基于无人机的绝缘子清扫测零装置研究

文/龚金栋，国网湖南省电力有限公司常德供电公司

1 引言

电力架空线路使用的绝缘子表面积污很常见，运行一段时间就要清扫。清扫方法一般采用人工清扫、机械清扫或带电水冲洗，人工清扫、机械清扫费时费力，带电水冲洗成本高。无论采用以上哪种方法，对于绝缘子上的灰尘或污垢都要及时进行清扫，如果清扫不及时，就可能发生污闪事故。输电线路绝缘子的清扫一直是供电部门的老、大、难问题 。

另外，绝缘子串随着户外风吹日晒和长期电压作用，可能会有个别瓷瓶不绝缘。这个瓷瓶绝缘被破坏，绝缘电阻接近0，在瓷瓶串上承担的电压值也接近于0，故被称为“零值绝缘子”， “零值绝缘子”不及时发现和更换就可能会发生导线电压击穿所有好的绝缘子而导致单相接地的情况，影响正常供电。传统的火花间隙测试设备需要人工上塔，带电作业，既不安全又测量效率低，漏检错检问题较多。

因此现场迫切需要利用最新科技开发自动绝缘子清扫测零设备，用来解决长期以来困扰电力系统架空线路污闪的技术难题。本项目应用最新的无人机技术和无线通讯技术，开发研制一种绝缘子带电清扫测零机器人，实现了对输电线路绝缘子的远程无线清扫测零，大大降低了劳动成本，提高了工作的安全性。

2 系统结构与实现

2.1 系统设计原理

应用最新的机器人技术和无线通讯技术，开发研制一种绝缘子带电清扫测零机器人，主要由无人飞机、清扫摄像机、伸缩式绝缘转动杆、摆动机构和清扫头和测量叉组成。

使用时，遥控器操作无人机起飞到待清扫绝缘子外侧悬停。无人机携带专用绝缘的刷头，以高能电池配合微型电机为动力，通过绝缘传动杆带动清扫刷头实现对绝缘子的清扫。特别难清的沾上少量蒸馏水或电力清洁剂通过电动绝缘杆使刷头摩擦绝缘子表面将污秽清除。电机驱动伸缩式绝缘转动杆转动，伸缩式绝缘转动杆则驱动摆动机构使清扫头在绝缘子上作推磨式摆动而将尘埃擦去，经逐层擦试后再从颈部撤离而完成清扫，不断地刷去绝缘子表面上的污垢，从而保证绝缘子表面清洁，防止污闪事故发生。还可增设喷吹装置，用风将擦扫的污垢和灰尘吹掉而更洁净。

测量零值由无人机携带无线测零叉飞到绝缘子附近悬停，测量叉将测得的绝缘子电场值传送到地面显示器判断是否零值绝缘子。

2.2 系统硬件结构

主要由无人飞机、清扫摄像机、伸缩式绝缘转动杆、摆动机构和清扫头和测量叉以及地面站组成。

2.2.1 无人机

无人机采用最新小型无人机，由飞行控制系统自主控制的一键式自动垂直起飞，可使飞机在甚至有风雨的情况下自动垂直爬升之指定高度后，自动转为定点悬停模式，交由人为操纵飞机飞行，在任何情况下，可一键式控制飞机自动返航，命令飞机以最短路径返回起飞点，并垂直下降至指定高度悬停，可一键指令飞机降落，飞机空中下降至10米第一次刹车，并缓慢降落至地面，在接近地面至5cm时进行最后一次刹车，轻盈的降至地面，并关闭油门和锁定保险。该机实现了 精确指点：飞机在高于30米的空中飞行时，在地图上单击目的地点，飞机将执行指令模式，精确飞往指定目的地。

