10kV配电线路带电抢修作业机器人实用化研究

10kV配电线路带电抢修作业机器人实用化研究

张嘉、王维嘉

国网内蒙古东部电力有限公司赤峰供电公司 内蒙古 赤峰 024000

摘要：随着社会经济建设不断发展，生产自动化水平逐渐得到很大程度的提升，机器人在现代化生产生活阶段有着重要地位，尤其是一些危险系数比较高，劳动强度比较大的领域，替代人类对危险任务的完成，是机器人技术发展主要方向。为避免人工带电作业中的事故出现，使得带电作业更加安全，提升作业效率，采取机器人替代人工进行作业已经迫在眉睫，满足当前时代发展需要。下面就从作者实际工作经验入手，简要的分析10kV配电线路带电抢修作业机器人应用，希望对有关从业人员带来帮助。

关键词：10kV配电线路；带电抢修；机器人

1 电力带电抢修作业的机器人开发必要性

　　在我国国民经济建设不断下，经济建设、人民生活对电力需求依赖程度比较高，社会就停电承受能力越来越差。如何加强日常的维护工作，做好防患于未然，以及出现问题的及时抢修，就成为亟待解决的问题。停电进行日常维护检修是最安全可靠的方式，但对工业和居民生活质量的影响巨大。带电作业是解决这一问题的重要手段之一，在高压电器设备上进行不停电检修、部件更换或测试，一直为世界各国所重视。到目前为止，我国的带电作业方式为绝缘杆法与绝缘手套法的人工带电作业，还不能满足日益提高的系统可靠性要求，也容易引发人身伤亡事故。

2 总体设计

　　带电抢修作业机器人样机适用于10kV及以下的配电线路，可在不停电的情况下维护配电网、排除电力系统故障，如绝缘子零值检测、带电更换绝缘子、带电更换跌落开关、带电业扩接火等。该样机主要组成部分有：移动升降机构、机械臂、主控制系统、从控制系统、专用作业工具等。

　　移动升降机构由卡车改装，车斗内搭载液压动力源、升降机构、主控制室、平衡装置。操作人员在主控制室内进行操作，采用人机交互主从控制和自主控制相结合的方式控制作业机械臂完成各种带电作业。10kV配电架空线路大多距地面15m左右，所以机器人使用了由可旋转的基座以及可俯仰的液压伸缩臂作为升降机构。伸缩臂大臂俯仰角为65°，小臂伸缩，配合作业机械臂，使最高作业高度达20m，同时通过控制升降平台各个自由度的运动保证了机械臂作业平台的水平。伸缩臂提供13.8MPa液压动力，额定推重800kg，末端安装机械臂平台。机械臂平台上配置两个6自由度机械臂、机械臂运动控制系统及3个摄像机，机械臂末端可安装各种专用工具来完成带电维修作业，摄像机作为遥控操作时现场视频采集设备和自主控制时机器视觉前端采集设备。整个系统供电由移动平台上搭载的柴油发电机提供。为保证绝缘等级，主控制系统与运动控制系统间采用光纤通讯，供电线路采用隔离变压器进行电气隔离。

　　对带电抢修机器人进行分析可知，其主要包括了整体作业平台、折叠伸缩绝缘手臂以及移动汽车和控制装置等部分，其中，整体作业平台主要由绝缘斗以及机械手臂绝缘子支承和机器人操作系统构成，其功能主要是为抢修人员提供作业平台。折叠伸缩绝缘手臂设定在移动汽车底盘，主要任务将运送机器人作业平台至线路作业的具体位置。移动汽车主要负责运送其他三部分到具体故障地点进行线路抢修，而控制装置则主要由上、下两部分组成，其中，上部控制装置位于机器人作业平台中，具有全方位操作手柄，实现绝缘斗内部的流畅操作，下部控制装置则位于回转塔处，设有上部控制装置切换按钮，实现上下两部分控制装置的功能切换。

