架空输电线路绝缘子检测机器人的设计与研究

张林华，池艳东

（云南电网公司 楚雄供电局，云南 楚雄 675000）

在高压、超高压输电线路中，绝缘子性能对整个输电线路的安全运行有着重要的影响。随着高压、超高压输电线路的铺设，线路中的绝缘子数量也越来越大。长时间运行后，由于受到各种环境因素的影响，部分绝缘子出现老化或劣化现象。长期运行会出现绝缘电阻降低、表面污秽、开裂甚至击穿等故障；当线路中有一定数量的劣化绝缘子存在，会引起闪络现象，导致绝缘子掉串，严重影响输电线路整体安全，作为架空输电线路中重要的支撑部件，在保证电力系统的安全运行、供电安全方面具有非常重要的作用。为了保障输电线路的安全运行，需要定期对线路的绝缘子进行检测，确定绝缘子是否需要更换。超高压输电线路巡检目前主要采用人工巡检作业方式，劳动强度大、费用多且危险性高。随着工业发展，电网容量的增大和额定电压等级的提高，使电力系统输电线路污闪事故日益突出，检测超高压输电线路的不良绝缘子已成为国内外电力部门十分关注的问题。

近年来，国内外一直在探索绝缘子检测的各种方式方法，目前国内绝缘子检测方法仍为人工检测，人工检测方式工作环境差，人员投入大，检测效率低，而且易造成漏检及误检。所以为线路绝缘子设计一款绝缘子检测机器人来保证绝缘子的安全可靠运行具有重要意义。

1 概 况

绝缘子检测机器人是由机器人本体结构、机器人控制系统、检测系统及无线传输系统组成的一个复杂系统，机器人融合多项技术如电磁屏蔽技术、信息无线传输技术、多传感器应用技术。绝缘子检测机器人可以在实际的架空输电线路中代替线路检修人员完成对绝缘子串的检测工作，当绝缘子检测机器人检测发现劣化绝缘子片时，机器人将向监控后台发送警示，预警绝缘子片的绝缘状态。绝缘子检测机器人能够完成在绝缘子串上的上、下行运动，且能够准确的在检测位置定位，完成绝缘子片的检测工作。

绝缘子检测机器人本体可作为一个移动平台，可以通过搭载不同的检测仪器或设备完成以下的几个功能：

1）自动检测

将机器人放置于绝缘子串上，机器人可以沿着绝缘子串上、下自动行走，通过检测仪完成对绝缘子片的绝缘特性检测，检测结果为分布电压或者绝缘电阻，从而确定劣质绝缘子，机器人将检测结果实时传输至监控设备，给予检测人员警告。

2）外观识别

通过搭载微型摄像机，绝缘子检测机器人可以监控绝缘子片的外观，如钢帽、瓷片裂纹等缺陷进行识别，检测表面污秽，通过天线将机器人监控的图像实时传送至显示仪器。

3）智能操控

绝缘子检测机器人可以按照预先设计的程序进行绝缘子串的检测，也可根据现场环境更改机器人运动逻辑及运动速度，使机器人的控制更加机动灵活，更加符合现场的实际场合。

2 绝缘子检测机器人系统设计

2.1 绝缘子检测机器人本体系统设计

绝缘子串检测机器人外观见图1，检测机器人主要由爬行部分、伸缩部分组成，爬行部分的主要功能是实现机器人在绝缘子串上的前后爬行动作，爬行部分为两组对称安装方式，此结构保证机器人的受力更加均衡，整机中心分配更加合理。伸缩部分保证了将机器人顺畅的放入绝缘子的环抱中，通过伸缩两个动作完成机器人在绝缘子串上的轴向限位，保证机器人的运动路径的合理性。机器人在前后的爬行过程中，转动件将深入两片绝缘子形成的间隙中，转动件通过在此间隙中旋转完成机器人在绝缘子串上的前后位移。

图1 绝缘子串检测机器人产品图Fig.1 The insulator strings detection robot product figure

机器人的转动件应该尽量靠近绝缘子片的边缘；可保证机器人可顺利通过均压环见图2；从而保证了机器人能够完成对整串绝缘子的检测工作。

图2 输电线路均压环Fig.2 The equalizing ring in the transmission lines

2.2 检测机器人控制系统设计

绝缘子检测机器人控制系统总体分为：机器人本体部分和无线监控设备部分见图3，本体部分完成机器人位置信息的采集及判定，输出控制攀爬指令完成机器人智能前后爬行动作，机器人上运用多个位置传感器，电路采用PID闭环控制系统，向绝缘子电阻检测模块输出控制命令完成检测并读取检测信息，将绝缘子检测信息通过无线模块传输给无线监控设备，完成机器人与地面操作人员的人机信息交互。

