CN108923330A - 配电架空输电线路带电敷设包裹绝缘层机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电架空输电线路带电敷设包裹绝缘层机器人，属于电力电网领域。该机器人包括移动机构、升降控制机构、绝缘皮传动装置、绝缘包裹传动装置、数据传输模块、自诊断系统、供电系统和显示系统；所述移动机构与升降控制机构连接，移动机构用于左右移动，升降控制机构用于上下移动，带动绝缘皮传动装置和绝缘包裹传动装置连接位移，绝缘皮传动装置用于传动绝缘皮至绝缘包裹传动装置，绝缘包裹传动装置用于将绝缘皮包裹在导线上，并进行封口。本发明有效解决了绝缘化改造费用及停电的难题。与现有的配电线路绝缘化改造相比，在改造时间及资金投入方面都大幅节省。

Description

配电架空输电线路带电敷设包裹绝缘层机器人

技术领域

本发明涉及一种配电架空输电线路带电敷设包裹绝缘层机器人，属于电力电网领域。

背景技术

我国城乡结合部和农村配电网架空输电线路70％以上为裸导线，每当刮风下雨等恶劣天气，因树障房障导致配电线路故障跳闸事件时有发生，特别是水产养殖区，更是造成配配网线路跳闸和人员触电死亡的重灾区，严重影响了供电可靠性和供电效益，同时对供电企业产生了不良的社会影响。面对此类问题，传统解决办法只能更换绝缘导线，不仅投投资大，而且因施工周期长、停电造成电量损失大，同时受到地理位置、原有杆塔和金具设计条件限制、青苗赔偿等、停电时间等因素影响，部分区域和线路绝缘化改造难以实施。

现有绝缘改造机器人现状：

1.绝缘护套修复机器人：目前华北电力大学已经做出线路绝缘护套修复机器人，其绝缘材料内面热压有可熔绝缘胶，护套与导线之间有绝缘介质。当护套包裹在导线和绝缘介质外并加热后，护套收缩，挤压介质，且内面可熔绝缘胶熔化，使护套紧紧箍在导线上。但由于架空绝缘导线的允许载流量比裸线小，加上此绝缘层后，导线散热性差，且作业的限制，其每次工作最大距离是1米；而且目前不能大规模推广。

2.涂装绝缘层机器人：世界上首台35千伏架空线路绝缘包覆机器人在菏泽35千伏岳程I线T#35-#36线路完成首试，并顺利完成35千伏110m三相架空裸线绝缘包覆作业。其由于机器人和涂料自重过重，目前非得用斗臂车上下，及加装涂料，因其喷涂不均匀及需要加热烘干，每次作业距离短，目前也不具推广价值。

3.绝缘护套包裹机器人：目前本项目机器人参考国内外文献，能实现3米/秒的包裹，速度匹配技术和自诊断技术能使产品会具有高可靠性。架空线路是重要的输配电环节，其运行稳定与否是影响到整体输配电网络的安全稳定的重要因素。以上修复机器人或喷涂机器人存在质量不好保证的问题。

机器人带电加装卡扣式硅橡胶形式将是一种最高效、安全可行的工程技术途径。架空线路绝缘包裹机器人项目以裸架空线路为研究对象，以成熟的卡扣式绝缘护套为包裹材料，以智能机器人为行走和封口平台，实现架空输电线路自动绝缘包裹为目标，提高了输电安全性，节约线路维护费用，解决了架空输电裸导线因外破、通道障碍、异物搭挂、高污秽、多鸟害、交叉跨越及穿越等区域输电线路短路事故高发问题，有效的防止水网养殖区域因钓鱼引起的人身触电事故；将刷新机器人在架空线路绝缘应用中的新高度。因此，急需一种利用该技术途经的架空线路绝缘包裹机器人。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种配电架空输电线路带电敷设包裹绝缘层机器人。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

配电架空输电线路带电敷设包裹绝缘层机器人，该机器人包括移动机构、升降控制机构、绝缘皮传动装置、绝缘包裹传动装置、数据传输模块、自诊断系统、供电系统和显示系统；

所述移动机构与升降控制机构连接，移动机构用于左右移动，升降控制机构用于上下移动，带动绝缘皮传动装置和绝缘包裹传动装置连接位移，绝缘皮传动装置用于传动绝缘皮至绝缘包裹传动装置，绝缘包裹传动装置用于将绝缘皮包裹在导线上，并进行封口；

