（1.广东电网有限责任公司东莞供电局 东莞 523000；2.国机智能科技有限公司 广州 510535）
摘要：高压隔离开关在变电站中数量多、故障率高、检修任务重，在供电可靠性要求越来越高的情况下，要实现高压隔离开关的停电检修越来越困难，利用机器人进行带电检修操作可以大幅度提升作业效率，本文设计了一种隔离开关检修机器人，应对其结构和功能设计进行了相关讨论，具有一定的参考价值。
关键词：机器人；隔离开关；功能设计；控制
Research on the robot function design and control system for substation isolation switch maintenance
Yuan zhi jian1，Wei lingfeng1，Hua dong2，Cui pei yi2
（1.Dongguan power supply bureau of guangdong power grid co. LTD Dongguan 523000 2.China smart energy technology co.，LTD Guangzhou 510535）
Pick to：high pressure isolating switch quantity in the transformer substation，high failure rate and maintenance task，in the case of the power supply reliability requirements more and more high，in order to realize high voltage isolating switch power maintenance is more and more difficult，the use of robots for charged maintenance operation can greatly enhance the efficiency，this paper designs an isolating switch maintenance robot，dealing with its structure and function design has carried on the discussion，has a certain reference value.
Key words：robot；Disconnecting switch；Functional design；control
1.引言
随着时代的进步和科技的发展，现代社会是一个智能化、信息化的时代，人工智能技术已经取得了不错的成绩，智能化、机械化的机器代替繁琐的人力劳动已经逐步变成现实，机器人巡检的灵活性以及智能性，能弥补人工巡检存在的安全隐患以及效率和精度的不足，同时通过云端的大数据平台，能够实时上传设备运行数据，这种智能巡检方式不仅能节省大量的人力物力，使变电站室内设备巡检工作更加高效、科学、合理，也能在工作人员无法进入的地形中进行工作，有效地降低人工成本和维护成本。引入变电站室内设备智能巡检机器人，是更好的适应时代的发展和满足未来社会的需求的必要手段。
110 kV及以上电压等级的高压隔离开关是电网最关键的设备之一，起着提供明显断开点、隔离电源、改变接线方式等功能的重要作用，隔离开关的工作状态对电网的运行产生着直接的影响。因此对隔离开关的状态监测和故障排除是电网检修的重要工作内容之一。根据以往的检修经验，一方面，在用电高峰期时，高压隔离开关故障多发，另一方面，目前为降低检修工作对正常用电需求的影响，设备停电检修非常困难，带电检修作业方式已经成为了主要趋势，被逐渐推广使用。
实现对区域内数量众多的隔离开关进行带电检修，要求故障在指定期限内处理，并保证相应区域的供电可靠性，特别是母线隔离开关检修时需要安排母线停役，一直以来都是电网自动化作业所面临的重要挑战，传统人工作业巡检不仅耗时众多而且效率低下，因此从2003年开始，国内外不同研究机构纷纷对引入机器人自动化巡检技术开始了相关研究。但是目前针对机器人技术的研究在电力行业所应用的领域仍然有限，基本仅应用在输配电专业，用于高压线路巡线、线路除冰、带电作业等工作，在变电检修领域针对部分高强度作业的辅助作业则应用较少，目前尚无可直接借鉴的经验。且对于适用于全地形的机器人移动机械结构和控制策略的研究鲜有相关报道。
