配网架空裸导线带电涂敷绝缘材料机器人的研制

引言

自80年代中期后，在国家的大力支持下架空裸导线机器人的技术走向国际领先。山东大学，武汉大学和自动化国家“863”计划资助的研究所沉阳分别在110 kV、220 kV和500 kV的架空裸导线输电线路的自主巡线机器人取得了长足的发展[1]。这种机器人能够实现大规模、长线路巡检工作，工作实习过程可以跨线、塔和其他障碍物，尽管取得了一定的研究成果，但离实用阶段还有一定的距离。国外电力系统方面专家对机器人的研究始于上世纪80年代末，日本、美国等一些少数发达国家，研制了进行普通巡线作业的带电作业机器人。日本九州电力公司主要研究工作涉及电线的连接和切断、输送等硬件的模块化和机器人性化。现在，其Phase I机器人也已达到了实用化。日本九州电力公司几乎每一个企业已经配备了这种机器人。并且这种机器人大概能完成每个营业所的大约80 %的带电作业工作。从九十年代开始，九州电力公司进行研究的适用于交流6 kV及交流22 kV电压等级的第二代带电作业机器人-半自动式的Phase II，也已经研制出了实验样机[2,3]。

城区配电网基本实现了架空导线的绝缘化处理，但是对于树障区、城乡结合部建筑密集区、交叉跨越（公路、河流、池塘）区段、人员活动频繁区域的架空导线局部绝缘处理、裸导线整条线路绝缘化处理工作还未完成，在暴风雨天气线路很容易发生跳闸，影响供电安全性及可靠性[4,5]。对树障区、城乡结合部建筑密集区、交叉跨越（公路、河流、池塘）区段、人员活动频繁区域的架空导线局部绝缘处理、裸导线整条线路绝缘化处理一直是南方电网公司配电网改造和运维的难题之一，目前只能依靠人工更换绝缘导线解决此类问题，但是受地理位置、原有杆塔受力情况、停电时间等因素影响，相当一部分区域很难实施。

2018 年电网公司明确涂覆绝缘材料作为处理配网设备事故的措施之一。涂覆绝缘材料替代更换导线已逐渐在整个南网进行广泛使用，绝缘材料涂覆装置也随之发展起来。现在绝缘材料涂覆装置需要借助登高车人工将装置挂在导线上，要安排相关线路停电，不仅存在较大作业安全风险，而且严重影响了供电可靠性。同时，受地形限制，一些登高车到不了的地方很难实施作业。

为了降低线路跳闸率，提高配网供电可靠性，有必要开展防跳闸改造技术研究，本文研究开发一种安全经济的导线绝缘施工装置，能适应裸导线现场绝缘化施工要求，实现绝缘化涂装，且施工便捷，绝缘化后的导线能正常运行，电气绝缘等性能均满足要求。

1 涂敷装置的集成

装置采用模块化设计，各模块集成组装后即是整机，整机结构紧凑高效，运输、安装、施工方便。设计图如图1 。

整机可装进定制的铝合金箱子内进行运输，小型货车即可进行运输。现场施工时，只需将喷头、涂料罐与机体进行连接，即可开展施工，各部件连接操作简单。导线绝缘施工装置可配合绝缘装置实现带电自升、自降上下线；也可以应用我司开发的自牵引卷扬上线技术，无需带电作业平台或绝缘斗臂车辅助，适用于多种作业场景，施工方便。

1.1 喷涂模块

涂料挤出机构及喷涂方式设计合理，确保了机器人沿导线行走时涂料供应系统能够提供均匀可调的涂料，喷涂完成后能够在导线圆周上均匀覆盖厚度不低于2 mm的绝缘、机械等性能满足要求的涂层。

早期的绝缘喷涂模块不能根据导线的大小而自动调节，在使用过程中需要人手先对导线规格进行测量，更换合适的喷涂头才能进行涂覆作业，工序复杂麻烦而且会影响效率。

针对上述问题，我司研发一款喷头可调的导线喷涂装置用喷涂结构，包括导线固定座、喷涂上模和喷涂下模，喷涂上模和喷涂下模固定安装在导线固定座的一侧并且相互拼接形成喷涂模具；喷涂上模和喷涂下模分别对称滑动连接了多组半圆形的喷涂口组件，喷涂口组件中间位置设置有尾杆从而形成类Y型；通过控制系统连接到同步调整电机和传动伸缩杆，控制同步调整电机和传动伸缩杆的运行，多组不同口径的Y型喷涂口组件相互配合形成一个可调节大小的喷涂口，由外到内每组喷涂口的口径逐渐增大并能连接成一个平整的圆塔型导线喷涂仓，从而可以根据电线的大小及涂料厚度自由调节喷涂口的大小。涂料供应系统由无刷电机和涂料罐组成，无刷电机可方便控制挤压量和挤压速度，挤压稳定；再配合控制系统内预设的控制程序，可实现稳定涂覆，涂覆厚度可在2～3 mm范围内调节。

通过电磁铁装置保证喷头在作业过程中锁紧，同时通过对喷头自动合拢动力装置进行远程控制，从而拉动钢丝绳作用于翻转连杆实现对喷头装置张开与合拢的自动化操作；具有锁紧机构防失灵设计，在喷头自动合拢动力装置失灵时，可断掉滑动电磁铁的供电，喷头便会自动打开，有利于施工人员在地面遥控喷头设备脱离线缆。

