GIS智能拆装平台系统的设计

● 国网浙江省电力有限公司 林 磊 徐 华 钱 平 浙江·国网绍兴供电公司 李国光

湖南长高电气有限公司 张建成

1 技术背景

1.1 传统作业方式的不足

随着电网往高电压、大容量、集约化等方向发展，GIS组合电器设备正越来越被各级电网使用，近几年的各类设备故障中，GIS故障占比最高，因此其安装与检修的工作量也越来越大，但目前传统作业方式存在以下问题。

（1）现有条件拆装作业可行性差。现有的GIS变电站开关室内绝大多数内一般无法使用吊机作业，同时大多数没有配置电动行车，只在屋顶预安装了吊环，由于吊环位置无法移动，使得其适用性大打折扣。此外当局部停电作业，附近存在带电物体时，吊机的使用也会受到很大限制。

（2）非标准化作业存在安全隐患。目前GIS设备安装中人力、物资等临时性问题较多，人员缺乏专业培训，设备缺乏质量监控，导致在GIS安装作业过程中存在安全隐患。

（3）GIS设备安装质量仍有提升空间。特别是在GIS气室接触面对位时，工件被吊至大致位置，然后利用人力以及吊索的柔性精确调整位置，在此过程中受吊索的自然晃动影响，对位的可靠性和准确性时有不足，存在质量隐患风险。

（4）作业劳动力密集程度高，不符合生产力进步方向。目前GIS拆装作业，要求多人多日工作，且劳动强度较大，但随着社会进步及生产力发展，劳动力成本将会不断提升，势必要求向技术密集型的智能化装配方向转变。

1.2 相关研究现状

目前针对GIS设备智能拆装柔性装配系统国内还处于空白阶段，现在广泛应用的机器人都属于第一代工业机器人，它的基本工作原理是示教再现。示教也称导引，即由用户导引机器人，一步步按实际任务操作一遍，机器人在导引过程中自动记忆示教的每个动作的位置、姿态、运动参数、工艺参数等，并自动生成一个连续执行全部操作的程序。完成示教后，只需给机器人一个启动命令，机器人将精确地按示教动作，一步步完成全部操作 。使用工业机器人的好处有：减少劳动力费用，降低生产成本，提高生产质量与效率，增加生产柔性，减少危险岗位对人的危害等。

2 GIS智能拆装平台系统设计与分析

2.1 机器人系统设计

根据已有的实地调研数据，典型变电站GIS设备220kV分支母线筒体直径290～400mm，筒体中心高2500～3500mm；设备安放区域周围为碎石路面，通道及设备基础为水泥路面。

根据以上现场条件提出如下技术要求：

（1）灵活性要求。考虑机械臂的工作状态，在履带车静止不动时，只需要调节机械臂，使抓持GIS分支母线到达目标位置，需要完成机械臂能够稳定地完成举升、回转、平移等动作，要求机械臂灵活性能好，其主要表现在机器人的关节活动速度和关节活动范围。

（2）额定载荷要求。采用典型5m长分支母线的结构组成，参考各部件的材质及重量，合计重量为295.54kg，因此要求夹具的负载应不低于300kg。

最大设计应能夹取的分支母线重量为300kg，夹具质量为165kg，因此机器人额定载荷大于465kg。

（3）机器人质量要求。同时移动机械臂是机械臂搭载在履带车上，履带运输车负载限制为4000kg，且GIS分支母线的质量为300kg，夹具质量为165kg，控制柜及其他附件合计一般不超过100kg，这就要求机器人质量不超过3435kg。

（4）最大举升高度要求。以广泛调研的变电站GIS数据为基础，筒体中心最高3.5m，因此要求最大举升高度至少也为 3.5m。

（5）机械臂类型要求。机械臂外形结构和坐标形式有多种，一般是综合考虑工作空间大小、结构设计和控制设计难易程度、操作灵活度等实际工程需要来选择的。由于站内情况复杂，GIS间隔间可能没有开阔的空间，因此需要较高的灵活性，因此需选用关节型机器人而非单臂性机器人。

