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架空输电线路机器人全自主巡检系统及示范应用

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架空输电线路机器人全自主巡检系统及示范应用 Full Automatic Inspection System and Its DemonstrationApplication Based on Robot for Overhead Transmission Lines 彭向阳 1, 钱金菊 1, 吴功* 2, 麦晓明 1, 魏莱 3, 饶章权 1 1. 广东电网有限责任公司电力科学研究院,广州 510080 2. 武汉大学动力与机械学院,武汉 430072 3. 广东电网有限责任公司惠州供电公司,惠州 516001 基金项目: 南方电网公司重点科技项目(K-GD2014-0621); 国家高技术研究发展计划(863 计划)(2006AA04Z202); Project supported by Key Science and Technology Project of China Southern Power Grid Co; , Ltd; (K-GD2014-0621), National High-tech Research and Development Program of China(863 Program) (2006AA04Z202);

摘要
机巡作业是当前电力巡检的主要发展方向,但与直升机、无人机以及变电站机器人相比,我国 输电线路机器人巡检尚未达到实用化水*。为此,对输电线路机器人实用化巡检关键技术开 展了研究,建立了机器人典型作业模式,研发了穿越式、跨越式两类巡检机器人,提出了机器人 行走路径改造方法,首次设计了机器人自动上下线装置,并完成了机器人全自主巡检系统的研 制。机器人通过了多种复杂自然环境和电磁环境工况的试验考核,以及户外真型线路试验段 的功能测试,在 500 kV 带电运行线路开展示范应用,对线路设备同时进行可见光和红外检测。 巡检中暴露了巡检系统存在的问题并进行分析解决,提出了机器人异常情况下的紧急救援措 施并成功开展带电救援作业。 机器人单次巡检里程达到 10 km 以上,巡检应用取得良好效果, 机器人巡检系统达到一定的实用化水*。

关键词 : 架空输电线路; 机器人; 巡检系统; 全自主巡检; 机器人自主上下线; 应急救援; 示范 应用; DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20170731019

ABSTRACT
Robot inspecting is the main development direction of the electric inspection, but compared with helicopters, UAVs, and substation inspection robot, inspection robot for transmission lines in China has not yet reached a practical level. We studied the key technology of robot practical inspection for transmission line, and put forward several typical operation modes of robot inspecting. Moreover, we developed two kinds of inspection robot of robot to pass obstacles and robot to cross obstacles ,and proposed a transformation method of robot walking path.For the first time, we designed the device of robot autonomous on-line and off-line, and implemented the development of independent inspection system of robot. The robot has got through a variety of complex nature, electromagnetic environment condition test and outdoor function test based on really line section, and has carried out the demonstrational application on 500 kV live operation line. The robot can carry out simultaneously visible light and infrared detection. In the inspection, the problems of inspection system are exposed and solved, the emergency rescue measures under the abnormal situation of the robot are put forward and carried out successfully. The robot has a single time inspection mileage of 10 km or more, and the inspection application has achieved good results, the robot inspection system has reached a certain practical level.

KEY WORDS : overhead transmission lines; robot; inspection system; full automatic inspection; robot autonomous on-line and off-line; emergency rescue; demonstration application;

0 引言
我国地域辽阔,各地区的地理气候等自然环境差异较大,电力线路巡检经常需要经过高山、江 河、湖泊地区,并且经常遭遇严重覆冰等自然灾害,使得电力线路巡检任务繁重和异常艰难。 传统人工巡线存在工作量大、效率低、巡检准确度低且危险性高等缺点。随着我国电网规模 增大,而相应运维资源、人力物力并未等比例提升,急切需要先进巡检手段提高电力线路巡检 能力。 目前较先进的巡检手段主要有:直升机巡检、大型无人机巡检、中小型无人机巡检和智能机 器人巡检等。有人直升机巡检效果好,但存在空域控制、巡检成本等因素,且巡检周期长,短则 3 月或 6 月一巡,长则 1 a 一巡[1-2]。大型无人机巡检方面,南方电网实现了超低空、超视距复 杂环境下大型无人机多传感器全自动巡检,仍在进行深化研究,在我国电网大范围开展实用化 巡检仍需时间,且技术门槛相对较高[3-5]。小型无人机巡检因其机动灵活、携带方便,在一定程 度上减轻了巡检人员工作量,在国家电网和南方电网已逐渐普及应用[6],但续航时间短,受巡检 人员精神状态影响,不能长时飞行,限制了巡检距离,巡检时需要将无人机携带至所检杆塔附 *才能飞行。 相比之下,输电线路机器人巡检虽然速度较慢,但是可以长时间在线巡检、多次重复巡检,且能 适应跨越大范围林区、大面积水域以及其他复杂地理环境和交叉跨越环境的线路巡检,具有 全自主巡检、无巡视盲区、巡视周期短、巡检费用低等显著优势,是输电线路智能巡检技术 发展的重要方向[7]。

