一种特高压输电线路带电绝缘子检测机器人

张 迪 张 珣 辛 巍 李龙云 吴嘉琪

（国网湖北省电力有限公司超高压公司，武汉 430050）

在电力系统中，绝缘子是使用量庞大且有重要地位的电力元件。它是架空线路与杆塔之间的可靠粘合剂，不仅能够在机械上可靠连接不同电位的架空线路与杆塔，而且能够在电气上将两者绝缘。目前，国内使用的绝缘子多样化，主要可分为瓷质绝缘子、玻璃绝缘子和复合绝缘子3大类。复合绝缘子是由于高分子材料领域的不断发展而出现的绝缘子，近几年才开始普遍使用，具有重量轻、绝缘性能好等特点，但是使用寿命还有待提高。瓷质绝缘子和玻璃绝缘子类似。玻璃绝缘子具有自爆的功能，但是造价偏高。瓷质绝缘子使用时间最长且应用最广泛，具有较好的绝缘性能、耐热性能和耐腐蚀性能，制造工艺简单，造价低，因此在输电线路中暂时无法被完全取代。

由于绝缘子的特殊性质，其绝缘性能容易受到各种因素的影响，如雷电、雾霾、扬尘、自然老化等，导致绝缘子劣化，从而引发事故。3·15晚会曝光了大量不合格的绝缘子流入电力行业，对于绝缘子的检测显得尤为重要。

目前，传统的绝缘子检测方法主要采用人工停电检测，存在工作量大、危险性高等问题。特高压绝缘子长度可达16 m，无法在运行状态下进行高空检测，也无法掌握其劣化规律，因此研究一种特高压绝缘子检测的机器人具有重要的意义。

1 绝缘子检测技术现状分析

特高压输电线路的绝缘子状态监测技术在电力系统运行安全与稳定性中占据重要的地位。目前，绝缘子状态监测的主要技术手段包括视觉检测、红外热成像检测、电气特性检测、机械特性检测以及超声波检测。

视觉检测是依赖于图像识别技术，利用高清相机或无人机对绝缘子进行拍摄，然后运用人工智能算法进行图像分析，实现自动化的检测技术。但此类方法易受环境光照、拍摄角度等因素影响，而且只能发现表面缺陷，对内部问题的发现能力有限[1]。

红外热成像检测通过探测绝缘子表面微小的温度变化来识别潜在问题。这种技术对光照环境依赖度较低，可以在低光照甚至夜间进行检测。然而，红外热成像检测设备的价格相对较高，并且只能发现表面缺陷。

电气特性检测通过测量绝缘子的电阻、电流等电气特性进行性能评估。这种方法具有一定的深度，能发现表面问题和部分内部问题。但是电气特性检测需要专门的测试设备和复杂的操作，可能增加检测成本。

机械特性检测通过测量绝缘子的机械特性，如挠度、强度等进行评估。这种方法能发现表面问题和部分内部问题，但操作复杂度高，需要专门的测试设备和专业技能。

超声波检测可以发现表面以下的缺陷，是其他检测方法难以比拟的。超声波在绝缘子中的传播速度和反射特性可以帮助确定内部结构的完整性，但是这种方法也需要专门的设备和专业技能。

尽管现有的绝缘子检测技术在一定程度上提高了特高压输电线路的运行效率和安全性，但每种技术都存在一定的限制和挑战。首先，大部分的检测技术仍然只能发现表面缺陷或部分内部缺陷，对于深层次的缺陷检测能力不足。其次，部分高级的检测技术如红外热成像和超声波检测，尽管能够提供更深入的检测结果，但其设备成本高昂且操作复杂，增加了检测的经济负担和技术难度。再次，大部分检测技术的结果需要专业人员进行解析和判断，限制了检测效率。因此，发展能够自动化进行数据解析和判断的算法是当前技术发展的一个重要方向。最后，当前的检测技术大多基于点对点的检测方式，限制了检测的范围和效率。总的来说，特高压输电线路绝缘子的检测技术是一个复杂而具有挑战性的领域，需要电力行业、科研机构和企业的共同努力和创新。为了提高绝缘子的检测效率和精度，进一步的技术研发和创新必不可少。

根据上述分析，该绝缘子检测机器人需满足以下技术要求。

（1）操作方便、安全可靠。机器人支持远程控制和自主导航，同时具备较高的稳定性和可靠性，以确保操作人员的安全和机器人的稳定运行[2]。

（2）高精度检测。机器人具备较高的检测精度，能够及时发现绝缘子的缺陷和劣化情况，以避免潜在的事故隐患。

（3）快速检测。机器人能够在较短时间内完成对特高压绝缘子的检测，以缩短运行线路的停电时间，降低人工检测的成本。

（4）适应不同工况。机器人能够适应不同的工作环境和工况，如扬尘、雨雪天气等，以确保机器人的稳定运行和检测精度。

基于以上技术要求，设计了一款基于机器视觉技术的绝缘子检测机器人。

2 绝缘子检测机器人的硬件组成

该机器人硬件组成主要包括机械手、绝缘连杆、旋转电机和电压检测指针等部件。其中，机械手和绝缘连杆是机器人的核心部件，负责固定和移动机器人，完成绝缘子的检测工作。旋转电机和电压检测指针分别用于控制机械手的旋转和检测绝缘子的电压数据。具体来说，两个机械手分别设置在绝缘连杆的两侧，通过机械手的旋转和绝缘连杆的伸缩来抓取和释放绝缘子。旋转电机通过控制机械手的旋转方向来实现对绝缘子的正反面检测。电压检测指针则用于检测绝缘子表面和接地极之间的电压情况，从而判断绝缘子是否存在漏电的情况[3]。

