10kV配电线路带电抢修作业机器人实用化研究

常健 李勇 王培崇

摘 要：为了进一步提高10kV配电线路带电抢修的作业效率，满足人们日益增长的用电需求，文章以带电抢修机器人作为主要研究对象，通过对其系统构成进行说明，在结合其主从操作液压机械臂及其控制系统的基础上，进而对10kV配电线路抢修作业机器人的专用作业工具展开了设计和分析。

关键词：10kV配电线路;带电抢修;机器人实用化

前言

对传统的10kV配电线路抢修作业进行分析可知，其不仅需要全线停电，而且还需人为检查线路故障，在增加维修成本的同时，也为地区人们的生活带来了较大不便。基于此，将10kV配电线路带电抢修作业机器人引入线路的故障处理过程中，确保供电持续性的基础上，提高线路抢修的可靠性和安全性，具体设计如下。

1 、带电抢修机器人系统构成

对带电抢修机器人进行分析可知，其主要包括了整体作业平台、折叠伸缩绝缘手臂以及移动汽车和控制装置等部分，其中，整体作业平台主要由绝缘斗以及机械手臂绝缘子支承和机器人操作系统构成，其功能主要是为抢修人员提供作业平台[1]。折叠伸缩绝缘手臂设定在移动汽车底盘，主要任务将运送机器人作业平台至线路作业的具体位置。移动汽车主要负责运送其他三部分到具体故障地点进行线路抢修，而控制装置则主要由上、下两部分组成，其中，上部控制装置位于机器人作业平台中，具有全方位操作手柄，实现绝缘斗内部的流畅操作，下部控制装置则位于回转塔处，设有上部控制装置切换按钮，实现上下两部分控制装置的功能切换。

2 、主从操作液压机械臂及控制系统

主从操作液压机械手臂是10kV配电线路带电抢修机器人的核心，其主要作用是将作业人员同高压电场进行分离，帮助抢修人员完成作业任务，故其应具备精度高、持重大以及自重小和实时性与稳定性好等特点。对其各部分构成进行如下说明：（1）液压机械臂。液压机械臂自重较轻且持重较大，具有良好的动力特性，操作灵活便捷，通过操控主手臂实现专用工具的夹持功能，以完成带电作业任务;（2）主手。主手的拓扑结构与液压机械臂相同，主要功能为实现对从臂各关节位置的伺服控制，由于主手的各个关节处大都具有较高精度的旋转电位计与力矩电机，故能够帮助操作者获得最大的操作舒适性，提高对液压机械手臂的控制效率和精度;（3）液压供油单元。液压供油单元是带电抢修作业机器人液压系统的动力源，而为了避免其灵敏度受到油损影响，必须对液压油进行过滤处理，处理要求为：流量11L/min;压力：10.3-20.6MPa，液压油清洁度为3-25maf;（4）主从控制系统。主从控制系统是液压机械臂实现抢修动作的关键，位于绝缘斗中的操作人员左右两手分别操控左右两主手，使其克服各关节力矩和电机阻力进行联动，位于左右两主手的各关节电位计把发生在各关节轴的旋转角转化为电压信号，并传送至左右微控制器中，微控制器经由光纤将信号传至左右液压伺服控制盒，在伺服控制盒的作用下，旋转角度的电压信号将实现对左右机械臂伺服阀的控制，从而变更进入从手中各个关节的液压流量，向左右手臂各个关节施加驱动力，驱动关节运动。

3 、10kV配电线路抢修作业机器人专用作业工具

3.1 自动剥皮工具

考虑到现有10kV架空导线长期裸露在外，受外部环境影响严重，外层绝缘层难以剥除，从而增加线路抢修的难度，而以人工操作为主的线路抢修不仅绝缘防护较差，而且效率较低，安全性较差。因此，所设计的10kV线路带电抢修机器人的自动剥皮器需要具备结构简单、安全性高和作业效率高等相关特点。设计由直流减速电机、连杆、曲柄、摇杆以及棘爪、棘轮和刀头等构成的作业机器人自动剥皮工具，在实验室搭设加工导线，并现场模拟自动剥皮功能，此类机器人自动剥皮工具不仅能够为机械手的夹持操作提供便利，而且其压线也极为牢固，有利于其自动剥皮功能的实现。