图1 绝缘涂敷装置图

1-安装板 2-推料模块 3-卷线牵引模块 4-涂覆模块5-行走模块

1.2 行走模块

导线涂敷装置的移动本体采用轮式行走机构，能安全越过倾角不超过25 °的导线，移动速度和最高喷涂速度达5 m/min。涂覆机器人爬坡能力受机器自重与行走轮的摩擦系数、行走电机的功率有关，针对涂敷作业的需求，将从以下几点进行改进以实现导线绝缘施工装置可安全越过倾角不超过25 °的导线：①将机器轻量化，减少自身重量；②在行走轮下加装辅助轮，提高行走轮对导线的摩擦力；③采用特殊材料制作的行走轮，增加摩擦系数，提高爬坡能力（如用皮革类替代常规的橡胶）。

我司已有涂覆机器的行走电机已具备行走速度5 m/min的要求，需要调整挤料电机的参数，并将输料管加大，减小电机挤料压力，增加单位出料量即可实现移动速度和最高喷涂速度达5 m/min。

通过设计出一种可在10 kV架空线路上行走的机构，该模块包括两套走线臂和安装基板，其中走线臂包括走线滑轮、支架、走线驱动电机和联动动力组件；两套走线臂底部均与安装基板转动连接，沿安装基板中轴线对称再错位排列安装，走线臂下方设置有拨动板，联动动力组件通过拨动板同时驱动走线臂摆动。在走线臂呈V型张开时，将涂覆机器人由吊带吊到架空裸电线下且走线滑轮最低点高于电力线的位置，传动齿板向内收缩，带动走线臂往基板中轴线方向抱合，将机器人悬挂于电力线，无需人工攀登杆塔安放机器人，避免了操作人员高空作业的危险，减少了作业强度。联动动力组件能够同时驱动两套走线臂，两套走线臂同步摆动，使机器人两边保持平行，避免不平行而影响吊挂。走线臂设置了快装机构，实现喷头的快速拆装，安装精确牢固，无需人工攀登杆塔调整喷头。走线臂支架，采用了镂空设计，强化空气对流，加快散热，提升走线臂的寿命和运行稳定性。该行走机构能在10 kV架空导线不同线径上稳定行走，且有一定的爬坡能力，以及良好的续航能力，机构本身具备良好的机械性能及低故障率。

2 涂敷机器人的控制

目前工业机器人使用的控制器，一般是选用PLC、MCU进行控制。对于电力绝缘涂覆方面的工业机器人，目前中国的厂家较少，由于施工环境因素要求，机器人需要更小体积和更轻的重量，而单片机在工业上发展成熟，能提供丰富的功能，因此本文研究方案选用MCU单片机作为控制器。

绝缘涂覆机器人控制方法及系统是基于MCU微控制器+无线通信的。控制系统，地面端遥控器可通过接收的无线图像显示进行可视化监控，对空中导线端的机器人无线控制。该系统是一个闭环控制系统，通过地面端设备发送相关参数、动作等指令至机器人端，机器人端执行指令并返回状态数据，形成闭环控制，保证控制系统的稳定性、准确性。

地面端遥控器通过QT触摸界面，进行机器人的参数设定，及动作指令控制；通过无线图像传输设备进行实时监控空中端的机器人状态。

机器人端的MCU微控制器通过接收的无线数据指令，对相关电机、电子、传感器等组件执行对应的状态；并将机器人相关状态数据返回至地面端遥控器。机器人端升降部分，通过陀螺仪的数据，对升降电机进行实时调速，进而调平机器人的整体，使之平衡上升。

无线设备采用2.4 G无线通信，进行地面端遥控器与机器人端无线通信。

控制系统用于控制行走机构的行走速度以及推料机构向绝缘包覆机构输送绝缘涂料的速度；针对不同的行走速度和不同的线径，绝缘包覆机构输送绝缘材料的速度都有一个相对应的设定值，以保证包覆材料不会在线缆上形成缺料。

3 涂敷机器人的应用

为了配合绝缘装置实现带电自升、自降上下线，满足施工作业需求，我司设计开发一种绝缘装置（机械人带电作业平台）实现带电自升、自降上下线；同时我司开发一种自牵引卷扬上线技术，无需带电作业平台或绝缘斗臂车辅助，适用于多种作业场景。

机器人带电作业平台包括升降平台、承载升降平台并用于相对高压电线往复移动升降平台的横移平台，升降平台包括作业平台、用于抬升作业平台的升降机构。横移平台包括平台基座、可拆卸的设置在平台基座上方并用于相对高压电线往复移动升降平台的横移机构，升降机构可拆卸的连接横移机构；平台基座包括平台底板、若干可拆卸的设置在平台底板下方用于支撑平台底板的可调地脚；横移机构包括横移立架、垂直于高压电线两两相互平行设置在平台底板上方的两组直线导轨、分别滑动连接在两组直线导轨上的若干直线滑块，垂直于高压电线仅是指在作业过程中两组直线导轨相对于高压电线垂直，直线滑块可拆卸的固定连接在横移立架底部，使得横移立架可以沿直线导轨往复推动；升降机构包括电动升降杆、可拆卸的固定在电动升降杆顶部的定位支架，电动升降杆底部可拆卸的固定在横移立架上，电动升降杆以横移立架为支点抬定位支架和升作业平台；作业平台包括机器人安置盒、连接机器人安置盒底部并用于驱动机器人安置盒相对高压电线往复移动的平移模块、连接平移模块底部承载平移模块的承接支座，承接支座固定在定位支架中下部，平移模块可以通过电机结合丝杆和滑块或者电机结合传送带等方法实现机器人安置盒相对高压电线往复移动。

图2 绝缘涂敷装置实际应用场景

4 总结与展望

本文研制开发一种安全经济的配网架空裸导线带电涂敷绝缘材料机器人装置，其具有集成化的涂敷模块及行走模块，能适应裸导线现场绝缘化施工要求，实现绝缘化涂装，施工便捷，绝缘化后的导线能正常运行，相比现有的人工涂敷绝缘材料的方式，工作效率高且安全可靠，在配电网系统中具有广阔的市场应用前景。