气体绝缘金属封闭开关设备检修机器人研究进展

李文胜, 刘刚峰, 聂 铭, 王 伟, 麦晓明, 吴 昊, 赵 杰

(1. 广东电网有限责任公司电力科学研究院，广州 510080；2.哈尔滨工业大学机器人研究所，哈尔滨 150040)

气体绝缘金属封闭开关设备(gas-insulated metal-enclosed switchgear，GIS)被广泛应用于电网[1-3]。一旦GIS内部发生故障(如广东电网东莞500 kV横沥站“4·11”事件[4])，轻则损失负荷、影响设备安全，重则导致大面积停电，对整个电网的安全稳定运行造成很大影响。由于GIS是多种复杂元器件组合的大型电网设备，导致其故障成因复杂，故障点难以发掘，故障难以排除[5-7]。GIS设备的故障主要有生产、运输、安装等不合格或温度、压力、震动频率变化引起的机械故障[8-9]以及颗粒物、突起、接触不良引起的绝缘故障等[10-11]。

除了对某些特定故障如局部放电等需要特定的检测手段和设备以外[12-13]，目前GIS内部故障点查找的普遍手段是人员入罐检查，内窥镜检查[14]和X射线透视检查[15-16]作为辅助手段。人员入罐检查存在狭小空间活动受限，经验判断，工作效率低，易污染GIS内部，接触有毒气体或化合物，密闭空间作业人身风险大、劳动强度大，人力、设备、资金投入大等缺点。内窥镜检查难以纵深检查，视场受限，成像效果有待改进。X射线透视检查则存在获取的结构信息不够全面和直接，检测部位受限，费时费力，辐射风险大等问题。

GIS设备内部的缺陷或事故处理以及计划检修均人为拆解设备[17]，人员须进入GIS罐内，特别是母线设备[18]，存在停电范围大、作业风险高、流程项目多、持续时间长、资金费用高等缺点。研制GIS腔体微型机器人[19-20]代替人员入罐巡视检查、快速查找故障点，避免人员接触有毒气体或化合物，并可进入狭小空间完成人员无法触及的部位，减少作业时间[21]，具有明显的安全和经济效益。

以广东电网为例，截至2017年底，GIS挂网运行间隔数共4 999个，其中2017年新增GIS间隔379个。此外，广东电网GIS间隔投运年限以6～15 a为主，40%开始进入10 a以上，需要加强维护。针对新增间隔安装调试检查和运行间隔开盖检修维护，广东电网对GIS腔体机器人的年需求量可达一千次。因此，研制GIS腔体检修机器人对电网安全生产作业十分必要。

1 中外相关技术研究现状

近年来，电力系统机器人技术[22]发展较为迅速[23-24]，特别是变电站巡检机器人[25-27]、架空输电线路[28-29]和高压电缆巡检机器人[30-31]以及电缆隧道巡检机器人[32-33]已陆续研发出样机，并取得一定程度的实际应用。然而，GIS设备腔体检修机器人的研究少见报道。目前，机器人技术已经发展到较高的水平[34]，具备应用到GIS腔体检修的技术条件[35]。

文献[36]重点介绍了管道机器人的研究应用情况。管道机器人是一种可沿细小管道或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统。经过多年的研究和发展，国内外在管道机器人领域取得了较多的成果，研制了一系列不同结构和驱动形式的管道机器人产品或样机[37]。