国外关于巡线机器人研究较早,代表性的有加拿大魁北克水电研究院及其研制的 “LineScout”巡线机器人[8],日本东京大学与日本关西电力公司(KEPCO)共同研制的 “Expliner”巡线机器人[9],美国电力研究院研发的巡检机器人“TI”等[10]。 国内巡线机器人研究始于 20 世纪 90 年代,取得了一系列技术成果,典型代表有: 武汉大学及 其研制的“LineBot”系列巡检机器人[11-12],中科院沈阳自动化所及其研制的巡检机器人等。 由于线路巡检机器人具有良好的应用前景和技术特色,所以已成为智能机器人领域的研究热 点。 但从目前研究现状来看,国内外输电线路机器人巡检技术存在如下问题,有待进一步突破。 1)线路机器人过塔能力较差。目前已有的大部分巡线机器人不能跨越杆塔,且采用“猿猴爬 树”方式可靠性及效率较低,并且无法识别和通过防振锤等异形*铩 2) 线路机器人上下线难度较大。 目前巡检中普遍采用的带电作业吊装上下线方法存在耗时、 耗力以及作业风险高等缺点,不利于应用推广,需要解决机器人自动上下线难题。 3)线路机器人巡视手段单一。出于载重量与可靠性考虑,目前线路巡检机器人大多仅搭载单 一传感器,巡检效率较低,可扩展性差。 4)线路机器人尚未实现全自主巡检。全自主巡检需要机器人具备自主上下线、自主定位、 自主识别*锖驮秸稀⒆灾餮布臁⒆灾鞒涞绲裙δ,但目前已有机器人巡检离不开频繁的 人工干预。 本文针对架空输电线路机器人实用化巡检存在的上述关键问题展开研究,在对机器人全自主 巡检功能需求分析的基础上,研发了沿架空输电线路地线行走的机器人及全自主巡检系统,介 绍了巡检系统功能和结构组成,对智能巡检机器人、机器人自主上下线成套装置、地面监控 基站、太阳能充电基站、巡检后台管理系统等 5 个分系统进行设计和研制,并在电网 500 kV 电压等级输电线路开展机器人全自主巡检应用,验证了机器人巡检系统的功能性能,巡检应用 取得良好效果。

1 输电线路机器人全自主巡检系统概述
机器人全自主巡检即机器人在巡检起始杆塔自动上线,在巡检终止杆塔自动下线,均无需人工 登塔辅助,由自动上下线装置实现机器人自主上下线;在沿架空地线巡检过程中,只需事先设 置机器人巡检所需的线路参数和任务规划,在无需人工干预、无需更换电池的条件下,机器人 进行自主巡检和自主充电,整个巡检过程自动进行,全部巡检任务机器人自主完成。 为实现机器人沿架空地线全自主巡检,提高巡检质量与巡检效率,降低巡检风险,所设计的机 器人全自主巡检系统应满足以下功能。 1)机器人在巡检过程中需具备自主过塔能力,通过对架空地线进行必要改造后,机器人可以 自主穿越防振锤、悬垂线夹等异形*,具备自主过塔巡检能力。 2)机器人采用自动上下线装置进行上下线作业,无需人工登塔辅助吊装,只需少量人员在地 面辅助操作即可完成机器人上下线。 3)巡检系统应具有多传感器融合功能,系统具备采集及处理高分辨率可见光影像、红外视频 影像、高精度 3 维激光点云数据模块,能依据巡检任务选择相应模块配置数据采集方式。 4)巡检机器人应具有能耗监测与在线自动充电功能,通过在线充电和对能量进行有效管理, 增强续航能力,增大巡检范围。 5)机器人应能进行自主巡检,具有导航定位能力,能获得精确定位信息;具有自动对准巡检目 标能力,能克服行进中的振动干扰自动对焦,获得清晰影像数据。 6)巡检系统通讯模块应兼容多种通信策略,能够依据信号强度情况实时选择切换通信方式。 为实现输电线路机器人全自主巡检系统功能需求,突破目前线路机器人巡检应用技术,研发了 机器人全自主巡检系统。 该巡检系统包括智能巡检机器人、 地面监控基站、 太阳能充电基站、 自主上下线成套装置、巡检后台管理系统等 5 个部分,图 1 所示为机器人巡检系统的主要组 成。