在机器人运行过程中，自诊断系统根据实际运行数据、运行反馈数据和存储仿真数据进行比较运算，发现及故障诊断，并通过数据传输模块将数据传至后台，通过接收按钮和无线控制终端发出相应操作指令，进行绝缘护套的包裹作业；显示系统用于显示机器人工作状态。

进一步，所述移动机构包括悬挂部分和行走部分；悬挂部分为两个可悬挂支撑架，行走部分为两个动力滚轮；行走部分的移动速度与绝缘包裹传动装置的封口速度相匹配。

进一步，所述绝缘皮传动装置和绝缘包裹传动装置能根据导线规格进行适应调节。

进一步，所述带动绝缘皮传动装置还包括绝缘护套盘，用于将绝缘护套按照工作长度收纳在盘上，一次工作长度为10～15米，随着机器人的移动，绝缘护套盘展放护套；绝缘护套盘展放护套的速度与机器人移动速度相匹配。

进一步，所述绝缘护套盘位于机器人的一侧，以保持平衡。

进一步，所述绝缘护套盘的材料采用带电作业专用卡扣式硅橡胶绝缘护套管。

进一步，所述卡扣式硅橡胶绝缘护套管按电压等级不同，结构分为内扣式和下扣式；

其中，10kV电压的护套管厚度为24-34mm，护套管扣紧方式采用内扣式；绝缘护套盘的齿轮减速电机功率为60W，减速比为150，转速为80转/min，额定电压为12V，机器人行走速度为3m/min。

进一步，所述自诊断系统的芯片为ARM Cortex-M4 32位RISC内核，还包括存储器保护单元，用于保护应用安全。

进一步，所述供电系统采用锂电池供电，还包括上电复位电路和掉电复位电路。

进一步，所述数据传输模块包括无线传输模块和有线传输模块；

所述机器人工作状态包括通讯连接状态、电池的电流电压监控状态、操控指令执行状态、移动机构的移动状态、绝缘包裹传动装置的包裹状态、绝缘包裹传动装置的封口状态和绝缘护套盘的放线状态。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用机电一体化系统，涉及机构、控制、通信、移动平台传感器的集成、信息融合、电源等，应用于10kV配电架空裸导线局部区域的绝缘化技术改造，不受停电、环境约束，操作满足相关规定和要求，有效解决了绝缘化改造费用及停电的难题。与现有的配电线路绝缘化改造相比，在改造时间及资金投入方面都大幅节省。

(2)本发明可广泛应用于输变电进出线、跳线等裸导线风飘所引发的短路等输电线路的外绝缘保护，以及盐雾、污物、鸟粪等酸碱物等对金属裸导线腐蚀的防护；对于线路防鸟害、复杂生活区和拆迁建筑物上方交叉的裸导线、穿越隧道、涵洞、桥梁的裸导线以及风沙沙尘、潮湿空气、酸雨等对裸导线的氧化侵蚀、损坏的防护；有效防止异物搭接所引起的短路停电故障；有效延缓金属裸导线的户外腐蚀；一定程度上避免了人身触电事故；有效防止爬行类小动物对变电站输电进出线路所引发的重大事故；通过绝缘护套相色标识可清晰、简单、明确的识别相序；

(3)本发明通过选用陶瓷化防火耐火型绝缘护套专门用于钢铁、稀土冶炼等高炉旁的线缆保护，防止溅出到电缆上的钢水将电缆烧坏，可对电缆起到很好的保护作用，大幅减少停电、停产、维护、更换线缆的次数。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明系统控制示意图；

图3为本发明系统软件逻辑图；

图4为本发明软件界面示意图；

图5为本发明软件框架图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1所示，配电架空输电线路带电敷设包裹绝缘层机器人包括移动机构、升降控制机构、绝缘皮传动装置、绝缘包裹传动装置、数据传输模块、自诊断系统、供电系统和显示系统；

所述移动机构与升降控制机构连接，移动机构用于左右移动，升降控制机构用于上下移动，带动绝缘皮传动装置和绝缘包裹传动装置连接位移，绝缘皮传动装置用于传动绝缘皮至绝缘包裹传动装置，绝缘包裹传动装置用于将绝缘皮包裹在导线上，并进行封口；

在机器人运行过程中，自诊断系统根据实际运行数据、运行反馈数据和存储仿真数据进行比较运算，发现及故障诊断，并通过数据传输模块将数据传至后台，第一时间发现及故障诊断，起到预防故障的作用，检测到问题后限制损坏和尽可能减少中断，减少问题诊断时间，机器和后台能进行有效交互。通过接收按钮和无线控制终端发出相应操作指令，进行绝缘护套的包裹作业；显示系统用于显示机器人工作状态。

