淺談高壓輸電線路巡檢的安全問題

0.人工巡檢,是輸電系統(tǒng)的基礎(chǔ)和基電力系統(tǒng)最重要的任務(wù)是為高質(zhì)量和高可靠的能源提供可靠和高可靠的能源。高壓輸電線路是電力傳輸?shù)闹饕O(shè)備之一,它的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接影響到供電系統(tǒng)的可靠性。電力線及桿塔附件長期暴露在野外,因受到持續(xù)的機(jī)械張力、風(fēng)吹日曬、材料老化的影響,經(jīng)常出現(xiàn)斷股、磨損、腐蝕等損傷,如不及時修復(fù)更換,原本微小的破損和缺陷就可能擴(kuò)大,最終導(dǎo)致嚴(yán)重事故,造成大面積停電,從而帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會影響。所以,必須對輸電線路進(jìn)行定期巡視檢查,隨時了解輸電線路的運(yùn)行情況以及線路周圍環(huán)境和線路保護(hù)區(qū)的變化情況,及時掌握其運(yùn)行狀態(tài),發(fā)現(xiàn)和消除隱患,預(yù)防事故的發(fā)生,確保供電安全。輸電線路的分布點(diǎn)多面廣,且處在遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)、地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣的自然環(huán)境中,電力線巡檢是一項艱苦而重要的工作。傳統(tǒng)的人工巡檢方法是依靠巡檢人工徒步或騎自行車沿電力線行走,直接用人眼目測進(jìn)行觀察的方法(有時借助望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀察),檢查電力線及附件的外形和工作狀態(tài),這種人工巡檢方式不僅工作量大而且條件艱苦,巡檢周期長,效率低。一些責(zé)任心不強(qiáng)的工人,不按規(guī)定的時間、規(guī)定的路線巡檢,或者不按規(guī)定內(nèi)容進(jìn)行巡檢,難以保證巡檢質(zhì)量,出現(xiàn)事故的幾率大。在一些特殊地段,特別是山區(qū)和跨越大江大河等輸電線路的巡檢困難更大,有些巡檢線路和項目甚至無法依靠常規(guī)方法完成。人工巡檢受到多種因素的制約,在一定程度上影響輸電線路的及時維護(hù),給輸電系統(tǒng)帶來了安全隱患。在一些國家和地區(qū),采用直升飛機(jī)進(jìn)行電力線巡檢,國內(nèi)四川省電力公司于2001年在500KV輸電線路上實現(xiàn)了直升機(jī)巡線。直升飛機(jī)沿輸電線路低空飛行,工作人員用人眼目測或用機(jī)載攝像設(shè)備觀測、記錄輸電線路沿線的情況。這種方法雖然可以近距離觀察,在一定程度上提高了探測效率,但是直升飛機(jī)行速度過快,電力線從觀察者、攝錄設(shè)備的視野中快速掠過,無法仔細(xì)觀察,這種巡線方法技術(shù)難度大,難以保證探測精度,而且對駕駛技術(shù)和飛行安全要求過高。另外,直升機(jī)的閑置周期長,運(yùn)行費(fèi)用昂貴。所以,有理由相信現(xiàn)階段直升機(jī)巡線還受許多客觀條件的限制而難以推廣。只有采用先進(jìn)的巡檢手段、先進(jìn)的設(shè)備和工具,才能提高巡檢效率和精度、縮短巡檢周期,降低巡檢費(fèi)用,及時發(fā)現(xiàn)存在的缺陷,消除事故隱患,確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。1.巡邏機(jī)器人的發(fā)展1.1線路巡檢和測量儀器移動機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展為架空電力線路巡檢提供了新的技術(shù)平臺。