2 机器人全自主巡检系统的设计研制
2.1 智能巡检机器人 2.1.1 机器人类型及作业方式
根据巡检需要,研制了 2 类沿地线巡检的机器人:穿越越障巡检机器人和跨越越障巡检机器 人。前者在沿地线行走过程中,机器人行走末端执行器(行走轮)不脱离行走路径,且依次通 过行走路径上的*;后者在沿地线行走过程中,机器人行走末端执行器(行走轮)交替脱 离行走路径,从行走路径上*镆欢丝缭秸*锏酱锪硪欢恕 根据实际线路机器人巡检需求,建立以下 3 种典型作业方式。 1)档距巡检。一般不改造行走路径,无需跨越档距内防振锤的,可采用穿越巡检机器人;需跨 越档距内防振锤的,可采用跨越巡检机器人。档距巡检,一般适用于大跨越段或重要交叉跨越 段巡检,或对存在安全风险的特殊区段巡检。 2)耐张段巡检。一般不改造行走路径,可采用跨越巡检机器人;如采用穿越巡检机器人,则需 对耐张段内地线防振锤及直线塔地线悬垂线夹进行改造。耐张段巡检,一般适用于对输电线 路疑似故障区段或特殊区段进行故障巡检和特殊巡检。 3)多耐张段或全线巡检。一般需对行走路径进行改造,如采用穿越巡检机器人,则需对地线 防振锤、直线塔地线悬垂线夹进行改造,并搭建耐张塔地线过桥结构;如采用跨越巡检机器人, 则仅需搭建耐张塔地线过桥结构。 对架空输电线路全线或多个连续耐张段进行巡检时,为提高巡检效率,宜对全线行走路径进行 改造,并采用穿越巡检机器人巡检。

2.1.2 穿越巡检机器人及其线路改造

将地线上阻挡机器人通过的*铮ㄈ绶勒翊浮⑿瓜呒械龋┥杓苹蚋脑煳亲璧残徒峁, 在地线耐张塔头或猫头型塔头的两端增设过桥结构,机器人在地线上行走时,行走轮可直接滚 动通过*锘蚋怂,无需采取跨越越障方式,如图 2 所示。 对于直线塔悬垂线夹的改造,采用将金具原有挂板改为 C 型挂板的方式,对于光纤复合架空地 线(OPGW)线路,由于线夹尺寸大,机器人行走轮无法在其上行走,故除改用 C 型挂板外,还 需在 C 型挂板结构中增加 1 段道路以供机器人行走,并用铰结构确保该过桥适应各种不同的 坡度,双悬垂线夹的改造也类似,如图 3 所示。 对于耐张塔的地线耐张结构及其横担改造为在塔头上增设 1 段“耐张过桥”供机器人行走。 耐张过桥结构整体分为 4 段,分别为直线段、变曲率段(即柔性结构)、金具固定结构以及 与地线搭接段,如图 4 所示。

2.1.3 跨越巡检机器人及其线路改造
当机器人遇到*锸,采用双臂交替错臂跨越*锏姆绞,从*锏囊徊嗟酱镎*锏 另一侧,如图 5 所示。 与穿越巡检机器人相比,跨越巡检机器人无需对防振锤、悬垂线夹进行改造,对阻挡机器人通 过

图 1 机器人全自主巡检系统 组成 Fig.1 Composition of robot autonomous inspection system

Fig.2 Robot to pass obstacles

图 3 穿越巡检机器人悬垂线 夹改造 Fig.3 Reconstruction of suspension clamp for robot to pass obstacles

图 4 穿越巡检机器人耐张过桥改造 Fig.4 Reconstruction ofstrain tower for robot to pass obstacles

的地线耐张塔头及猫头型塔头,仍需在其两侧增设过桥,过桥与地线的连接处仍然采用跨越越 障方式。同时,需要对防振锤的布置提出一些要求,来保证机器人顺利越障,总体改造方案如图 6 所示。