移动机构包括悬挂部分和行走部分；悬挂部分为两个可悬挂支撑架，行走部分为两个动力滚轮；行走部分的移动速度与绝缘包裹传动装置的封口速度相匹配。

绝缘皮传动装置和绝缘包裹传动装置能根据导线规格进行适应调节。

带动绝缘皮传动装置还包括绝缘护套盘，用于将绝缘护套按照工作长度收纳在盘上，一次工作长度为10～15米，随着机器人的移动，绝缘护套盘展放护套；绝缘护套盘展放护套的速度与机器人移动速度相匹配。套盘放在机器一侧是考虑进线在传动装置帮助下入线能平整，这种方式会影响到机器的承重、重心偏移、传动的动力，通过机器反复上下线加装护套可实现整档距。

绝缘护套盘的材料采用带电作业专用卡扣式硅橡胶绝缘护套管。现广泛应用于变电站绝缘化改造、铁路接触网等各种输电线路的绝缘化改造及输电线路交叉跨越等。该系列产品设计新颖，安装方便，采用优质硅橡胶材料制成，具有优异的电气绝缘和阻燃性能，耐侯性强，机械性能高，耐高温性能优异，抗漏电起痕性能，耐腐性极佳，有良好的耐电晕，密度低、无卤、无重金属，抗老化，具有憎水性及憎水迁移等特点,较塑料护套和包覆带使用寿命长，可达20-30年以上，是包覆带、塑料护套、热缩材料的升级换代产品。可在-50℃至+150°条件下连续工作，如表1所示。

表1绝缘材料检验结论表

卡扣式硅橡胶绝缘护套管按电压等级不同，结构分为内扣式和下扣式；

其中，10kV电压的护套管厚度为24-34mm，护套管扣紧方式采用内扣式；绝缘护套盘的齿轮减速电机功率为60W，减速比为150，转速为80转/min，额定电压为12V，机器人行走速度为3m/min。卡扣式绝缘护套特点：安装简便快捷，可提高机器人工作效率；安装时无需用火、胶等辅助方法和材料；因采用展开嵌入到导线通过引导轨道进行包裹，同时在绝缘护套开口两两设置凹凸槽，绝缘护套引进到导线后，压紧收缩轮完成收口工作，有效解决了收口密封问题，如表2所示。

表2卡扣式硅橡胶绝缘护套管电压等级与壁厚对应表

电压等级	≤10kV	≤35kV	≤110kV	≤220kV
					绝缘护套管壁厚	2.3mm	3.0-3.5mm	4.0-4.5mm	6.0-6.5mm

机器人带电作业时挂线问题：目前采用升降绝缘臂斗车辅助，人工挂载机器人，绝缘护套包裹机器人(含绝缘护套)按一次包裹10-15米考虑，总重约35Kg。此外，机器人上线也可采用绝缘绳上拉，绝缘杆辅助挂线，对于线路较长的修补工作，机器人将多次上下线，补充绝缘护套材料来完成。对于特殊地方可以采用绝缘平台和绝缘杆操作组合作业。

如图2-图4所示，按钮和无线控制终端机器人发出相应操作指令，机器人接收指令后控制相应行走机构和封装机构完成行走及绝缘护套包裹作业。

自诊断系统芯片的选择：为ARM Cortex-M4 32位RISC内核，还包括存储器保护单元，用于保护应用安全。选取国外最新芯片，其基于高性能的ARM Cortex-M4 32位RISC内核，支持所有ARM单精度数据处理指令和数据类型。可执行全套的DSSP指令,采用一个存储器保护单元,加强应用的安全性。融合了高速内嵌存储器,加强输入输出范围,外部设备连接至两个APB总线。硬件设计：该装置上安装了串口转WiFi模块，与单片机之间通过串口通讯。WiFi模块工作在WiFi AP状态，并开启DHCP功能，外部WiFi设备(手机、平板、电脑等)，可以通过WiFi连接到模块，与模块之间进行双向通讯。软件设计：设计了基于Android系统的专用控制软件，通过该装置的WiFi局域网，实现与装置的通讯。

供电系统采用锂电池供电，还包括上电复位电路和掉电复位电路。

述数据传输模块包括无线传输模块和有线传输模块；

所述机器人工作状态包括通讯连接状态、电池的电流电压监控状态、操控指令执行状态、移动机构的移动状态、绝缘包裹传动装置的包裹状态、绝缘包裹传动装置的封口状态和绝缘护套盘的放线状态。

