由探針、電機和齒輪三部分構成。

將檢測機器人主體送達預先設定的位置,啟動電機,并驅動旋轉關節(jié),在相鄰兩個絕緣子片間,將檢測探針搭接到其鐵帽上,進而實現(xiàn)檢測裝置對絕緣子片絕緣電阻值的自動檢測。)23工作流程分析

采用該機構對輸電線路絕緣子串劣化絕緣子片進行檢測,主要有兩種狀態(tài):行走狀態(tài),如圖4(a)所示,探針旋轉避開絕緣子串:檢測狀態(tài),如圖4(b)所示,旋轉探針到鋼帽處,與鋼帽連接。

絕緣子串檢測機器人工作原理如下:

第一步,吊裝上塔。將整個機器人系統(tǒng)吊裝到待作業(yè)的輸電線路桿塔上,然后固定安裝座連接到待作業(yè)絕緣子串上方的塔材上。

第二步,安裝上串。將導向裝置安裝在輸電線路待檢測的絕緣子串上,使導向架緊靠在絕緣瓷瓶的瓶沿上。

第三步,行走到位。行走驅動裝置中的驅動電機動作,驅動齒輪沿絕緣齒條帶動機器人本體向導線方向行走,當位置傳感器檢測到信號后,驅動電機停止轉動。

第四步,逐片檢測。控制探針驅動電機動作,帶動探針向待檢測的絕緣子片方向轉動,待探針可靠搭接到待檢測絕緣子片的鋼帽后驅動電機停止轉動,絕緣子檢測裝置開始進行檢測工作,檢測完成后控制探針驅動電機動作,帶動探針返回初始位置。

第五步,完成檢測。重復第三步及第四步的行走及檢測過程進行下一片絕緣子片檢測,直到完成絕緣子串所有絕緣子片的檢測。

第六步,吊裝下塔。完成檢測作業(yè)后,行走驅動裝置中的驅動電機動作,驅動齒輪沿絕緣齒條帶動機器人本體向桿楷楷材方向行走,直到回到機器人初始安裝位置,從桿塔塔材上拆除固定安裝座,再將整個機器人系統(tǒng)吊裝下塔,檢測過程結束。

3機運動仿真證

結合上文的分析和設計尺寸,這里采用三維模擬的方式,構建了機器人機構及其工作環(huán)境下的模型結構,三維模型如圖5所示。絕緣子串的中心線與垂線之間存在一定的夾角,稱其為θ,不同的θ值代表絕緣子串不同的狀態(tài)環(huán)境,通過改變θ值,模擬不同狀態(tài)下的三維模型。當θ≈0o時,絕緣子串為鉛錘狀態(tài),一般為直線塔處的絕緣子串:當0o<θ<80o時,絕緣子串處于傾斜的工作狀態(tài),通常處于耐張塔處的絕緣子串為這種狀態(tài)。

如前文所述,機器人行走到一定位置后,停止運動,探針轉動搭接到絕緣子兩側的鋼帽處,探測其阻值,完成檢測工作。結合障礙物的特點及機器人的工作環(huán)境,機器人末端的運動軌跡規(guī)劃示意圖如圖6(a)所示,機器人在齒輪、齒條傳動驅動作用下,沿絕緣子串實現(xiàn)上下移動,當?shù)竭_指定位置后,齒輪傳動停止:檢測裝置處的驅動電機通過齒輪傳動驅動探針轉動,完成探針與鋼帽的搭接,停留一定時間,完成阻值檢測:檢測后,檢測裝置處的驅動電機通過齒輪傳動驅動探針反向轉動,完成探針與鋼帽的脫離:然后機器人在齒輪、齒條驅動作用下沿絕緣子串繼續(xù)移動。

采用step函數(shù)規(guī)劃各驅動裝置速度,step函數(shù)如下所示:

式中,λ為變量參數(shù):h0為初始變量λ0的初始值:h1為終止變量λ1的終止值。

圖6(b)分別仿真了沿不同傾斜角度的絕緣子串移動時,即θ=0o、16o、+2o、48o、64o、80o時機器人需要的驅動力,從圖中可知傾斜角度越小所需的驅動力越小,機器人可以在較大傾斜角度的絕緣子串上完成行走作業(yè),這個最大的傾斜角度可以為80o。由此可以得到以下結論:機器人可以在多種類型的絕緣子串上工作,適用于水平、垂直等不同傾斜角度的絕緣子串。

從圖6(c)可以得到,傾斜角度直接影響著機器人與絕緣子串的接觸力,兩者之間的接觸力隨著傾斜角度的增大而變大,這里最大的接觸力不超過400N,接觸力越小,對絕緣子串的損傷也越小,進而驗證了新型機器人機構設計的合理性、工作運行的可行性。

4結語

根據(jù)高壓輸電線路絕緣子串檢測工作的特點及實際檢測工作需要,本文設計了一種新型絕緣子串檢測機器人機構。根據(jù)分析數(shù)據(jù)及三維仿真結果可知,這種新型的檢測機器人,通過齒輪、齒條嚙合直接驅動行走裝置,不依賴絕緣子串本體,適用于多種形式的絕緣子串。同時驅動裝置與絕緣子串并不接觸,對絕緣子串的磨損較小。同現(xiàn)階段的其他絕緣子串檢測機器人機構相比,這種新型的檢測機器人,不僅結構簡單,上串操作簡單,還有著較好的適應性,較快的移動速度,同時對絕緣子片磨損較小,檢測準確率及可靠性較高。