2.问题分析
造成高压隔离开关故障多发的原因很多，主要的故障原因如表1所示。
传动部件故障出现较少，属于小概率事故，在实际情况中，更常出现的是导电部件故障，而且导电部位故障常常会引发热故障，烧坏触头。而引发热故障的原因主要是以下两种：（1）表面存在油污等异物
在开关触头保养和维护期间，常常会将导电膏等物质涂抹在触头表面，而这种膏类物质中油脂含量大，极易吸附灰尘和微小的杂物，久而久之，就会在触头表面上堆积成小块油垢，而油垢的导电性弱，电阻大，由物理学原理可知，当电流流经导体时会发热，热量的多少与电阻成正相关关系，因此油垢部位会越来越热，当超过临界值时，即会引发热故障。
（2）氧化作用
随着时间的流逝和外界环境因素的影响，在潮湿的空气中和少量酸、碱、盐的腐蚀下，使得开关触头表面的金属材质不断被氧化，氧化物电阻比金属大，使得在电流经过该部位时，会产生更多热量，导致温度升高，而温度升高在一定程度上又能加重金属表面氧化，电阻更大，产生更多热量，温度再身高，并形成恶性循环。
为防止产生触头烧坏事故，目前采用红外成像巡检设备检测触头发热情况，如果发现问题触点，需要停运相关设备，检修人员进行高空作业处理，需要大量的停送电闸操作，耗费巨大的人力和物力，还严重影响供电可靠性。同时，隔离开关检修工作量大，涉及高空作业及重物搬运等中风险。因此，积极研究机器人技术在变电检修领域的推广应用，对解决变电检修领域长期面临的部分难题具有重要意义，是当前电网技术前沿课题的一大热点。
表1 高压隔离开关常见故障类型.png)
3.机器人结构与功能设计
本文提出的机器人采用一体化设计，结构紧凑，操作灵活，可适用于隔离开关触头维护带电作业场合，代替人力对开关触头进行保养和维护。可以实现的功能包括导航移动，底盘稳固和高空打磨涂抹，对于隔离开关维护作业中面临的停电难、高空作业危险、有害物质吸入等难题具有很好的解决效果。
3.1 总体结构组成
用于隔离开关触头带电维护作业环境中的机器人，并分为移动基座、升降台、维护机构及绝缘、控制系统、安全防护系统等5个模块进行独立设计，结构外形如图1所示。针对不同的应用场合，并设计统一接口以便完成拼装。适用于空间范围小、人力难以施展的地方。
移动底盘：移动底盘能够灵活出入变电站场地，在变电站内各种场地无障碍助力行走，且不破坏现场环境，移动底盘采用蓄电池助力驱动，极大地减轻了人员推行难度，控制行走；其采用2轮驱动结构，转向灵活，底盘上安装有4个液压支撑柱，保证了举升过程小车不倾覆；采用的轮式结构不会破坏周围环境，移动过程噪音低；
升降台：升降台上搭载机械臂与其他多类设备，液压抬升结构采用萨鲁斯直线运动机构可在一定高度区间里进行作业。升降平台能够升降负载触头维护机构，维护机构运动时保证升降平台晃动在允许范围内；移动底盘及升降机构能够通过常见交通工具运输，多站共同使用。
维护机构及绝缘：维护机构采用机械臂持有干冰清洗器，多自由度机械臂保证了开关触头维护的灵活性。维护作业自动完成，作业过程不触碰其他带电体，作业过程不可打伤母材、表面光洁、打磨一致性好；维护机构近带电体，保证机器人操作机构与底盘通过支撑绝缘。
控制系统：主要作用是编辑巡检任务、制定巡检计划、请求并下发常规巡检任务。并且可以在远端控制某个分站的机器人执行巡检任务。通过该功能拓展，巡检机器人将完全覆盖室内、室外所有设备区域，真正做到替代人工完成设备巡视任务。包含机器人路径控制与机械臂控制。使用机器视觉进行控制，识别维护对象及其边缘，自动规划清洁路径，控制机械臂运动，保证末端平滑移动，适应多种对象形状；结合传感器和机械臂多自由度，感知并绕开障碍物；运动过程可能收到外界因素的干扰，比如复杂背景和风摆，将移动装配方法用于触头维护过程，将维护时间控制在30分钟以内。除此之外，控制系统还应具有实时监控、巡检报表等功能。
安全防护系统：由安装在机器人身体上多类传感器组成，包括附加带电体近距离传感器，本体平衡传感器等，智能预警保证维护作业过程安全可靠。
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图1 隔离开关检修机器人外形示意图
3.2 清洗方式与装置的设计
