摘要：绝缘子串是架空高压输电线路的一个重要组成部分，它起着支撑导线和防止电流回地的重要作用。绝缘子在自然条件下受粉尘、二氧化硫、氮氧化物等大气环境的影响容易造成它的质量不稳定、产生低值或零值、降低整条串绝缘子的绝缘强度，此外绝缘子在大雾中闪络时，短路电流使得绝缘子瓷瓶发热，严重时甚至会导致绝缘子钢帽的炸裂、绝缘子串断串、导线落地等情况的发生。
关键词：输电线路；绝缘子；更换；机器人控制；分析
1导言
绝缘子在架空输电线路中起着两个基本作用，即支撑导线和防止电流回地。在整条线路的运行寿命中，这两个作用必须得到保证，绝缘子不应该由于环境和电负荷条件发生变化导致的各种机电应力而失效。绝缘子承受的机械负荷除了导线和金属附件的重量之外，还必须承受恶劣天气情况下的风载荷、雪载荷、导线舞动以及运输安装过程中操作不当引起的冲击负荷。从电气角度来说，绝缘子不仅要使导线与地绝缘，还必须耐受雷电和开关操作引起的过电压冲击，当因电压冲击而发生闪络时引起的局部过热不应导致绝缘子绝缘性能。所有的外部因素都会对绝缘子的性能产生影响。
2绝缘子串更换带电作业机器人的实体结构
机器人的两个机械手以移动机器人为载体，移动机器人由机体、机械臂、行走轮机构、夹爪以及等电位轮构成。两机械臂在机体中间以固定的距离反对称布置，行走轮机构与机械臂相连，沿导线行走，两个机械臂末端各有一个能夹紧导线的夹爪装置，在机器人行走时护线为机器人在作业过程中的安全性提供了保障。在高压带电作业情况下，为了满足机器人等电位作业要求，采用等电位技术，在行走轮一侧安装有等电位轮，保证机器人始终与导线等电位。
3问题绝缘子产生的原因
由于架空输电线路太多分布在旷野山区，杆塔比较高架空输电线路绝缘子容易遭到雷电流攻击、大气污染、人为破坏，鸟类、大雾天气等因素影响会使瓷绝缘子质量不稳定，在机电负荷的联合作用下产生低值或零值，降低了整串绝缘子的绝缘强度。绝缘子串在大雾中闪络时，短路电流直接通过瓷瓶内部，发热造成快速膨胀，而导致瓷绝缘子钢帽炸裂，绝缘子串断串，导线落地等情况出现，玻璃绝缘子自爆，复合绝缘子在电场作用下产生电蚀损，造成护套破坏而进水、受潮，导致芯棒水解、粉化、腐蚀、变色，芯棒断面整体机械强度下降，在正常机械负荷作用下引起断裂非常明显的影响。因此我们对架空线路上绝缘子有缺陷、损坏、残旧、零值等不合格且影响供电的绝缘子进行更换，防止输电线路故障和事故的发生。且采用应修必修、修必修好的原则。
4绝缘子串更换作业流程
机器人完成绝缘子串更换作业的过程主要包括：一是机器人上线作业前的准备工作；二是上线后机器人开始作业取下绝缘子串；三是人工更换绝缘子串；四是机器人置入新绝缘子串后下线几个主要环节。
4.1机器人作业前的准备工作
机器人上线作业前的准备工作包括：一是准备好紧线器并将其末端固定于机器人上线对侧，收缩紧线器，释放绝缘子串牵引力，至绝缘子略有松动为止；二是启动机器人自检程序确定电机、传感器、摄像头是否正常工作；三是为保证机器人在上线过程中与作业环境不发生干涉，可通过联动控制将机器人机械手调整至合适的上线姿态。
4.2机器人取下绝缘子串的过程
上线后机器人开始作业取下绝缘子串的过程主要包括：一是机器人定位悬垂线夹后两个机械手进入作业区，调整两个机械手和末端至作业位姿，控制机械手1末端夹持机构定位并夹持碗头挂板；二是机械手2末端夹持机构定位并夹持绝缘子钢帽；三是机械手1末端上的W销推块推出位于碗头挂板凹槽内的W销；四是人工紧线后控制2臂横向移动将绝缘子串球头从碗头挂板凹槽内推出，使绝缘子串底端处于自由状态以便人工更换。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆塔上工作人员更换底端处于自由状态的旧绝缘子串，更换完毕后并将新绝缘子串放至悬挂位置上方，尽量减小新绝缘子串晃动的幅度，以利于2臂绝缘子夹持机构夹持新绝缘子钢帽，为新绝缘子球头的推入做好准备。