3.2 自动电动扳手

对电动扳手进行分析可知，其在10kV配电线路带电抢修过程中具有紧固螺母和夹紧线夹的作用，其主要分为安全离合器式与冲击式两种类型，其中，安全离合器式电动扳手以一种手臂达到力矩时便脱扣的安全离合机的结构完成对螺纹件的装拆，而冲击式电动扳手则与冲击力力矩完成螺纹件的装卸。将自动电动扳手引入带电作业的机器人中不仅有利于加持操纵，而且经改造后，其还可以用于扭转M8-M14的标准螺栓，并实现遥控控制。在工作头方面，选用柔性导向扳套，其开口形状同固定螺栓头尼龙导向柱相匹配，从而在紧固螺栓的过程中，便于其工作头与竖直方向的六角螺栓头相对准，提高操作精度。

3.3 自动破螺母与电动断线钳

对于10kV高压线路中已生锈或是无法拆卸的螺母，应以电动破螺母为主要工具进行操作，其主要由电动机、传功机构以及工作头、电源开关和外壳、手柄、电池等相关部件构成。电动破螺母将高能量电池作为其主要动力来源，不仅重量较轻，而且对于输配电杆塔的高空作业也具有较强的适应性。通常，自动破螺母工具设计较为紧凑，且使用较为便利能够对破螺母的大小予以调节，从而以360°可旋转工作头支持机器人不同破螺母作业角度的运转。在电动断线钳方面，其主要由电动机、传功机构以及工作头、电源开关和外壳、手柄等部分构成，电动断线钳的使用应以夹持操纵的便利性为主，并在断线钳工具中设计专门的机械手夹持机构，并将控制盒置于电动断线钳传统部分的尾部，从而实现断线钳的远程遥控。

3.4 绝缘防护

绝缘防护是确保机器人能否正常作业的基础和前提。多数情况下，应采用多级绝缘防护系统确保机器人和操作人员的安全，其中，一级防护下，平台由缠有环氧玻璃布的绝缘钢结构支架进行焊接而成，并在底部粘有绝缘环氧玻璃板，并将绝缘套予以外包，避免相间短路情况发生。二级防护下，机器人的带电作业依赖绝缘斗臂车为操作人员提供对绝缘防护，确保操作人员安全;三级防护下，位于绝缘斗中的操作人员对机械臂进行远程操控，使其夹持专业工具进行高压线路作业，确保操作人员的人身安全。在带电抢修机器人作业方面，2013年在黑龙江电力公司10kV配电线路中进行多次上线运行与下线测试，在现场的多次调试与系统优化后，作业机器人各项功能均得到了良好改善，黑龙江电力公司带电作业班多次应用带电机器人对省内10kV高压电线路进行抢修作业，较好地完成了剥皮、加盖遮蔽罩以及接线和断线等工作。

4、全面准确的把握勘察作业的现场环境

10kV配电线路故障抢修要建立在抢修人员对抢修现场全面、准确了解的基础上，所以要缩减抢修过程中存在的危险点，首先抢修人员需要扭转过去依靠经验或主观判断而忽视实地考察的错误认识，这是保证带电安全作业的重要途径;其次，在进行抢修的过程中必须使用安全工具，以此缩减可能存在的危险点;再次，当故障抢修的过程中发生天气变化，出现不利于10kV配电线路故障抢修的暴雨、大风等天气，应立即停止抢修工作，以此保证抢修人员和电网构成部分的安全。工作过程中，所有程序尽量用电脑指挥机器人完成，能用机器人替代人工的尽量用机器人，不仅是干活速度快，准确率高，还能减少工作人员的劳动意外风险。

5、结束语

文章通过对带电抢修机器人系统构成进行阐述，并对带电抢修作业机器人液压机械臂构成及其控制系统原理予以说明，分別从自动剥皮、自动电动扳手、自动破螺母与电动断线钳和绝缘防护等方面对10kV配电线路抢修作业机器人专用作业工具做出了系统探究。研究结果表明，10kV配电线路抢修作业机器人能够较好地实现对10kV线路的各类优化作业，具有良好的使用和推广价值。

参考文献

[1]胡毅，刘凯，彭勇，等.带电作业关键技术研究进展与趋势[J].高电压技术，2014，7.

[2]胡毅.输配电线路带电作业技术的研究与发展[J].高电压技术，2011，11.