一种带电清洗绝缘子的智能机器人的研发

一种带电清洗绝缘子的智能机器人的研发

张俊杰 尚军 张瑞平 陈燕

内蒙古电力 ( 集团 ) 有限责任公司巴彦淖尔电业局 015000

摘要：目前，随着我国电力系统的不断发展，电网安全，稳定运行越来越受到重视。尤其在近年来大力发展的超高压、特高压输电系统中，绝缘子的安全运行直接决定了整个系统的投资及安全水平，为保证高压输电线路的电气安全，在高压输电线路运行使用一段时间后，需要检测线路的电气性能，特别是绝缘子的绝缘安全性能，防止短路或断路等现象的发生。以机器人控制系统为背景，本文对一种带电清洗绝缘子的智能机器人进行了研究和设计。

关键词：绝缘子；绝缘子清洗；绝缘子机器人

绝缘子是架空高压输电线路上用于导线铁塔连接的绝缘元件，具有两个基本作用，即支撑和防止电流回地，这两个作用必须得到保证，绝缘子不应该由于环境和电负荷条件发生变化导致各种电应力而失效，否则绝缘子就不会产生所需的作用，会损坏整条线路的使用和运行寿命。所以对绝缘子的清洗显得尤为重要，但是传统的人工停电清扫存在停电时间长、劳动强度大、危险性高、清扫效率低等缺点。采用机器人清扫绝缘子具有无需停电、清扫效率高、清扫效果好、安全性高的特点。

1. 国内外绝缘子清洗现状

1.国外绝缘子清洗现状

美国和西欧从1970年开始研究防污闪绝缘子RTV涂料，于1973年在美国太平洋煤气电力公司开始了涂料的现场试运行。日本在绝缘子除污方面也达到一定水平，从1985年至今，对于绝缘子防污闪方面的专利（包括防污涂料、新材料绝缘子以及绝缘子清扫装置）就达300多项。

1979年，直升机带电作业技术最先由美国进行了尝试。其后几年间，澳大利亚、以色列、西班牙和意大利在直升机水冲洗绝缘子作业方面开展时间相对较早，设备主要由直升机、喷嘴和水箱组成，有效提高了电网运行过程中的绝缘水平和可靠性。

2006年，韩国电力研究院研制了一种绝缘子干清洗的机器人。该机器人采用的机制是通过伺服电机的旋转带动支架上面的齿轮机构工作，用以驱动圆周导轨运动，导轨支撑循环的刷盘，相应刷盘完成展开和收回，直流电机用于旋转刷盘开始工作，完成对绝缘子表面污垢的清洗，整个过程中可以覆盖绝缘子表面。

2. 国内绝缘子清洗现状

国内针对绝缘子污秽清扫的研究起步较早，早在六七十年代，变电站设备的除污主要采用人工停电清扫。1962年，北京供电局开始了带电水冲洗变电设备绝缘子的研究。

1993年 ，山西省运城供电分公司赵树海研制成功了一种绝缘子风力清扫环，并获得国家专利和美国、日本、俄罗斯、澳大利亚以及韩国授权的国际专利。

同时，固定式水冲洗的科研工作业已开始，近年来，电科院已完成福建省永安火电厂110kV、220kV开关站高层布置的支柱绝缘子的固定式水冲洗的可行性研究，近日又与福建省电力局合作进行此项目的试验研究工作。220kV固定式水冲洗装置今年即将在永安火电厂实施。它比移动式水冲洗除有更高的工作效率，有更大的安全性，不因操作人员的水平而有差异外，对高层装设的绝缘子有特殊的应用价值，是今后大力发展的方向。