4.3机器人置入新绝缘子串的过程
机器人置入新绝缘子串的过程主要包括：一是控制机器人2臂绝缘子夹持机构定位并夹持新绝缘子串钢帽，并通过2臂横移机构将新绝缘子串球头推入碗头挂板凹槽内；二是人工松线后使得球头位于碗头挂板凹槽顶部，此时推进W销使得新绝缘子的底端由自由状态变为固定状态通过悬垂线夹联接到输电导线上；三是完成绝缘子的更换后机器人退出作业区，机械手调整至初始姿态准备下线。
5绝缘子串更换作业控制方法
5.1绝缘子串更换作业控制体系结构
在绝缘子串更换机器人作业过程中，悬垂线夹的定位、碗头挂板的定位和夹持、绝缘子钢帽的定位和夹持、W销的定位和推进推出、绝缘子球头的推进推出等关键动作是机器人能否顺利完成更换绝缘子串作业任务的必要前提。在这些关键动作的控制上对机器人机械手末端的定位精度要求很高，机器人关键动作的定位精度直接关系到作业的顺利完成与作业效率的高低。为满足机械手末端精确定位的要求，文中提出了速度、位置混合模式控制下基于电磁传感器的机器人定位控制方法，此系统是通过速度、位置模式控制机器人机械手、机械臂、行走轮，实际位姿通过位姿反馈与机器人理想位姿进行比较，以确定机器人下一步的动作而形成的一个闭环控制系统。在上述各种关键位置定位中，首要的是机器人悬垂线夹的定位，它是后续其他定位控制的基础，在整个机器人的控制过程中起着至关重要的作用。悬垂线夹的定位主要是通过安装在两个行走轮上的电磁传感器来实现的。完成悬垂线夹定位后，以机器人奇臂行走轮为空间坐标原点，结合悬垂线夹及其绝缘子串标准参数库所获得的先验知识，可规划机器人末端的运动轨迹和参数，再结合摄像机视频交互，利用速度位置相结合的控制模式可实现其他关键位置的定位，为整个作业的顺利完成提供有力保证。
5.2悬垂线夹的定位控制
机器人上线后沿输电导线低速前进逐渐靠近绝缘子串，首先需要定位悬垂线夹，当机器人定位到悬垂线夹后，机器人即进入工作位，双机械手及其末端可开始准备作业。悬垂线夹的定位是通过行走轮的碰检、行走轮电机的伺服控制以及安装在机器人两个行走轮上电磁传感器3个方面来实现的，定位原理为机器人通过检测电磁传感器线圈在输电导线交变磁场中感应电动势的变化以及其相对于导线的距离和夹角来获取机器人的位姿，进而控制机器人的下一步动作。
6结论
文中提出了一种速度、位置混合模式下基于电磁传感器的绝缘子串更换带电作业机器人控制方法，并通过实际带电作业试验验证了该控制方法的有效性。在后续的研究中可针对不同的作业对象设计开发不同的机械手作业末端，进一步拓展机器人的作业功能；此外基于机器视觉研究机器人的自动或联动控制以提高机器人作业的智能化程度和作业效率是机器人今后研究的热点之一。
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论文作者:巩乃奇,徐元超
论文发表刊物:《电力设备》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/1
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