（6）机器人控制器的通讯协议开放，并为用户提供接口模块，方便用户的二次开发。

GIS智能拆装平台系统主要由夹具、机械臂、计算机、工业相机、机器人控制柜、履带运输车等组成。

2.2 智能机器人选型分析

依据以上机器人技术指标分析，选择KR600机器人。机器人由固定座、转动座、下机械臂、上机械臂、万向头和专用夹具组成。每个部位的转动通过控制伺服电机实现，机器人配有示教器，用于机器人的手动操作。

2.3 自动夹具设计

为了避免分支母线外壳发生塑性变形，设计夹具时，主要靠V型面托起分支母线。设置有4个动夹爪，保证夹具能够可靠夹紧分支母线，每个动夹爪上都设有传感器，保障作用力均衡分布。

GIS自动夹具用于夹取GIS分支母线，根据实际工况提出以下设计指标：

（1）应能夹取不同直径规格的分支母线。考虑220kV电压等级分支母线，根据调研，各厂家分支母线外径规格在290～400mm，为充分考虑特殊情况，要求最大能夹取外径为420mm的GIS工件。

（2）应能夹取不同长度的分支母线。同样考虑220kV电压等级分支母线，长度一般在2～5m。对于长度较短的分支母线要求夹爪间的水平间隔不超过2m。

对于长度较长的分支母线主要考虑其重量，典型5m长分支母线各部件的材质及重量计算结果见表1，合计重量为295.54kg，因此要求夹具的负载应不低于300kg。

表1 分支母线各部件重量计算结果

（3）不应损坏分支母线外壳。一方面要保障各夹爪受力均衡，不会出现局部应力集中；另一方面在各夹爪受力平衡的情况下，对GIS工件外壳的压强不应超过外壳材质的屈服强度，GIS分支母线外壳一般采用6005-H112、5052-H112或者5A05-H112的铝合金材质，壁厚大部分采用6mm，也有采用8mm的，其中5052铝合金屈服强度最低为70Mpa，即要求夹具受力面最大应力不超过70Mpa。

（4）夹具自身不应损坏。即在最恶劣工况下，夹具各部分收到的最大应力不超过材料自身的屈服强度。

（5）为防止失电导致夹具所夹持的GIS工件突然掉落，导致人员或财产安全风险，因此要求具备失电自保持功能。

自动夹具的设计图如图1所示。

图2 自动夹具设计图

2.4 履带运输车设计

根据GIS智能拆装平台系统的现场工况，对履带运输车提出以下设计要求：能平稳支撑GIS智能拆装机器人；减少智能辅助平台对路面的损伤；采用合适的动力源。

根据以上要求，设计的履带运输车指标如下：

履带运输车设计尺寸为3500×1500×750mm（长×宽×高），带可伸缩式支腿，采用T型螺纹，手动调节履带运输车的水平，4个支腿伸展后的最大尺寸2250×3500mm，有效保证GIS拆装智能辅助平台在工作时不会倾覆。

履带运输车的履带采用钢制履带 （宽度350mm），并在钢制履带上挂胶，既减少智能辅助平台对路面的损伤，也方便橡胶块损坏时更换。

履带运输车采用电池作为动力源 （或者采用柴油机或汽油机），履带运输车独立操作，不与机器人操作混合。

3 结论

综合以上分析，根据变电站GIS智能拆装平台系统的现场工况，设计的机器人额定载荷大于465kg，机器人质量不超过3435kg，最大举升高度至少为3500mm。夹具的负载应不低于300kg，夹具受力面最大应力不超过70Mpa。选用KR600机器人满足现场要求。履带运输车的设计尺寸为 3500×1500×750mm（长×宽×高），采用钢制履带（宽度350mm）。通过对GIS智能拆装平台系统设计与分析，可以提高GIS拆装作业的安全性和可靠性。