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摘要：架空输电线路在野外运行过程中，因雷击闪络、污秽腐蚀、覆冰跳跃闪络和舞动、风振、施工等外力破坏等原因容易造成导线断股、金具损坏、绝缘子劣化等，严重时将导致导线断裂、绝缘子掉串，严重影响电网安全运行，因此电力部门需对输电线路进行巡检和维修。近年来，随着智能科技的发展和智能电网的建设，巡线机器人以其安全、高效和准确等优点而具有良好的应用前景。文中论述了智能机器人进行输电线路状态检修的基本原理和方法，介绍了应用智能巡线机器人平台进行输电线路状态检修的研究成果，分析了智能巡线机器人在输电线路状态检修中存在的问题，讨论了在输电线路状态检修中推广智能巡线机器人技术尚需解决的关键技术，为中国进一步在输电线路状态检修中研制、应用和推广智能巡线机器人技术提供了技术参考。
关键词：输电线路；导线；绝缘子；状态检修；应用
引言
随着特高压电网的不断建设，输电线路数目越来越多，输电杆塔也越来越高，人工地面巡视越来越困难。同时，因为距离、视角和遮挡等原因，人工地面巡线无法近距离观察绝缘子以及杆塔上的电气设备的运行状况。在特定气象条件下，人工登塔巡检也不具备作业条件，在人员活动密集的地方外力破坏也较频繁，由于巡检人员数量和巡检频次受限，也难以及时发现和制止外力破坏的发生。目前国家电网有限公司巡检人员严重缺失，同时人工巡检质量和巡检到位率难以保证。国内外众多厂家和研究机构均对输电线路机器人进行了研究，并对自主越障方法以及越障结构等进行了大量研究。何缘提出一种新的沿地线穿越越障的架空输电线路智能巡检机器人，实现智能巡检机器人在无人监控条件下的长距离自主运行。提出了一种双臂移动智能巡检机器人结构，研究了该机器人与导线的建模方法，并利用该模型进行了动力学和运动学仿真，分析了导线的振动和变形对机器人运动的影响。
1智能机器人的关键技术
（１）机械系统技术。该技术为智能蹲守机器人提供了所有运动的支持，确保机器人能够在输电到线上运行、在引流跳线上爬行，并完成线夹、防震锤、压接管等的避让。（２）控制系统技术。该技术主要实现机器人本体的控制以及远程控制。远程控制确保了机器人依照技术人员的实际需求完成活动；本体控制指系统根据接受的远程指令，指导智能蹲守机器人运行。（３）巡检系统技术。该系统主要由多种类型的传感器构成，实现对输电线路断股、金属器件损坏、绝缘子劣化等问题的排查检测。（４）通信技术。该技术主要实现智能蹲守机器人与地面遥感、接收移动站的通信，由机器人完成信号的控制，将检测信号准确地传递给技术人员。（５）导航技术。该技术为智能蹲守机器人提供了沿导线及地线自主移动、巡检移动的导航，主要由超声波传感器、力传感器、倾角传感器等多种类型的传感器实现。（６）电源技术。电源为智能蹲守机器人提供基本动力，可以使用太阳能电池板，也可以使用电流互感器从载流导线完成对蓄电池的充电。
2输电线路检测技术研究现状
2.1光学图像检测法
图像检测法是巡检机器人携带光学图像传感器对输电线路进行就近观测，将输电线路导线、金具和绝缘子的各种缺陷拍摄下来，再利用数字技术进行图像处理分析，是巡线机器人检测输电线路的常规方法。提出通过图像分割和识别，利用图像的边缘检测技术，比较正常绝缘子和缺陷绝缘子的图像并进行差分，来识别缺陷信息；通过第二代小波变换提取出图像中的局部突变特征，实现了绝缘子图像的裂纹故障特征提取；从瓷瓶裂纹检测的实际情况出发，选用二阶样条双正交小波来提取主变压器瓷瓶图像边缘，并根据裂纹的几何尺寸特征，对瓷瓶进行分区扫描，提出一种瓷瓶裂纹诊断方案。光学图像检测法由于巡线机器人搭载的图像传感器像素输出的不均匀型和观测角度的限制，限制了其在输电线路检测中的应用，且光学图像传感器受天气和时间影响很大，在浓雾雨水天气下或者黑夜状况下无法正常工作，因此其工作能力有限。