清洗装置利用干冰进行消除触点上的氧化物或污垢，以空气压缩干冰颗粒，并将其以高速喷射出去，干冰接触到待清洗表面后，会与其表面的水渍、油污、其他异物凝结在一起，之后、脆化、被剥离，且同时随气流清除。达到清理触点表面的目的。装置机械结构包括六轴机器臂，干冰发射器，干冰喷嘴等。上述部件安装在升降台上，当确定除污部位后，由六轴机械臂加持喷头靠近触点（安全距离600mm）。
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图2 清洗装置结构示意图
3.3 检修机器人工作参数
所设计的升降平台额定提升重量1000kg，工作台加装绝缘隔离。材料应选取耐热、防水、防污、抗老化等特性，机器人其余工作参数如表2所示。
表2 检修机器人工作参数表
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4.控制系统设计
控制单元负责对各传感数据进行集中处理、运算及 对执行机构的控制，主控芯片采用国际知名品牌的工业级芯片，具有高主频、温度宽、高可靠等特点。采用低功率、无风扇散热、零噪音设计，各接口均采用隔离技术，采用工业级固态硬盘，确保控制单元在各种恶劣环境的长期稳定可靠运行。
本地端布置在变电站内，可通过远程桌面直接进入智能巡检机器人本体软件进行实时控制，也可采用TCP/IP协议通过工业无线网络进行双向数据交互实现实时监控。通过传感单元（传感单元包括工业级高清晰彩色摄像机、非致冷焦平面红外线热像仪和室外全方位数字云台、局部放电监测、气体感知测量），采集和收集各种形式的数据信息，并通过通信系统传送到变电站分析检测系统中，实现彼此的信息共享和保证数据信息的时效性和准确性，再经由通信系统传递控制指令，实现机器人和其机械臂的运动。
机器人控制部分有三维视觉定位、轨迹规划两个方面。三维视觉控制系统主要用于对清洗触头的视觉定位，系统由单片机、运动控制卡、视觉传感器组成。三维视觉系统安装在干冰发生器上。三维视觉系统校准后的系统误差为0.0169 mm.机器人精度为 0.1mm。
轨迹规划用于控制机器人运动轨迹和六轴机械臂的运动轨迹。
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图3 机械臂位姿控制流程图
机器人运动轨迹由导航单元负责，导航单元由传感子系统、多传感器信息融合与机器人位置解算子系统、信息冗余与导航自诊断子系统构成。通过多种技术获知机器人的精确定位信息，并通过最优路径规划算法和精确轨迹规划算法自主行走到目标位置。在机器人首次进入巡检环境时，将通过激光雷达对周边环境进行扫描，即利用激光导航技术构建周边环境地图，并采用传感器数据的冗余与交叉诊断技术，对受到干扰的信号进行隔离，进而保证机器人导航的可靠性，另外还可以通过智能系统的辅助，巡检机器人可以按照任务要求自主规划最佳路径，极大的提高了工作效率。
六轴机械臂的运动需要根据三维视觉控制系统得到的位置信息，再根据算法判断机械臂自身运动轨迹，控制算法过程如上图所示。
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图4 机械臂运动空间图
5.结论
本文提出的变电站隔离开关检修机器人，针对隔离开关上触点发热问题，使用六轴机械臂与干冰清洗器，可以有效地去除触电表面附着物，方案设计机器人体积小巧，能自由出入作业现场，并且可以由拖车搬运；维护作业自动完成，维护过程不会打伤母材、表面光洁、打磨一致性好。同时本文提出了基于计算机视觉的机械臂位姿规划方法，能够提高检修的自动化与智能化水平，具有一定的参考价值。
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作者简介：袁志坚，男，汉族，1988年10月生，广东东莞，工程硕士，工程师，主要从事变电一次设备检修及管理。
项目名称：高压隔离开关智能带电维护检修机器人研究与应用项目
项目编号：广东电网有限责任公司科技项目资助（项目编号：031900KK52160082）
论文作者:袁志坚¹,魏凌枫¹,华栋²
论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/15
标签：机器人论文; 作业论文; 变电站论文; 机械论文; 干冰论文; 触头论文; 故障论文; 《电力设备》2019年第19期论文;