2.1.4 巡检机器人分系统研制
巡检机器人由机械系统、运动控制系统、电源监控与管理系统、通信系统、多源信息融合的 导航定位系统、多任务载荷系统等分系统组成[13-14]。

1)机械系统。机械系统负责机器人行走与越障动作。穿越巡检机器人机械系统主要由行走 机构、压紧机构、锁臂/松臂机构、滑台机构等构型组成。该构型可供穿越巡检机器人直线 运动与过桥运动:两臂悬挂时,主动轮上行走机构带动机器人在导线上运行;为防止滚动行驶 时的打滑现象,压紧机构压紧使主动轮与压紧轮相对压紧将力作用在导线上,提高压紧力;当 导线坡度较大时,压紧机构通过补夹将单臂固定在导线上,通过滑台机构收缩两臂,蠕动移动; 直线运动过程中锁臂/松臂机构锁紧控制回转关节固定,当运行路线有一定曲率时,锁臂/松臂 机构松开使回转关节可以有一定摆动幅度,保证机器手臂与运行路线的相对位置关系,配合前 面移动动作实现变曲率路径上的前行。 2)运动控制系统。运动控制系统负责对机器人行走过程速度和位置进行控制。由于对行走 轮的控制精度要求比较高,需要实时控制速度以防止打

图 5 跨越巡检机器人 Fig.5 Robot to cross obstacles

图 6 跨越巡检机器人耐张 塔头改造 Fig.6 Reconstruction ofstrain tower for robot to cross obstacles

滑,因此,行走轮电机选用控制性能较好的直流有刷电机,并且在电机端部安装有脉冲编码器, 以实时准确地检测速度反馈。在压紧轮轴端,安装了自制的编码器,用于检测机器人行走打滑; 在 2 个压紧轮支架上,还分别安装 2 个超声波测距传感器,用于检测机器人相对于*锏木 离。所有电机、减速器、编码器、制动器及其电缆、限位开关传感器及其电缆等,均嵌装在 机械结构中。 3)电源监控与管理系统。机器人采用单一电源供电,电源监控管理系统的主要功能为负责对 机器人工作过程中的电源电压和电流变化进行监控,对剩余电量进行预估计,并对机器人搭载 设备进行能量管理。同时在充电对接完成后,通过传感器检测电信号,检测电流以及充电过程 中电流的变化,以便对充电过程进行控制,充电完成后控制机器人充电头离开充电座。电源监 控与管理系统采用能耗预测及其控制策略,该策略分为 2 个部分:①是根据锂电池放电曲线 以及剩余电量函数预估出机器人剩余电量;②是根据线路能耗模型分别计算出机器人各部分 以及线路各部分能耗情况,根据剩余电量预测续航里程及时间。 4)通信系统。通信系统负责机器人本体设备与地面基站、太阳能充电基站的通信和数据传 输。机器人本体设备搭载 WiFi、4G 和 GPRS 这 3 种通信装置,与地面基站间采用 3 种通信 模式: 本体设备与地面基站由 WiFi 载波构成有线和无线混合通信;本体设备与地面基站直接 通过 4G 公网通信;本体设备与地面基站直接通过 GPRS 公网通信。在上述通信模式中,机器

人本体设备始终在检测第 1 种通信模式,且位于最高级,当第 1 种通信模式不成立,执行第 2 或第 3 种通信模式时,在 WiFi 断接期间巡视图像将存储在机器人本体设备中,而当 WiFi 链接 有效时再实施传输。机器人本体与太阳能充电基站采用有线通信,并利用机器人行走的铝包 钢绞线进行载波通信。 5)多源信息融合的导航定位系统。导航定位系统负责确定机器人运行时相对上一级杆塔某 个初始定位点的空间位置及姿态。该系统主要利用行走轮编码器、压紧轮霍尔计数器、倾角 传感器,运行过程中获取信息数据,结合数据库信息及运行前设置的规划,判断处理以获取到 运行过程中实时的空间位置及姿态。利用该系统可以确定机器人实时位置,并且可以实现自 主巡检。 6)多任务载荷系统。多任务载荷系统可满足高压、超特高压电力线路日常安全维护等业务 的高效、自动化处理要求,并考虑多源数据互补和融合特性,包括全景可见光、红外热成像、 激光扫描等 3 个子系统。如图 7 所示。该系统采集和处理包括高分辨率可见光影像、红外 视频影像、高精度 3 维激光点云多源数据,使机器人能够发现输电线路可见光缺陷,实现对输 电设备红外测温,并具有较高精度的几何定位能力,能满足架空输电线路巡检故障诊断作业的 任务需求。