日本东芝公司Suzumori等[38]于1999年研制了一种用于管道内径φ25.4 mm的微型管道检测机器人(图1)，机器人前端安装有高分辨率的小型CCD摄像机和用于微小目标作业的微操作手。韩国成均馆大学Kim等[39]研制了MRINSPECT系列(Ⅰ～Ⅶ)管道机器人(图2)，其中MRINSPECT Ⅶ可适应管径φ150～200 mm。瑞士Fabien等[40]研制了具有高移动性能的磁力轮式机器人(图3)，可用于对结构复杂的铁磁体管道进行无损检测，可适应内径φ200～700 mm的管道。日本九州工业大学Nassiraei等[41]研制了用于下水管道的智能检测移动机器人KANTARO(图4)，采用无缆作业方式，可适应内径φ200～300 mm的管道，携带鱼眼摄像头、激光扫描仪、红外传感器对管道进行检测，可顺利通过弯管和支叉管。韩国汉阳大学利用扭力弹簧设计了一种可以具有可折叠链轮机构的小型管道机器人[42]。加拿大多伦多大学设计了一种带有自锁机构以提高牵引能力的小型管道机器人并进行了测试[43]。美国纽约煤气集团公司Vradis G C和卡内基梅隆大学Schempf H开发了用于地下煤气管道检测的管道机器人系统 EXPLORER[44](图5)，机器人自携电池，采用无线通信方式，一次作业距离可达500 m，可通过90°弯管和T形管道，利用机器人前端“鱼眼”摄像头对管道内部状态进行观察。

图1 日本东芝公司开发的微型管道检测机器人Fig.1 Micro pipe-inspection robot carrying a recovered object in a 1-in pipe developed by Toshiba

图2 MRINSPECT系列管道机器人Fig.2 MRINSPECT series pipeline robot

图3 磁力轮式管道机器人MagneBikeFig.3 Magnetic wheels pipe robot MagneBike

图4 管道检测机器人KANTAROFig.4 Pipe inspection mobile robot KANTARO

图5 煤气管道检测机器人EXPLORERFig.5 Gas pipe detection robot EXPLORER

图6 煤气管道检测机器人本体样机Fig.6 Prototype of gas pipeline inspection robot

张云伟[45]于2007年研制了一种煤气管道检测机器人系统(图6)，利用摄像头对管道内部信息进行采集，利用漏磁检测对管壁进行无损检测，采用视觉导航技术和差动控制使机器人通过弯管或T型管道，适应管径φ400～600 mm，采用拖缆方式，单程运动距离可达1 000 m。李鹏等[46]于2009年研制了一种采用螺旋驱动具有管径自适应和速度自适应功能的管内探测机器人(图7)，在内径为190、180 mm的管道进行了行走与越障试验。哈尔滨工业大学[47- 48]针对海底管道系统于2011年研制了一种具有差动运动功能的环境自适应三轴差动式轮式管道机器人(图8)，具有良好的弯管通过性能，在φ310 mm的管径进行了样机试验。西华大学与香港大学合作开发了一系列管道机器人[49]，于2011年研制出被动螺旋式管道机器人实验样机，2012年研制出履带式螺旋管道机器人，2013年开展了基于遗传算法的锥弹簧连接蠕动式管道机器人行走控制研究，2014年研制出主动螺旋驱动式管道机器人[50](图9)。天津大学、上海大学、国防科技大学等[51-53]也对管道机器人进行了代表性的相关研究。

国网宁夏电力公司和四川大学在2017年研制出一种GIS罐体内部异物颗粒清理机器人[54](图10)，实现了GIS设备内部可视化异物清理功能。该机器人采用轮式爬坡，在横向移动方面存在严重限制，其躲避障碍和执行作业能力受到影响。此外机器人智能化程度有待提高。云南电网有限责任公司与华北电力大学在2017年研制出GIS管道检测机器人试验样机，针对样机的运动性能进行了仿真分析和实验室测试[55]。

图7 管道机器人MMU3Fig.7 In-pipe inspection robot MMU3

图8 三轴差动式管道机器人Fig.8 Tri-axial differential pipeline robot

图9 主动式管道机器人Fig.9 Active pipeline robot

图10 GIS罐体内部异物清理机器人Fig.10 Cleaning robot inside the GIS cavity

2 GIS管道检修机器人关键技术

利用管道机器人最新技术[56]，并且根据实际需求相应发展这些技术，使之适应电网GIS设备内部巡视检修的需要。GIS腔体机器人研究的关键技术点如下。

2.1 机器人本体结构与驱动设计

根据GIS腔体内部结构特点和机器人功能需求，设计适用于GIS腔体的机器人本体结构[57-58]，包括微型机器人本体、可视化检测云台；研究适用于GIS内部复杂环境的驱动方式[59]，具备GIS设备水平管道自主行走能力，具备一定的水平偏移角度的适应能力[60]，实现过弯、越障(筒体伸缩节、焊接接头等行走障碍)，研究适应于垂直管道运动的机器人吸附方式[61- 62]和材料设计。