绝缘子检测机器人本体系统软件采用C语言编程，软件平台应用ICCAVR编译平台和KEIL MDK软件编译平台，调试平台应用ATMEL的AVR Studio 4.02。软件采用模块化设计，易于维护和扩充，可移植性强。监控终端基于Windows操作系统，采用Visual C++进行终端软件测编写。

图3 绝缘子机器人控制系统示意图Fig.3 The schematic diagram of the insulator string robot control system

2.3 绝缘子片的样机实验及零值检测

由于绝缘子与输电线、杆塔之间存在杂散电容，导致绝缘子串上的电压并非均匀分布，局部场强较高，从而容易产生电晕、劣化、闪络甚至击穿。绝缘子串的等值电路见图4。为防止运行中的绝缘子被击穿，必须要使绝缘子串上分压最小的绝缘子其压降小于击穿电压，并留有一定裕度。由于分布电压能反映绝缘子的一些电气特性[6]，如污秽分布状况，绝缘子绝缘状况等。因此，检测绝缘子串的电压分布情况具有很大意义。

图4 绝缘子串的等值电路Fig.4 Equivalent circuit diagram of the insulator strings

对绝缘子检测机器人在进行高压带电试验，通过采用“绝缘子电压分布测量仪”来判劣质绝缘子片，其中的第5片绝缘子为在搭建试验环境时人为放置的劣质绝缘子，在线路端依次施加220 kV、330 kV、500 kV线路电压，由机器人分别3次进行带电检测，现场高压试验见图5。在220 kV线电压测试时，试验结果如图6所示。

通过在高压试验室对绝缘子串的带电测试，试验结果如下：

1）绝缘子检测机器人成功的完成第5片裂化绝缘子的检出工作，检测结果与实际结果相同，机器人的检测精度可靠，绝缘子检测机器人将检测结果传输至监控终端，结果直观。

2）绝缘子检测机器人的爬行速度在实际环境下可以按照需要设置，检测时间短，移动速度快。

图5 220 kV带电试验图Fig.5 The 220 kV electric test

图6 绝缘子检测机器人检测的电压分布图Fig.6 Inferior insulator string voltage detection maps

3 结束语

绝缘子检测机器人基于输电线路绝缘子串分布电压的特点，结合线路的高场强环境特点，采用电磁屏蔽技术、数据采集及无线传输技术，完成了绝缘子检测机器人在高压试验室的带电试验，成功的检出其中的裂化绝缘子片。该机器人结构紧凑，移动速度快，提高了绝缘子片检修工作的效率，为实际架空输电线路大量的绝缘子片检修工作提供了新的解决思路，为保证架空输电线路的可靠、安全运行提供了新的技术保障。

[1]Q/GDW 515.1-2010交流架空输电线路用绝缘子使用导则 第一部分：瓷、玻璃绝缘子[S].中国电力出版社:国家电网公司，2010.

[2]朱虎，李卫国，林冶.绝缘子检测方法的现状与发展[J].电瓷避雷器，2006（6）:13-17.ZHU Hu，LI Wei-guo，LIN Ye.Status and development of detection methods insulators[J].Porcelain Arrester，2006（6）:13-17.

[3]聂一雄，尹项根，刘春，等.浅论绝缘子串电晕电流的统计特性[J].高压电器，2003（5）:29-31，35.NIU Yi-xiong，YIN Xiang-gen，LIU Chun，et al.On the statistical properties of the insulator string corona current[J].High-voltage Electrical，2003（5）:29-31，35.

[4]王计朝.北京输电线路用绝缘子运行现状[J].电气应用，2009（1）:38-40.WANG Ji-chao.Beijing transmission line insulator situation[J].Electrical Applications，2009（1）:38-40.

[5]刘玉，饶雪.高压输电线路绝缘子状态检修的研究[J].电子设计工程，2013（16）:161-163.LIU Yu，RAO Xue.The status maintenance for electrical insulator of high voltage power transmission lines[J].Electronic Design Engineering，2013（16）:161-163.

[6]祝敏，张辉，雷震.分布式测控系统在发动机试验中的应用[J].火箭推进，2013（5）:98-102.ZHU Min，ZHANG Hui，LEI Zhen.Application of distributed measurement and control system in liquid rocket engine test[J].Journal of Rocket Propulsion，2013（5）:98-102.