2.2 地面监控基站
地面监控基站实时接收机器人运行状态信息,发送地面遥控指令,接收并保存巡检图像与数据, 对机器人本体进行视频监控,同时还负责对太阳能充电基站的监控。地面监控基站为车载或 人工携带的地面移动监控操作*台,主要由电源系统、 控制系统和通信系统组成,如图 8 所示。 地面监控基站的关键技术有多信道通信技术、 任务规划与实时监控技术、 能耗预测与预警技 术等。 1)多信道通信技术。机器人与地面监控基站

图 7 多任务载荷系统 Fig.7 Multi-task load system

图 8 地面监控基站系统框图 Fig.8 Composition diagramof ground control station

间采用的通信策略为 WiFi、GPRS 和 4G 通信这 3 种方式兼容,能实时监控各信号强度,依据 情况自动切换至可靠信道,能满足不同环境通信需求。无线路由器信号通过信号放大器增强 后传输距离大幅增加,采用 WiFi 通信时,在无阻挡条件下能实现 5 km 距离远程控制。在 2G/3G 信号覆盖情况时,GPRS 通信不受距离限制。有 4G 信号覆盖情况,4G 通信不受距离 限制。 2)任务规划与实时监控技术。通过后台管理系统制定巡检任务规划,输入机器人巡视规划所 需线路参数,机器人即可进行自主巡检,通过数据采集和通信,获取巡检机器人位置、姿态等信

息,并发出指令遥控机器人动作。同时,接收机器人巡检过程传递的图像和视频数据,完成对整 个巡检过程的实时监控。 3)能耗预测与预警技术。接收机器人上电源监控与管理系统监控的电量信息,根据理论建模 计算得到基于线路工况参数(如杆塔水*档距、高差等)的理论能耗,并结合监控得到当前 机器人位置信息,通过计算做出机器人的能耗预测,包括续航里程、续航时间、目标杆塔等信 息。该技术为机器人全自主巡检系统安排巡检作业计划和充电位置选择提供参考。

2.3 太阳能充电基站
太阳能充电基站安装在杆塔上,实现对机器人自主在线充电,基站系统由太阳能电源、充电控 制箱、储能蓄电池、充电对接装置及远程控制系统等组成[15-16],如图 9 所示。 1)系统功能。充电基站功能主要分为 3 个部分:首先,太阳能电源向储能蓄电池充电。此过 程通过系统将太阳能转化为电能存入储能蓄电池。其次,储能蓄电池向机器人锂电池充电。 当机器人与充电座对接成功时,控制储能蓄电池向机器人锂电池充电。最后,基站与机器人之 间进行实时通信。 远程监控软件可监控太阳能电源向储能蓄电池充电及储能蓄电池向机器人 锂电池充电的整个过程。 2)充电过程。当机器人运行到充电基站杆塔处时,由机器人自主实现充电头和充电座的自主 对接充电及其充电自动监控,充电完成后,机器人与充电座自主分离,并自主执行巡检任务。太 阳能充电基站结构如图 10 所示。

2.4 自动上下线装置
研发的自动上下线成套装置无需人员登塔作业,仅需少量人员在地面辅助即可完成机器人自 主上下线。该装置主要由起吊篮、垂直导轨、引导导轨、绝缘绳、卷扬机组成。其中,卷扬 机安装在杆塔底部的塔身上,工字钢垂直导轨分段拼接而成,沿着杆塔塔身一侧延伸至塔头; 起吊滑轮和引导导轨固定在塔头支撑架上,如图 11 所示。

机器人自主上下线作业流程如下:通过卷扬机牵引连接在吊篮上的钢丝绳,装载机器人的吊 篮沿工字钢导轨从地面移动至塔头引导导轨处,吊篮导轨和引导导轨通过“喇叭口”形式的 导轨对接装置形成完整的进入地线导轨,使机器人沿着引导导轨前进进入地线,如图 12 所示。 机器人下线与上线作业流程相反。 对不同类型的耐张塔或者转角塔,上下线装置只需根据不同的塔头结构设计不同的引导导轨 支撑装置,就能适应不同类型的杆塔。因此,本套装置具有一定的普适性。

