耐张绝缘子带电更换机器人机械系统研制

高压输电线路中的带电作业是指在高压设备上保持通电进行检修等工作，它的主要目的是为了避免在检修的工作中，影响正常的供电运行。目前我国电力线路带电作业中仍然是人工操作为主，操作人员的作业环境恶劣，并且存在一定的危险性，因此，带电检修机器人的出现对于电力系统的发展来说具有非常重要的意义。

1 研究背景

架空高压输电线路都是直接的裸露在空气中的，长期的受到雨水、暴晒等因素的影像而出现破坏。我们最常见的输电线路的破坏有绝缘子串失效、输电线路上有异物缠绕、导线断裂等等。其中绝缘子是高压输电线路中的重要组成部分，它的作用是支撑导线和防止电流回地。在输电线路的运行过程中，绝缘子在自然环境中容易受到二氧化硫、粉尘等因素的影响，导致绝缘子串的绝缘性降低。当绝缘子在大雾中闪烁时，很可能因为短路而导致绝缘子温度升高，严重的情况下会导致钢帽炸裂、绝缘子串断裂等情况。在高压输电线路的运行过程中，上述情况都会影响输电线路的有效运行，因此在电力部门的日常工作中，及时更换输电线路上有故障的、破损的绝缘子，避免在输电线路的运行过程中出现故障是一项非常重要的工作。在传统的带电作业中，对于绝缘子的更换工作，基本依靠人工完成，但是带电作业环境复杂，存在一定的危险性，同时工作的效率还会受到多种的因素影响而导致工作效率较低。

为了有效的提高带电作业的工作效率，提高其自动化的水平，有效的降低工作人员的工作强度以及工作的危险性，国内外很多国家重点研究自动化的机械装置来代替人力工作，其中多数都是研究配电线路的检修工作，对于高压输电线路的带电检修机器人研究的较少，并且目前的机器人性能比较的单一，目前常见的有除冰机器人等。针对这种情况，提出耐张绝缘子带电检修机器人，能够实现高压输电线路绝缘子检修工作，提高机器人的使用价值，有效的节约带电检修工作的成本。本项目开发的绝缘子带电更换机器人，就能够有效的完成绝缘子的更换，并且降低了工作人员的工作强度，大大的提高了工作人员的安全。

2 耐张绝缘子更换操作步骤

2.1 耐张绝缘子人工更换操作步骤分析

更换输电线路耐张绝缘子时，需要有地电位作业人员、等电位作业人员以及地面配合人员共同配合完成。a.等电位作业人员进入强电场，即导线和绝缘子连接处；b.在相邻导线处做绝缘处理，盖上绝缘垫，并用夹子固定好绝缘垫；c．在地电位人员和地面配合人员的配合下，将紧线器一端连接横担，另一端连接导线；d．此后，等电位作业人员收紧紧线器，拉紧导线，释放绝缘子上拉力；e．随后，等电位作业人员拔出碗头挂板处W销，将绝缘子钢脚推出碗头挂板的凹槽；f．然后，等电位作业人员拔出钢帽处R销或W销，将球头挂环的钢脚推出绝缘子钢帽的凹槽，将绝缘子卸下；g．通过绝缘绳将绝缘子送到地面；h．地电位作业人员取下绝缘子，将新的绝缘子绑在绝缘绳上；i．地面配合人员确认后，通知等电位作业人员提起绝缘绳；j．等电位作业人员拿到新的绝缘子后，将球头挂环的钢脚推入绝缘子钢帽的凹槽，推入R销或W销；k．将绝缘子钢脚推入碗头挂板凹槽，推入W销；l．放松紧线器，取下紧线器；m．耐张绝缘子更换完成。

2.2 机器人带电更换耐张绝缘子操作步骤分析

机器人设计用于替代带电作业过程中，位于导线上的等电位作业人员取出和更换绝缘子，实现自动化更换耐张绝缘子。因此，机器人需模拟完成导线上的等电位作业人员的行为。机器人的主要动作步骤设计如下：a.首先，通过作业末端机械手实现对绝缘子、球头挂环和碗头挂板的夹持，固定住绝缘子、球头挂环和碗头挂板；b．W销推块推出W销，R销推块推出R销；c．随后，机器人收紧导线；d．机器人取出绝缘子；e．机器人将新的绝缘子的钢脚推入碗头挂板凹槽，将球头挂环钢脚推入绝缘子钢帽凹槽；f．推入W销和R销；g．放松导线，完成绝缘子的更换。

3 机器人机械系统设计分析

机器人整体机械结构包含三个模块：夹持机械手、W销推入推出机构、绝缘子更换机械手（如图1所示，左图为设计图，右图为实物图）。

图1 机器人整体结构

3.1 夹持机械手

夹持机械手实现对绝缘子、球头挂环和碗头挂板的夹持固定。

图2 夹持机械手

图2中1为碗头挂板导向槽，2为球头挂环导向槽，3为蜗轮蜗杆减速电机，4为滚珠丝杆。当碗头挂板和球头挂环分别落入导向槽后，电机带动丝杆运动，两端夹持臂向中间收缩，从而抵消线缆对绝缘子带来的张力，方便进行后续操作。

3.2 W销推入推出机构

W销推入推出机构在拆绝缘子时，将W销推出，使绝缘子能够取出；在安装绝缘子时，将W销推入，固定住绝缘子。

图1中1为电动推杆，2为W销推入推出C型机构，3为直线滑轨。电动推杆带动固定在直线滑轨上的C型机构，实现C型机构的上下运动，从而将W销推入推出。

3.3 绝缘子更换机械手

绝缘子更换机械手实现绝缘子取出、放入的功能。图1中4、5为蜗轮蜗杆减速电机，6为电动夹爪。4、5分别实现电动夹爪的上下、前后运动。当电动夹爪运动到指定位置后，夹爪夹持住绝缘子，将绝缘子取出或放下，从而完成绝缘子更换操作。

结束语

绝缘子带电更换机器人的出现，有效的降低了电力工作人员的工作强度，同时也降低了传统带电检修工作中恶劣作业环境下给工作人员带来的危险程度。实现了高压输电线检修工作的自动化水平，保证了高压输电线路的正常运行，促进了我国电力系统更好的发展。