2.2超声波检测法
超声波是机械波，衰减很慢，当它在弹性介质中传播时，遇截面会产生反射、折射和模式变换。当材料存在缺陷时，就会在超声波传播的相应时间产生缺陷的反射波，通过对超声波信号反射波的大小和产生反射波的时间位置即可判断损伤情况。根据以上原理，开发了纵波斜向入射的超声探头关键技术，提出以超声纵波斜入射检测绝缘子芯棒脆断横截面上的裂纹，当芯棒脆断到出现一定大小的裂纹时，超声脉冲回波法的技术特点是能够检测到裂纹并能反映裂纹的发展过程；提出利用超声波小角度纵波探头对支柱绝缘子内部缺陷、爬波探头对瓷柱表面裂纹有很好的检测灵敏度；提出了检测输电线路导线断股缺陷产生奇异突变超声波的关键技术，其特点是在导线上分段安装超声波传感器进行实时检测。为克服传统压电式超声传感器需耦合剂的缺点；文[33-36]提出了基于电磁超声检测的关键技术，研究了由贴在导线表面的曲折线圈和永磁体构成的电磁超声传感器，通过往线圈中加载激励电流产生交变电磁场在被测导线内部产生感应电流(涡流)，同时永磁体产生的稳定磁场与导线内部涡流相互作用产生洛伦兹力，输电导线在此力和磁致伸缩力的作用下产生机械振动，产生沿导线辐射或沿表面传播的超声波。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当导线存在断股缺陷时，被测导体表面有超声波自缺陷部位投射，带正电荷的晶格在偏置磁场的作用下受力产生的交变电流导致被测导体的表层出现泄漏的交变磁场，利用在被测导线上方的线圈中感应出电动势进行检测。超声波检测的特点是对于运行和停电的输电线路都适用，在对检测导线断股时，容易收到压接管、防振锤等位置的导线变形的影响。
2.3红外检测法
根据电磁辐射理论，输电线路存在断股、绝缘子劣化、金属部件损坏等问题时，与正常情况下的表面热散率、热传导率、红外辐射发射率等有一定的差异，因此，损坏状态与正常情况下的温度不同，且红外辐射分布不呈现连续状态。基于此原理，能够利用红外热成像仪、红外热电势传感器等对导线的表面进行检测，完成输电导线的缺陷判断。另外，在滤波后利用绝缘检测算子能够完成边缘检测，对图像进行边缘跟踪可以得到清晰连续的图像边缘，实现输电线路的故障诊断以及红外目标识别。
2.4无线电频谱检测法
当架空输电线路处于正常、完好的状态时，周围的电场会表现为均匀的闭合曲线，属于一种无害的电晕场。而一旦输电线路出现导线断股、绝缘子劣化、污秽严重等问题时，周围的电离空气层会出现强烈的、不规则的电子活动，导致电磁信号的强度与形状发生变化。不同类型的问题，电磁信号变化的强度与形状也有所不同，根据这一特性，能够进行输电线路缺陷的准确判断。利用天线装置检测输电线路发出的电信号，结合频谱分析，即可完成线路缺陷性质以及类型的判断。
2.5漏磁检测法
漏磁检测法主要用来检测输电导线断股，其技术特点是用一磁场沿导线轴向磁化钢芯，导线穿过磁检测传感器作相对运动时，如果钢芯存在缺陷，钢芯的断口会产生漏磁场，或者引起钢芯磁路内的磁通变化，通过磁敏感元件检测磁场畸变即可获得有关的缺陷信息。研究了钢芯铝绞线钢芯断股检测器的关键技术，该装置由初级和次级线圈组成，根据变压器原理，利用信号发生器向初级线圈提供恒定的电压信号，在传感器的次级线圈中产生感应电压，感应电压信号的大小由穿过传感器线圈的钢芯铝绞线的钢芯横截面积决定，钢芯断股数越多，感应电压越小，从而实现钢芯断股的诊断。这种传感器需将导线贯穿传感器线圈，因此限制了其在巡线机器人上的应用。研制了单向极间励磁的漏磁传感器，其技术特点是利用稀土永磁体作为磁源，从一个方向磁化导线钢芯，利用极间的4个霍尔元件检测磁场信号实现钢芯断股检测。这种单向极间励磁的方式可能导致输电导线钢芯磁化不均匀，且4个霍尔元件无法完全覆盖钢芯周向，即不能实现全周向检测。