20世紀(jì)80年代,國際上開始研制高壓輸電線路巡線機(jī)器人。早期日本、美國和加拿大等國相繼開發(fā)了不同用途的巡線機(jī)器人,并取得了較大的進(jìn)展,尤其是可在兩個桿塔之間巡檢的機(jī)器人技術(shù)較為成熟,有些已達(dá)到產(chǎn)品化的程度。1988年Sawada等人首先研制了具有初步自主越障能力的光纖復(fù)合架空地線巡檢移動機(jī)器人,該機(jī)器人依靠內(nèi)嵌的輸電線路結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動行為的規(guī)劃。當(dāng)遇到桿塔時,該機(jī)器人利用自身攜帶的導(dǎo)軌從桿塔側(cè)面滑過,如圖1,因為沒有安裝外部環(huán)境感知傳感器,因而適應(yīng)性較差。而且導(dǎo)軌約100kg,機(jī)器人自身過重,對電池供電有更高要求。美國TRC公司1989年研制了一臺懸臂自治巡檢機(jī)器人模型,能沿架空導(dǎo)線進(jìn)行較長距離的行走,可進(jìn)行電暈損耗、絕緣子、結(jié)合點(diǎn)、壓接頭等視覺檢查任務(wù),并將探測到的線路故障參數(shù)進(jìn)行預(yù)處理后傳送給地面人員,如圖2。然而僅在兩個桿塔之間爬行的巡線機(jī)器人已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實際線路巡檢工作的要求,輸電線路不僅存在著支撐桿塔,而且還存在著多種線路附件構(gòu)成的障礙物,如防震錘、懸垂線夾、耐張線夾和絕緣子等。因此具有越障功能的巡線機(jī)器人成為該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。由日本Sato公司生產(chǎn)的輸電線路損傷探測器也采用了單體小車結(jié)構(gòu)(圖3所示),能在地面操作人員的遙控下,沿輸電線路行走,利用車載探測儀器探測線路損傷程度及準(zhǔn)確位置,將獲取的數(shù)據(jù)和圖片資料存儲在數(shù)據(jù)記錄器中。地面工作人員可回放復(fù)查,進(jìn)一步確定損傷情況。加拿大魁北克水電研究院的SergeMontambault等人2000年開始了HQLineROVer遙控小車(圖4)的研制工作。遙控小車起初用于清除電力傳輸線地線上的積冰,逐漸發(fā)展為用于線路巡檢、維護(hù)等多用途移動平臺。該移動小車驅(qū)動力大,能爬上52o的斜坡,通信距離可達(dá)1km。小車采用靈活的模塊化結(jié)構(gòu),安裝不同的工作頭即可完成架空線視覺和紅外檢查、壓接頭狀態(tài)評估、導(dǎo)線清污和除冰等帶電作業(yè)。但是,HQLineROVer無越障能力,只能在兩線塔間的輸電線路上工作。此外,日本的HideoNakamura等研制了蛇形運(yùn)動機(jī)器人。泰國Peungsungwal等人2001年設(shè)計的自給電巡線機(jī)器人,采用電流互感器從爬行的輸電線路上獲取感應(yīng)電流作為機(jī)器人的工作電源,從而解決了巡線機(jī)器人長時間驅(qū)動的動力問題。1.2臂巡線機(jī)器人是一種新型90年代末,國內(nèi)的一些研究機(jī)構(gòu)和高等學(xué)校開始巡線機(jī)器人的研究工作,并已經(jīng)研制多種機(jī)構(gòu)的巡線機(jī)器人樣機(jī)。武漢大學(xué)和山東大學(xué)在這方面的研究起步最早。在“十五”國家高新技術(shù)發(fā)展計劃(863計劃)的支持下,武漢大學(xué)和中科院自動化所、中科院沈陽自動化所等同時開展了對巡線機(jī)器人的研制工作。