2.5 巡检后台管理系统
巡检后台管理系统是一套计算机管理软件,主

图 9 太阳能充电基站系统框图 Fig.9 System diagram of solar charging station

图 10 太阳能充电基站结 构图 Fig.10 Structure chart of solar charging station

图 11 自动上下线装置结构 Fig.11 Automatic installing/uninstalling device

要负责任务规划、提供巡检作业方案、对线路参数信息和巡检结果进行管理、进行巡检结果 分析及缺陷诊断、生成巡检报告等。软件既可安装于地面监控基站计算机,又可安装于远程 服务器或其他任意 1 台计算机。系统主要包含线路管理、设备管理、巡检管理、诊断管理、 巡检报表和系统管理等子系统,系统功能结构如图 13 所示。

3 巡检系统检验测试及巡检应用
3.1 机器人环境工况测试
为考核机器人巡检过程中抗风能力,在中国航天空气动力研究院流体动力检测中心进行了风 载试验,机器人通过风力为 10 级、风速为 24.5 m/s、持续时间为 2 min 的风载试验;为考核 机器人巡检过程中抗雨能力,在中国船舶工业机电产品环境与可靠性检测中心进行了淋雨试 验,机器人通过了 IPX3(体积流量为 10 L/min、持续时间为 30 min)、IPX5(体积流量为 12.5 L/min、 持续时间为 10 min) 这 2 个防水等级的淋雨试验;为考核机器人电磁兼容性能, 在电力工业电气设备质量检验测试中心进行了 C 级静电放电抗扰度和 A 级射频电磁场辐射 抗扰度、脉冲磁场抗扰度、工频磁场抗扰度试验,试验通过;为考核机器人耐受机械振动及环 境气候性能,在中航工业环境与可靠性实验室进行了运输振动、XYZ 这 3 个轴的整机振动及 60 ℃高温、-25 ℃的低温试验,试验通过。

3.2 巡检系统功能测试
为检验机器人巡检系统功能性能,搭建了户外输电线路试验段,通过机器人越障试验和爬坡试 验,测试机器人的路径通过性、适应性和爬坡能力,并测试地面监控基站、自动上下线装置、 太阳能充电基站、巡检后台管理系统的功能。 先后测试了机器人通过耐张塔过桥、悬垂线夹、防振锤等异形*,以及搭载激光扫描仪或 红外热成像仪的爬坡性能。真型线路测试证明,机器人可以*稳通过耐张过桥、单联线夹、

双联线夹、防振锤等*,搭载激光扫描仪/红外热成像仪时爬坡能力可达 30°,巡检系统能 够进行全自主巡检。

3.3 巡检系统示范应用
为检验机器人巡检系统在实际带电运行线路的巡检能力,在 500 kV 电压等级惠茅乙线进行 了示范应用。该次巡检选择巡检区段为 N91 塔至 N105 塔,巡检区段全长为 5.4 km,共 15 基杆塔。机器

图 12 机器人自主上线 过程 Fig.12 Robot automatic installing

图 13 巡检后台管理系统功能 结构图 Fig.13 Functional chart of backstage management and inspection system

人行走的地线型号为 LGJ-95/55,前期已对地线进行了适应改造,可供穿越式巡检机器人高效 行走。

巡检方案: 选择 N105 耐张塔为机器人上下线杆塔,搭建机器人自动上下线装置,在 N92 直线 塔安装太阳能充电基站,机器人从 N105 耐张塔自主上线,往小号侧巡检至 N91 耐张塔,折返 巡检至 N92 杆塔进行自主充电,充电完成继续向大号侧巡检,巡检至 N105 塔自主下线。 整个 往返巡检过程中,来回要穿越 2 基耐张塔、2 级双联悬垂直线塔、24 基单联悬垂直线塔,总巡 检里程为 10.8 km。 利用机器人搭载的可见光摄像机和红外热成像仪,对 500 kV 电压等级惠茅乙线巡检区段内 导线、绝缘子及金具进行可见光和红外检测,图 14 为绝缘子、金具和导线的红外检测图像, 图 15、图 16 分别为绝缘子、金具可见光检测图像。 与直升机、无人机巡检相比,沿地线行走机器人与线路设备距离更*,采集的可见光、红外图 像更清晰、效果更好,巡检目标可以涵盖线路导地线、绝缘子、金具以及其他线路设备和通 道状况[17-18]。巡检过程中,可以对目标进行长时间、多角度观测,可以在通过杆塔前后对同一 设备进行前后观测,可以根据输电线路正常巡检、故障巡检及特殊巡检需求,确定合适的巡检 方式。