如图5所示，：整个机器人采用STM32单片机作为机器人本体的主控处理器，同时采用手持遥控器作为无线控制终端。机器人操作及控制系统包括STM32单片机的软件设计和Android平板电脑上的软件设计。STM32单片机主要完成机器人本体上的作业电机控制、按键读取、指示灯和液晶屏输出等，平板电脑上的APP软件提供一个远程操作平台，可以设置绝缘包裹机器人的工作模式并显示其工作状态。STM32单片机内的程序和平板电脑APP通过Wi-Fi网络实现交互通讯。

自动运行时，机器人执行自动运行子程序；在机器人执行自动运行程序过程中，平板电脑可随时按下紧急停止按钮，机器人将停止一切动作，以防止机器人运行故障时被卡住。

本机器人的软件系统可以实现手持遥控终端与机器人之间的双向通讯，在机器人运行过程中可通过双向通信机制实时掌握线上机器人的行走封装等一系列动作状态。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.配电架空输电线路带电敷设包裹绝缘层机器人，其特征在于：该机器人包括移动机构、升降控制机构、绝缘皮传动装置、绝缘包裹传动装置、数据传输模块、自诊断系统、供电系统和显示系统；

所述移动机构与升降控制机构连接，移动机构用于左右移动，升降控制机构用于上下移动，带动绝缘皮传动装置和绝缘包裹传动装置连接位移，绝缘皮传动装置用于传动绝缘皮至绝缘包裹传动装置，绝缘包裹传动装置用于将绝缘皮包裹在导线上，并进行封口；

在机器人运行过程中，自诊断系统根据实际运行数据、运行反馈数据和存储仿真数据进行比较运算，发现及故障诊断，并通过数据传输模块将数据传至后台，通过接收按钮和无线控制终端发出相应操作指令，进行绝缘护套的包裹作业；显示系统用于显示机器人工作状态。

2.根据权利要求1所述的配电架空输电线路带电敷设包裹绝缘层机器人，其特征在于：所述移动机构包括悬挂部分和行走部分；悬挂部分为两个可悬挂支撑架，行走部分为两个动力滚轮；行走部分的移动速度与绝缘包裹传动装置的封口速度相匹配。

3.根据权利要求1所述的配电架空输电线路带电敷设包裹绝缘层机器人，其特征在于：所述绝缘皮传动装置和绝缘包裹传动装置能根据导线规格进行适应调节。

4.根据权利要求1所述的配电架空输电线路带电敷设包裹绝缘层机器人，其特征在于：所述带动绝缘皮传动装置还包括绝缘护套盘，用于将绝缘护套按照工作长度收纳在盘上，一次工作长度为10～15米，随着机器人的移动，绝缘护套盘展放护套；绝缘护套盘展放护套的速度与机器人移动速度相匹配。

5.根据权利要求4所述的配电架空输电线路带电敷设包裹绝缘层机器人，其特征在于：所述绝缘护套盘位于机器人的一侧，以保持平衡。

6.根据权利要求4所述的配电架空输电线路带电敷设包裹绝缘层机器人，其特征在于：所述绝缘护套盘的材料采用带电作业专用卡扣式硅橡胶绝缘护套管。

7.根据权利要求6所述的配电架空输电线路带电敷设包裹绝缘层机器人，其特征在于：所述卡扣式硅橡胶绝缘护套管按电压等级不同，结构分为内扣式和下扣式；

其中，10kV电压的护套管厚度为24-34mm，护套管扣紧方式采用内扣式；绝缘护套盘的齿轮减速电机功率为60W，减速比为150，转速为80转/min，额定电压为12V，机器人行走速度为3m/min。

8.根据权利要求1所述的配电架空输电线路带电敷设包裹绝缘层机器人，其特征在于：所述自诊断系统的芯片为ARM Cortex-M4 32位RISC内核，还包括存储器保护单元，用于保护应用安全。

9.根据权利要求1所述的配电架空输电线路带电敷设包裹绝缘层机器人，其特征在于：所述供电系统采用锂电池供电，还包括上电复位电路和掉电复位电路。

10.根据权利要求4所述的配电架空输电线路带电敷设包裹绝缘层机器人，其特征在于：所述数据传输模块包括无线传输模块和有线传输模块；

所述机器人工作状态包括通讯连接状态、电池的电流电压监控状态、操控指令执行状态、移动机构的移动状态、绝缘包裹传动装置的包裹状态、绝缘包裹传动装置的封口状态和绝缘护套盘的放线状态。