1998年武漢水利電力大學(xué)的吳功平教授研制出了架空高壓線路巡線小車,小車采用單體三驅(qū)動輪結(jié)構(gòu),具有穩(wěn)定的行走功能和越障功能,能順利越過絕緣子、防振錘、懸垂線夾等主要障礙物,并利用攜帶的近距離紅外故障診斷儀完成線路的診斷。巡線小車的行走、越障通過人工遙控加機(jī)械控制器來實現(xiàn)。目前,該研究組正在進(jìn)行智能化程度較高、越障能力強(qiáng)的自治巡線機(jī)器人的研制工作。在863計劃的支持下,與漢陽供電公司合作,針對220kV單分裂相線,進(jìn)行了巡線機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的研究,在機(jī)器人越障機(jī)構(gòu)、智能控制、移動導(dǎo)航、機(jī)器視覺技術(shù)、電能在線補(bǔ)給等方面取得了全面的突破。巡線機(jī)器人能夠避讓和跨越兩檔線路間的防震錘、懸垂和耐張絕緣子串和跳線等各種障礙物。利用機(jī)器人攜帶的攝像裝置,實現(xiàn)線路及其安全通道的檢測與巡視,將檢測到的數(shù)據(jù)和圖像信息經(jīng)過無線傳輸系統(tǒng)發(fā)送到地面基站;通過地面基站接收、顯示發(fā)回的數(shù)據(jù)和圖像資料。在863計劃以及國電東北電網(wǎng)有限公司的支持下,中國科學(xué)院沈陽自動化研究所開展了“沿500kV地線巡檢機(jī)器人”的研制,課題組攻克了機(jī)器人機(jī)構(gòu)、自主控制、數(shù)據(jù)和圖像的傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù),成功地開發(fā)出由巡檢機(jī)器人和地面移動基站組成的系統(tǒng),并與錦州超高壓局合作進(jìn)行了現(xiàn)場帶電巡檢試驗,完成了超高壓實際環(huán)境下的巡檢試驗。該機(jī)器人能夠沿500kV地線行走、跨越障礙,利用攜帶的攝像機(jī)或紅外熱像儀等檢測裝置,檢測了輸電線、防震錘、絕緣子和桿塔等輸電設(shè)備的損傷情況。實現(xiàn)機(jī)器人和地面基站遠(yuǎn)程通訊,基站對機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程控制。該樣機(jī)的成功研制,在系統(tǒng)電源、機(jī)器人本體、控制系統(tǒng)、檢測設(shè)備和通訊設(shè)備,地面控制與數(shù)據(jù)后臺處理等方面積累了豐富的經(jīng)驗。“十五”期間,中科院自動化所開展了“110kV輸電線路巡檢機(jī)器人”的研究,其研究成果主要表現(xiàn)在:一是設(shè)計了三臂懸掛式移動機(jī)器人機(jī)構(gòu);二是采用“基于知識庫的自動控制”和“基于視覺的遠(yuǎn)程遙控主從控制”的混合控制系統(tǒng),實現(xiàn)了典型障礙的越障;三是采用多層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)分類器,實現(xiàn)了實驗室復(fù)雜環(huán)境下絕緣子開裂、破損視覺檢查。目前,中科院自動化所復(fù)雜系統(tǒng)與智能科學(xué)重點(diǎn)實驗室新研制的110kv輸電線路巡檢機(jī)器人采用二臂回轉(zhuǎn)式懸掛機(jī)構(gòu),增加了臂距調(diào)整機(jī)構(gòu)、夾持輪抱線機(jī)構(gòu)等,可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、俯仰等運(yùn)動功能,爬坡能力強(qiáng)。開發(fā)的二臂巡線機(jī)器人樣機(jī)在實驗室模擬線路上,沿一檔架空線自主行走,并且能夠跨越兩檔線路間的防震錘、懸垂線夾等障礙物。