3.4 巡检试验发现的问题
在户外真型线路测试及 500 kV 电压等级惠茅乙线适应性巡检试验中,也暴露出机器人存在 的一些问题。 1)电源异常中断。巡检试验中发生 2 次机器人断电失去连接现象,检查机器人状态数据发现 断电前电源电流均增大至 10 A 以上,因电流过大而导致保护回路熔断(阈值为 10 A),开关 自锁失效而断电。 原因是设计时对机器人在不同工况和搭载不同传感器负载下的电源功率估 计不足,通过重新设计及改造解决了此问题。

2)上下线及行走路径卡阻。由于机器人自动上下线轨道设计不良、安装不当,以及直线塔悬 垂线夹机器人穿越间隙裕度不足,导致机器人自动上下线及穿越 C 型悬垂线夹时发生卡阻,后 进行重新加工及安装解决了此问题,积累了施工经验。 3)部件锈蚀问题。由于巡检试验及故障处理需要,机器人单次最长连续在带电线路户外停留 * 1 月,回收机器人后检查发现,机器人少部分装配螺栓、电源及通信连接插座、机械臂等部 件存在不同程度锈蚀,主要与部件防锈性能及密封不良有关,通过重新选型解决此问题。

3.5 异常情况的处理 3.5.1 一般情况
1)天气突然变化。巡检中遇到突发大风、暴雨、沙尘暴等恶劣气象变化,机器人应立即中止 作业,并执行安全保护操作,确保安全。 2)任务规划异常。巡检中发现地线严重断股,或行走路径倾角与任务规划相差很大时,应立 即中止巡检任务,操控机器人返回到最*的杆塔处停止移动,并执行安保策略。 3)电池电量不足。巡检中电池电量不足或设备异常告警时,应立即中止巡检任务,并操控机 器人到最*杆塔处停止移动。 4)通讯中断。自主巡检时,若地面监控基站与机器人通讯中断无法恢复,则应根据通讯中断 前最后地理坐标或机载追踪器发送的报文等信息,及时查找定位机器人。

3.5.2 极端情况
机器人巡检过程中发生不可自动恢复的紧急故障导致机器人停留在档中区域,此时应立即中 止

图 14 绝缘子和金具的红外检测 Fig.14 Infrareddetectionof insulators and hardwares

图 15 绝缘子的可见光检测 Fig.15 Visible light detection of insulators

图 16 金具的可见光检测 Fig.16 Visible light detectionof hardwares

作业,并根据实际情况采取应急措施。 针对这种情况,本文研究提出 2 种有效的带电作业救援措施[19-20]:①是地电位作业人员乘坐 飞车,携带绝缘绳沿地线到达档中故障机器人位置,塔上人员通过绝缘绳将机器人及地电位作 业人员一起拖回到杆塔处;②是采用专门研发的救援机器人进行作业,救援机器人代替上述地 电位作业人员,携带绝缘绳沿地线到达档中机器人故障位置,通过机械臂抓住故障机器人,塔 上人员通过绝缘绳将救援机器人连同故障机器人一起拖回到杆塔处。 上述 2 种应急救援措施分别在 500 kV 电压等级惠茅乙线和 220 kV 电压等级清红线进行了 实际带电救援作业,取得圆满成功,证明措施安全有效。

4 结论
1) 针对我国电网输电线路智能高效巡检和实用化巡检需求,提出了机器人全自主巡检系统应 具备的功能和系统组成,设计研发了机器人全自主巡检系统,该系统包括智能巡检机器人、地 面监控基站、太阳能充电基站、自主上下线成套装置、巡检后台管理系统等 5 个部分。 2)根据架空线路设计运行条件和机器人巡检特点,建立了 3 种机器人典型作业模式,研发了 穿越式、跨越式越障 2 类巡检机器人,明确了地线防振锤、直线塔悬垂线夹、耐张塔过桥结 构等机器人行走路径改造方法,首次设计了自动上下线成套装置,实现机器人自动上下线作 业。

3)巡检机器人通过了多种复杂自然、电磁环境工况试验考核和户外真型线路试验段功能测 试,在电网 500 kV 电压等级带电运行线路开展示范应用,可同时对线路设备进行可见光和红 外光谱检测,单次巡检里程达到 10 km 以上,巡检应用取得良好效果,达到一定的实用化水*。

参考文献
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