3 带电抢修作业的机器人应用分析

3.1 主从操控液压机械臂的功能应用

第一，作为带电抢修作业机器人系统中的关键性功能，是确保主从操控液压机械臂在应用中发挥出重要的作用。通过使操控人员和高压电场相隔离进行带电抢修作业，依靠主从操控液压机械臂的高准确度、稳定性能，采用光纤通讯方式来降低危险。液压机械臂系统包括了液压机械臂、液压供油单元、主手以及主从操控系统等。

第二，液压机械臂凭借操控灵活、自重小及动力充足的功能优势，工作人员利用对主手的操作，完成机械臂的远程操控作业任务，通过夹起专业抢修工具，有效实施电力维修。对于主手而言，本身结构和机械臂一致，能够有效控制各个臂关节，并将较高精密度的旋转电位计与力矩电机设备安装到各个关节上，增强应用中的可操控性。关于液压供油单元，系统动力源为具有恒定压力的液压源，通过对液压油的过滤，在应用中保持压力在（10.3~20.8）MPa，流量为10L/min。

3.2 带电作业机器人专用工具的应用

　　由于带电作业机器人所实施的任务类型繁多，所处环境复杂，采用机器人专用工具可谓是确保带电抢修作业任务顺利完成的保障，有利于提高效率和质量。因作业环境带电，所以工具的选用应保证一定的便利性。常见的专用工具有电动扳手、压线钳、自动剥皮器以及断线钳等。目前高压带电作业处理中均以手动形式进行剥皮器的操控，不但效率低、难以做到对绝缘层的保护，而且危险性较大。利用自动剥皮器，提升了剥皮效率。采用自动形式来实现机械手持操控，控制剥皮速度，确保压线稳固。通过运用电动扳手，使螺母得到紧固。机器人采用电动扳手作业时，夹持操作方便，采用遥控方式，使用可更换柔性导向扳套，对螺栓拧紧处理。此外，机器人采用电动断线钳作业，使用专业的机械手夹持器具，需保证夹持操控方便，并在断线钳运行尾端安装操控盒，达到有效远程管控的目的。

3.3 绝缘保护系统的应用

第一基于电力带电抢修作业具有的较高危险性，相关人员在进行机器人操控过程中，如果出现操作失误，极易导致机器人的功能受损，甚至危及到生命安全，并产生严重的电力故障，影响到正常的电力供应。因此运用科学的绝缘对策，使带电作业机器人具有良好的绝缘功能非常重要，有利于电力带电抢修作业任务的顺利完成。通过有效运用绝缘保护系统，达到对相关工作人员安全的三重保护的效果。

第二，工作人员安全的三重保护。第一重保护，利用缠绕环氧玻璃的绝缘钢结构支架材料，经过焊接处理形成作业平台，并将环氧玻璃板粘结在底部，依靠机械臂进行绝缘支撑处理，谨防相间短路情况的出现；第二重保护，利用绝缘斗臂车给予人员的绝缘保护，提高作业的安全性；第三重保护，操控人员可以站立在绝缘斗当中，采用远程遥控的形式，借助机械臂专用的夹取工具实施高压线路的维修工作，使操控人员的生命安全得到有效保障。

第三，机械臂运用软质橡胶外包的方式，让机械臂处于绝缘状态。当操控人员站立在机器人作业平台的绝缘斗中时，利用光纤通信的形式，实现主手和机械臂之间的信息传递，同时采用远程遥控的形式，操控机器人进行抢修作业，使得工作人员可以远离高压电场的环境，提高了作业的安全性。为了防止相间短路情况的产生，确保机器人操作平台具备绝缘功能，支架的制作是利用外包玻璃钢的钢管焊接完成，并进行和绝缘斗的螺栓连接处理，最终达到良好的绝缘效果。

结束语：

结合以上分析得知，对于电力带电抢修作业的机器人，我们还需要对其开发和应用需求进行不断的明确，进而进一步提高电力带电抢修作业的机器人的开发效果，总结其具体的开发方法，保证开发的质量。

参考文献：

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　　[2]王耀南，魏书宁，印峰，等.输电线路除冰机器人关键技术综述[J].机械工程学报，2015，34（22）：30-38