機(jī)器人攜帶的檢測用地攝像機(jī),可進(jìn)行障礙物的檢測和越障時的輔助指導(dǎo)工作,有效地克服了三臂機(jī)器人的不足,當(dāng)然兩臂機(jī)器人的行為規(guī)劃復(fù)雜,增加了控制電路設(shè)計及運(yùn)動控制的難度。東南大學(xué),山東大學(xué)等相繼研制出各自的巡線機(jī)器人。從國內(nèi)外已取得的研究成果可以看出,國外無越障功能的架空電力線路巡線機(jī)器人技術(shù)較為成熟,已進(jìn)于實用階段。這類機(jī)器人一般需人工參與,只能完成兩線塔之間電力線路的檢查,作業(yè)范圍小,自治程度低。自主巡線機(jī)器人能跨越線路附件、線塔等障礙物,可實施大范圍、長時間的線路巡檢作業(yè),國內(nèi)對具有自主越障功能的機(jī)器人研究投入力量大,取得了多項研究成果。為滿足在柔性輸電線行走并跨越各種障礙物,巡線機(jī)器人必須解決好結(jié)構(gòu)設(shè)計、障礙物探測識別和控制行為規(guī)劃三方面的問題。2.巡線機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)在管線上爬行的機(jī)構(gòu)有輪式爬行機(jī)構(gòu)和步進(jìn)式爬行機(jī)構(gòu)兩類。步進(jìn)式爬行機(jī)構(gòu)通過機(jī)構(gòu)上多只手臂的交替移動完成一步一步的步進(jìn)爬行,一般應(yīng)用在斜拉橋纜索、管道外壁的檢查與維護(hù)過程中。輪式爬行機(jī)構(gòu)依靠由電機(jī)驅(qū)動的行走輪與管線之間的摩擦力來驅(qū)動機(jī)器人行走前進(jìn)。輪式爬行機(jī)構(gòu)行走平穩(wěn),速度快,有利于所攜帶的探測儀器可靠工作,因此,目前巡線機(jī)器人多采用移動輪行走機(jī)構(gòu)。巡線機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計必須考慮下列因素:⑴具有適合于柔性線路上平直段、爬坡和下坡段的輪式行走或步進(jìn)式行走機(jī)構(gòu)以及爬坡、制動能力;⑵具有擺動、旋轉(zhuǎn)、俯仰調(diào)整功能的越障機(jī)構(gòu);⑶具有故障狀態(tài)的安全自鎖能力。此外,由于機(jī)器人懸掛在架空線上,越障時應(yīng)保證機(jī)器人姿態(tài)平穩(wěn),并保持與其它導(dǎo)線和線塔金屬部件的安全間距等。因此,機(jī)構(gòu)的空間尺寸受到一定的限制。3.傳感器檢測和越障動作安裝在輸電線路上的防震錘、絕緣子、懸垂線夾、耐張線夾等桿塔支撐附件形成了機(jī)器人在電力線上運(yùn)行的障礙。為跨越這些障礙,實現(xiàn)長距離、大范圍的巡檢,機(jī)器人必須借助于自身安裝的傳感器探測和識別這些障礙,控制機(jī)器人減速慢行,避免與障礙物的碰撞,然后根據(jù)障礙類型規(guī)劃越障行為,實施越障動作。為此,在機(jī)器人上安裝了紅外、CCD攝像機(jī)、超聲波、接近開關(guān)等多種檢測傳感器,以實現(xiàn)障礙物探測。機(jī)器人障礙探測及識別主要包括:⑴實時探測定位防震錘、耐張線夾、懸垂線夾等障礙;⑵實時識別障礙物的類型,根據(jù)障礙類型規(guī)劃越障策略;⑶將輪式行走改為步進(jìn)式越障工作方式,完成越障運(yùn)動控制,跨越障礙物繼續(xù)行走巡線。4.線路故障追蹤巡線機(jī)器人通常要完成表1所列出的基本巡檢項目。故障和損傷探測方法有:⑴視覺檢查:視覺檢查是應(yīng)用最為廣泛的線路檢查方法,采用高分別率CCD攝像機(jī)攝取目標(biāo)圖像,實時傳輸?shù)降孛婊净虼鎯ο聛?由基站操作人員根據(jù)圖像中導(dǎo)線、絕緣子等設(shè)施的外觀確定是否損壞或利用計算機(jī)圖像處理和人工復(fù)查相結(jié)合的方法判斷線路故障。