该机器人配备了自主导航和避障系统，能够自主寻找和定位绝缘子，并能够根据实时检测结果自主决策是否需要对绝缘子进行维修或更换。该机器人具有操作方便、安全可靠、检测精度高、快速检测以及适应不同工况等特点，能够大幅提高特高压输电线路的安全性和运行效率。

此外，机器人配备有高清摄像头、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）定位系统和通信模块等部件，以便实时监测和传输机器人的位置、运动轨迹以及检测数据等。整个硬件系统由一台控制中心进行远程操控和数据处理，以确保机器人的安全运行和数据的准确性。该机器人的整体结构示意，如图1所示。

图1 整体结构示意图

3 机器人的软件系统

软件系统主要包括机器人控制程序、数据采集与处理程序以及图像识别与分析程序。这些程序的设计和实现是机器人能够完成检测任务的关键。

机器人控制程序主要用于控制机器人的移动和工作，通过与机器人硬件系统的协作实现机器人在输电线路上的运动和姿态控制。控制程序可以根据用户需求自动执行预设任务，如在某一绝缘子上进行检测，或者手动控制机器人进行运动和检测。机器人控制程序可以根据需要集成不同的控制算法和传感器数据融合算法，以提高机器人的控制精度和安全性[4]。

数据采集与处理程序主要负责采集机器人从输电线路上获取的电压数据、图像数据等信息，并进行处理、存储和显示。机器人采集的数据需要经过处理后才能被有效利用，处理程序可以根据用户需求对数据进行滤波、归一化等处理，以提高数据的可靠性和精度。此外，数据处理程序可以将数据存储到本地或者上传至云端，以便进行数据共享和分析。

图像识别与分析程序主要用于分析和识别机器人采集的图像数据，以提高机器人的智能化水平。机器人通过安装摄像头等图像传感器获取绝缘子的图像数据，通过图像处理算法对图像进行预处理和特征提取，然后通过图像识别算法实现对绝缘子状态的判断和识别。图像识别与分析程序可以实现对多种绝缘子类型的识别，以及对绝缘子表面缺陷、污染等状态的检测。

4 机器人的工作原理与作业流程

绝缘子检测机器人的工作原理如下。首先，利用升压电路模块把直流电压升至2 500 V。其次，检测时2 500 V直流检测电压通过检测臂直接加在待测绝缘子的钢帽和钢脚之间，作用在绝缘子上的电压通过并联在检测仪内部的旁路电路进行旁路，使整个检测回路上只有直流分量。最后，检测系统采集流过绝缘子的直流电流，通过中央处理器进行计算和判定，并将最后的检测结果通过无线模块发送到地面工作站。

作业流程主要分为5个步骤。

（1）机器人固定和启动。在开始工作时，通过人工或无人机将机器人带上杆塔，并用机械手1套住第1片绝缘子钢帽，机械手2套住第3片绝缘子。安装完成后，向地面遥控操作员发送启动信号，机器人开始工作。

（2）机器人检测。确认机械手已经抓紧钢帽后，程序控制机械手开始检测工作。机器人的检测方式主要通过检测绝缘子上的电压，判断绝缘子是否存在故障或破损。具体来说，机器人会通过电压检测指针采集绝缘子表面的电压数据，并将数据存储在机器人的存储器中。

（3）机器人移动。待检测工作完成后，控制机械手张开，并通过启动机器人升降和移动系统，使机械手臂下降或者伸缩，完成机器人的移动和攀爬运动。在移动过程中，机器人需要保持平衡，并且能够自主调整姿态，以便于完成对各个绝缘子的检测工作[5]。

（4）数据分析与处理。机器人完成绝缘子的检测工作后，程序将存储在机器人内部的数据传输到地面站进行分析和处理。地面站会根据数据结果确定绝缘子的健康状况，并及时处理绝缘子的故障或者更换绝缘子，以保障输电线路的安全运行。

（5）机器人维护。机器人在完成任务后，需要进行维护和保养工作。具体来说，需要清洗机器人，检查各个部件的磨损情况，并进行必要的维修和更换工作，以保证机器人的正常使用和长期运行。

5 结语

文章介绍了一种基于机器视觉技术绝缘子检测机器人的设计方案。该机器人的硬件组成主要包括机械手、绝缘连杆、旋转电机和电压检测指针等部件，具备操作方便、安全可靠、高精度检测、快速检测和适应不同工况的技术要求，能够有效解决传统人工停电检测方法存在的问题。机器人通过机器视觉技术对特高压绝缘子进行快速、准确地检测，并且支持远程控制和自主导航，具备较高的稳定性和可靠性。