二、绝缘子清洗机器人的理论和实践依据

1.绝缘子清洗机器人研究内容的原理简述；

①自动动力（运行）攀爬机构，主要作用是提供机器人固定、攀升、下降及在检测过程中的动作机构，由动力系统和相关机械结构共同组成。

②运动控制系统，由软件和一些硬件及驱动组成，让所有运动结构紧密配合而且有序完成各自动作任务。

③实现干冰对绝缘子污秽的可控制清洗。

④地面无线操作平台，以按键模式操作，系统以指令模式发送接收。

⑤绝缘子测零技术。

2.绝缘子清洗机器人的实践依据；

①2019年4月12日国家电网在京会议，国网江苏电力董事长讲话要求“全力保障安全稳定。压紧压实安全责任，深入开展安全隐患排查治理，深化大规模源网荷储友好互动系统建设，提升大电网安全运行水平。”

②依据输变电运维的能效分析理论，提出低成本高效率概述。

③复杂的自动控制理论和闭环控制原理：y=S(X+△X)=S(X+Ry)=SX+SRy。确保运动控制精确度和可靠性。

④强弱信号转换的时延控制及量化分析。

三、成果应用和推广

输电线路绝缘子是由固体绝缘材料制成，安装于输电导线与输电铁塔之间，同时起到机械连接和电气隔离的器件，是架空输电线路的重要组成部分。绝缘子暴露于具有污秽微粒的大气中，在多种作用力的作用下，表面会逐渐形成污秽层。当污秽绝缘子表面受潮湿润时，容易引起污秽闪络事故。污闪会造成大面积的停电，带来巨大的经济损失，严重影响生产和生活。电力部门通过定期清扫的方式防止污闪事故的发生，传统的人工停电清扫存在停电时间长、劳动强度大、危险性高、清扫效率低等缺点。采用机器人清扫绝缘子具有无需停电、清扫效率高、清扫效果好、安全性高的特点，因此，研制瓷质绝缘子清扫机器人具有重要的理论意义和实用价值。

而引入项目设计的瓷质绝缘子清扫机器人就清洗效率而言具有明显优势，可以说绝缘子清洗工作能够又快又好地完成，减轻人员劳动强度，为电力系统安全运行，保证可靠供电增加了一种有效设施，为社会和经济和发展所需不间断电能供应又增加了一份确定性。由于绝缘电阻瓷质绝缘子清扫机器人具有效率高、使用寿命长以及成本低等诸多优点，引入实际运行的电力系统能够给原本绝缘子维护计划带来极大变革，绝缘子维护间隔可以不断缩短，通过合理安排调整，输电网络的绝缘子绝缘电阻数据将会非常巨大，借助大数据的分析手段，对投入运行的绝缘子劣化过程进行分析，为预测绝缘子劣化提供可靠扎实的数据支撑，绝缘劣化研究也将因此受益。

四、结语

目前国内绝缘子清洗多采用机械清扫、水冲洗、气冲洗等方法，大部分绝缘子由于高度较高，需要作业人员攀爬电线杆才能完成，人工爬杆检查清扫，劳动强度大，存在安全隐患，作业效率低，在酷暑、严寒等恶劣气候环境下尤其明显。

一旦引入更为智能化的瓷质绝缘子清扫机器人，机器代替人工。可以明显发现应用本项目所设计的瓷质绝缘子清扫机器人具有压倒性的经济性优势，随着制造工艺和材料技术的发展，瓷质绝缘子清扫机器人的制造成本必将逐步降低，而人工费用则会随着社会发展而逐渐增加。如果将瓷质绝缘子清扫机器人在整个电力网络内推广开来，所节省的经济费用将是极为客观的。另外，本项目所设计的瓷质绝缘子清扫机器人各部件抗干扰能力较强，使用寿命长，而且操作方式极为简单，推广难度非常低。引入瓷质绝缘子清扫机器人仅是整个电力系统运行逐步走向智能化的一个小插曲，而自主清洗装置必将为整个电力系统智能化的演变贡献绵薄之力。

参考文献

[1]王宏宇.污闪事故的原因及预防措施. 中国高新技术企业，2009.

[2]李靖.直升机带电作业的现状、技术难点和发展趋势.华中电力，2011.

[3]赵树海.绝缘子风力清扫环的研究.中国电力，2003

[4]李天友.智能电网自愈功能机器效益评价模型研究.华北电力大学.2012