2.6超导量子干涉器件检测
超导量子干涉器件(SQUID)是由超导回路和约瑟夫森结构成的器件，是建立在宏观量子力学效应之上的磁电转换器件，灵敏度可达10-15T，是目前最灵敏的微弱磁场探测元件，当电磁波在导体中传播时，导体中将产生涡流，如果导体中存在缺陷，涡流在导体中流动时会绕过缺陷而重新分布，通过检测涡流产生的磁场，可得到有关缺陷的信息。文[56-59]研发了相关技术，其特点是将一激励线圈放在被测导体附近并向线圈中施加特定频率的交流电信号，或者向金属导体通入特定频率的交变电流，由于导体中会产生感应电流即涡流，利用SQUID检测涡流产生的磁信号，并利用锁相检测的方法提取磁场中与激励频率的有关信号，实现了铝绞线1根断股检测的精度。但是一般超导量子干涉器件及其附属设备体积结构和重量均较大，不方便巡线机器人携带对输电线路进行检测，因此，就目前的技术水平，还停留在实验室研究阶段。
3智能机器人在输电线路隐患治理的应用
3.1远程巡检的实现
为了保障输电线路稳定运行，技术人员需要定期进行输电线的巡检，而在智能蹲守机器人的支持下，技术人员只需要在操控室中就能够远程完成此项工作。考虑到恶劣天气、地势起伏、输电线路高度等因素，研究人员对智能蹲守机器人进行了防滑设计，并设计利用两个机械臂完成行走，避免了由于地势的起伏而难以行动的现象发生。为了能够准确、清晰地拍摄输电线路所有的位置，在智能蹲守机器人中设置了具有伸缩功能的长臂，并加设了摄像头，可向技术人员提供全面、清晰的画面。
3.2输电线路中导线的修补
对于输电线路来说，由于其长期处于户外，且运行环境相对恶劣，所以难免会出现导线磨损、断裂等问题。导线断股是输电线路的一项主要缺陷，传统的修补方法主要采用人工修补方式，需要相关技术人员爬上输电导线，对断股处进行修补，具有较强的危险性。而智能蹲守机器人具有夹钳装置，能够替代技术人员的手完成修补，结合多自由度控制、多传感器信息融合、传动系统控制等技术以及专用维修工具，能够完全替代人工进行输电线路的修补，达到维护效果的同时显著提升了输电线路修补的安全性。
3.3机器人输电线路作业技术
目前国外已有部分巡线机器人可以完成一些输电线路的维护作业，如更换输电导线金具、导线修补、清扫作业等，国内现有的巡线机器人尚不具备这方面的功能。而输电线路维修与维护是输电线路状态检修基本之一，应加强开发巡线机器人在这方面的技术。
结语
1)国内外在巡线机器人本体结构和越障技术等方面较为成熟，部分机器人能携带传感器实现跨越直线杆塔或耐张杆塔进行跨档距、不间断检测，国内研究工作虽然相对国外起步较晚，但起点高、发展快，部分已达到实用程度。2)巡线机器人的基本任务之一就是携带传感器对输电线路的各种缺陷进行检测，目前针对对输电线路各元件的检测方法较多，各具特点，可以根据具体环境和条件选择适当的方法，而基于多传感器信息融合技术的检测方法可以实现对输电线路的全方位、高精度检测。
参考文献
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论文作者:康启程
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第12期
论文发表时间:2019/11/8
标签：导线论文; 线路论文; 机器人论文; 绝缘子论文; 智能论文; 传感器论文; 缺陷论文; 《当代电力文化》2019年第12期论文;