图1：系统硬件组成

定点悬停：飞机在空中飞行的任何情况下，点击定点悬停按钮，飞机会执行空中制动，并迅速定点在当前位置，达到在空中几乎处于静止的状态。

手动控制：在飞机处于定点悬停模式时，可推动飞行摇杆使飞机在空中进行前后左右的手动飞行。这个功能很重要，可通过这个模式找到最合适的位置使飞机精确降落。

高度控制：在飞机处于定点悬停模式时，可通过高度控制操作杆，控制飞机垂直爬升和垂直下降，使飞机达到需要的高度。 这些功能保证了遥控的稳定性和安全性。

2.2.2 高清清扫摄像头

特制单反相机云台，可严格保持相机姿态，可抵消飞行时姿态的变化而造成的相机倾斜和俯仰，并且可大大消除飞机本身的震动。在任何情况下，可通过云台控制操作杆对云台进行俯仰和横滚的操作，使得可以以任何角度拍摄稳定的视频并将信号远传回地面站，便于工作人员清楚的观察输电线路情况。

2.2.3 清扫结构

图2：清扫结构组成

清扫机构由伸缩式绝缘转动杆、摆动机构和清扫头组成。根据清扫需求，带清扫刷对绝缘子表面进行清扫，对于污垢比较严重的区域遥控发送命令打开电磁阀从碰头喷出水雾，对绝缘子进行喷洒，再行搽除。

图3：无人机清扫装置实物图

2.2.4 绝缘子测零

图4：绝缘子测零流程

利用DC/DC升压电路模块把12V直流电压升压到2500V，检测时2500V直流检测电压通过金属检测臂直接加在待测绝缘子的上下金具上，检测系统采集由此产生在绝缘子上的泄露电流，进行相关的放大滤波处理。处理后的数据传送到高精度单片机的A/D采样端，由单片机进行绝缘子的阻值的计算，从而判断出是否为零值或者低值绝缘子，并把最后的检测结果通过自带的显示屏实时显示并发回到地面站计算机。这样做的目的是既可以实时看到检测结果，又可以把相关数据通过地面站计算机进行回放和保存。

2.2.5 地面站系统

整个无人机的绝缘子清扫、测零、喷吹以及清除异物全部通过无线传输，由地面站人员遥控完成。地面站系统利用LabVIEW 设计开发而成，具有显示效果直观，可以方便保存数据等优点。Lab VIEW 是美国国家仪器公司推出的一种基于图形开发、调试和运行程序的集成化环境，是目前国际上应用最广、发展最快、功能最强的编译型图形化编程语言。

3 装置的集成与测试结果分析

3.1 装置的集成测试

整个装置通过单元模块设计测试，组装集成测试的模式，组成系统。 分为一键自动模块、精准指点模块、定点悬停模块、推拉摇感模块、清扫模块、测零模块、地面模块。

3.2 结果分析

经过多次定点飞行及返回，对指定地点的上升俯冲，在远程可以清晰观察绝缘子的表面污染程度，机器人对绝缘子进行了清扫，清扫后明显干净，并对该绝缘子进行了测零，测零数据准确返回。机器人对电网悬挂风筝剪短，操作准确，几乎不受风力影响。

3.3 创新点

3.3.1 通过无线技术、人工智能、机电一体化技术、计算机技术和微电子技术将该数学模型通过实际的电子装置实现无人机携带专用机器人以及机器人远程无线作业的数学控制模型。

3.3.2 实现了基于无人机的机器人清扫测零装置。

3.3.3 为今后电力机器人的研发提供样板。

4 总结

在经济迅速发展的当今形势下，电网的覆盖面越来越大，工人巡检的范围也更大，人们用电需求增大，一次污闪事故造成的损失也增大，因此对电网建设也必将要求更加完善自动化，基于无人机的清扫测零装置就是这个自动化的一部分，它的使用将工人从繁重的长途跋涉中解脱出来，提高工作效率，给电网的维护节省了费用，增加了效益，所以前景非常好，可适用于在本工程重污区线路中推广使用。