2.2 机器人导航和定位设计

研究基于多传感融合的复杂GIS管道环境下机器人定位[63]和自主避障[64- 65]及自适应导航[66]，以及机器人运动状态参数及管道环境的自主识别问题[67]，最大程度减少机器人对GIS气室的筒内壁、母线导体及支撑绝缘子等碰撞、刮伤和磨损，研究机械臂和云台避障策略。

2.3 机器人能源供给和通信设计

针对目前限制管道机器人广泛应用的能源供给问题，开展应用研究和设计，提高机器人能源供给系统的效率和可靠性，满足GIS腔体机器人的实际需求[68]。针对GIS机器人因管道金属壁的电磁屏蔽作用导致通常的高频无线电信号难以穿过管壁，研究适用于机器人与GIS外部的通信方式[69]。

2.4 机器人巡视和故障点查找功能实现

硬件系统的实现：多传感器的应用和融合，微传感技术的应用。软件系统的实现：管道内部复杂结构全视野图像获取[70]，三维场景重构；内部异物、放电痕迹、触头烧损、绝缘子裂纹、螺栓松脱、导体错位脱落等典型故障缺陷图像库建立，基于人工智能和深度学习的图像智能识别、故障缺陷识别定位研究[71]。

2.5 机器人可靠性和环境适应性设计

基于复杂管道环境的机器人可靠性设计，基于罐体洁净干燥要求的防护设计(防污染设计)；避免机器人对管壁及部件造成刮碰磨损。机器人的引入应不破坏GIS内部气室气体的绝缘，不破坏GIS管壁和内部设备，机器人自身可靠。

2.6 GIS腔体机器人样机实验室功能验证

针对GIS腔体巡视任务，建立机器人操作演示示范应用平台，实现机器人可在GIS内部的自主运动、巡视和故障点查找基本功能。

目前，笔者团队已研究设计GIS腔体检修机器人初步样机(图11)，其主要结构组成包括：①沿圆形管道吸附的真空吸盘；②沿管道纵向移动或沿圆弧移动的麦克纳姆轮；③检修机械臂及作业末端。

图11 GIS腔体检测机器人模型与样机Fig.11 Prototype of GIS cavity inspection robot

该机器人可在远程遥控或自主作业条件下，通过吸附管壁和轮式移动，实现沿管壁环向和轴向的复合运动，做到一边吸附、一边移动、一边作业，从而为GIS腔体检修提供了一种全方位的作业工具。

3 结论与展望

电网实际生产对GIS腔体机器人的应用需求日益增大。随着GIS腔体机器人的研究工作的逐步深入，目前已研制GIS腔体机器人实验室样机，然而距离实际应用仍有较大距离。未来对于GIS腔体机器人的研究将集中在以下方面。

(1)构型及结构优化。探索新的构型和结构材料，进一步减轻体积和质量，提高负载-自重比，更好地适应GIS不同型号和结构尺寸、适应水平与垂直管道，具备良好的过弯和越障性能。机构设计向着模块化、可重构的方向发展，机器人可集成多传感检测、可实现多传感器信息融合。

(2)实时控制及能源供给。在复杂多变的腔体环境中实现实时可靠的控制、通信、定位和稳定可靠的能源供给。

(3)人工智能技术的融合应用。一方面具备必要的人机交互功能，检修人员可通过机器人实时掌握GIS腔体内部的实时状况；另一方面基于人工智能技术开发故障缺陷图像的自主识别。

(4)技术标准和规范。形成GIS腔体机器人本体、运行与维护规范、能源供给系统和试验与测试等技术标准和规范。形成基于机器人技术应用的GIS设备检修作业技术标准和安全规程。