實現(xiàn)這一過程的難點(diǎn)在于巡線機(jī)器人如何自主控制攜帶的攝像設(shè)備,捕捉特定興趣目標(biāo),獲取多視角、高清晰度目標(biāo)圖像。⑵紅外探測技術(shù):對于一些早期故障,如壓接點(diǎn)松動、導(dǎo)線早期斷股等故障難以通過視覺檢查發(fā)現(xiàn),紅外探測技術(shù)可以解決這些問題。當(dāng)出現(xiàn)導(dǎo)線斷股、絕緣子破損、壓接管連接不良等機(jī)械故障時,故障點(diǎn)附近就會出現(xiàn)局部溫升,改變熱輻射分布,紅外傳感器可以攝取表面溫度超過周圍環(huán)境溫度的異常溫升點(diǎn),發(fā)現(xiàn)線路上早期的故障點(diǎn)。實時確定巡線機(jī)器人在作業(yè)環(huán)境中所處的位置及故障點(diǎn)的位置,是巡線過程的又一重要任務(wù)。準(zhǔn)確標(biāo)識線路故障點(diǎn)的位置對于設(shè)備的檢修、維護(hù)至關(guān)重要?？梢圆捎美锍逃嬤M(jìn)行定位,也可以借助于GPS進(jìn)行定位。吳功平等人研究了導(dǎo)線破損的紅外檢測機(jī)理和故障信號的特征提取與故障識別的綜合判據(jù),開發(fā)了一種便攜式近距離紅外檢測與故障診斷儀,用來處理、識別和確定故障發(fā)生的位置,取得了良好的效果。5.回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動控制的加強(qiáng)在探測到線路障礙物后,要實現(xiàn)自主越障,則必須根據(jù)檢測信號實現(xiàn)對各個電機(jī)的控制,實現(xiàn)傳感器輸入信號到電機(jī)控制輸出間的映射。根據(jù)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計及行為規(guī)劃要求,當(dāng)運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動到左側(cè)或右側(cè)限位時,電機(jī)停止,系統(tǒng)必須進(jìn)行對應(yīng)的左、右限位。被限位后,機(jī)構(gòu)只能改變運(yùn)動方向。而在中間零位則不同,無論是從左側(cè)還是從右側(cè)靠近中間的零位,機(jī)構(gòu)必須準(zhǔn)確地停在同一個位置外,這一點(diǎn)很重要,它直接影響機(jī)構(gòu)的姿態(tài)調(diào)整,中間零位不限制運(yùn)動方向。正常巡檢時,行走輪拖動機(jī)器人沿線行走,完成各種數(shù)據(jù)的采集與目標(biāo)探測。越障時,前臂上的夾持機(jī)構(gòu)(也稱“手指”)夾持住輸電線路,后臂脫線,由前臂的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)器人繞前臂回轉(zhuǎn)跨過障礙物,跨到障礙物的另一端的后臂進(jìn)行“抓線”和“夾持”,完成后臂的越障。再以后臂為軸進(jìn)行前臂的回轉(zhuǎn)越障。實驗結(jié)果表明,這種機(jī)構(gòu)具有簡單、輕巧,節(jié)省空間等特點(diǎn),可實現(xiàn)約40度的爬行和防震錘、懸垂線夾等障礙物的跨越。盡管兩臂回旋輪式結(jié)構(gòu)的巡線機(jī)器人簡化了機(jī)構(gòu)、減輕了重量,但是它的越障行為過程更復(fù)雜,涉及回轉(zhuǎn)、脫線、擺臂、夾持等多種行為的運(yùn)動控制。機(jī)器人的越障回轉(zhuǎn)過程只有單臂支撐,運(yùn)動過程的定位及保護(hù)猶為重要,一旦出現(xiàn)諸如程序跑飛,死機(jī)等故障時,將會對驅(qū)動電機(jī)和機(jī)器人機(jī)構(gòu)造成很大的破壞。為此,中科院自動化所設(shè)計出高可靠性的定位保護(hù)硬件系統(tǒng)。當(dāng)出現(xiàn)意外時,控制系