淺談高壓輸電線路巡檢的安全問題

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)的基礎和基電力系統(tǒng)最重要的任務是為高質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的主要設備之一,它的安全穩(wěn)定運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)的機械張力、風吹日曬、材料老化的影響,經常出現斷股、磨損、腐蝕等損傷,如不及時修復更換,原本微小的破損和缺陷就可能擴大,最終導致嚴重事故,造成大面積停電,從而帶來極大的經濟損失和嚴重的社會影響。所以,必須對輸電線路進行定期巡視檢查,隨時了解輸電線路的運行情況以及線路周圍環(huán)境和線路保護區(qū)的變化情況,及時掌握其運行狀態(tài),發(fā)現和消除隱患,預防事故的發(fā)生,確保供電安全。輸電線路的分布點多面廣,且處在遠離城鎮(zhèn)、地形復雜、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,直接用人眼目測進行觀察的方法(有時借助望遠鏡進行觀察),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。一些責任心不強的工人,不按規(guī)定的時間、規(guī)定的路線巡檢,或者不按規(guī)定內容進行巡檢,難以保證巡檢質量,出現事故的幾率大。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,給輸電系統(tǒng)帶來了安全隱患。在一些國家和地區(qū),采用直升飛機進行電力線巡檢,國內四川省電力公司于2001年在500KV輸電線路上實現了直升機巡線。直升飛機沿輸電線路低空飛行,工作人員用人眼目測或用機載攝像設備觀測、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,但是直升飛機行速度過快,電力線從觀察者、攝錄設備的視野中快速掠過,無法仔細觀察,這種巡線方法技術難度大,難以保證探測精度,而且對駕駛技術和飛行安全要求過高。另外,直升機的閑置周期長,運行費用昂貴。所以,有理由相信現階段直升機巡線還受許多客觀條件的限制而難以推廣。只有采用先進的巡檢手段、先進的設備和工具,才能提高巡檢效率和精度、縮短巡檢周期,降低巡檢費用,及時發(fā)現存在的缺陷,消除事故隱患,確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。1.巡邏機器人的發(fā)展1.1線路巡檢和測量儀器移動機器人技術的發(fā)展為架空電力線路巡檢提供了新的技術平臺。20世紀80年代,國際上開始研制高壓輸電線路巡線機器人。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器人,并取得了較大的進展,尤其是可在兩個桿塔之間巡檢的機器人技術較為成熟,有些已達到產品化的程度。1988年Sawada等人首先研制了具有初步自主越障能力的光纖復合架空地線巡檢移動機器人,該機器人依靠內嵌的輸電線路結構參數進行運動行為的規(guī)劃。當遇到桿塔時,該機器人利用自身攜帶的導軌從桿塔側面滑過,如圖1,因為沒有安裝外部環(huán)境感知傳感器,因而適應性較差。而且導軌約100kg,機器人自身過重,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器人模型,能沿架空導線進行較長距離的行走,可進行電暈損耗、絕緣子、結合點、壓接頭等視覺檢查任務,并將探測到的線路故障參數進行預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器人已遠遠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器人成為該領域研究的重點。由日本Sato公司生產的輸電線路損傷探測器也采用了單體小車結構(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確位置,將獲取的數據和圖片資料存儲在數據記錄器中。地面工作人員可回放復查,進一步確定損傷情況。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、維護等多用途移動平臺。該移動小車驅動力大,能爬上52o的斜坡,通信距離可達1km。小車采用靈活的模塊化結構,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等研制了蛇形運動機器人。泰國Peungsungwal等人2001年設計的自給電巡線機器人,采用電流互感器從爬行的輸電線路上獲取感應電流作為機器人的工作電源,從而解決了巡線機器人長時間驅動的動力問題。1.2臂巡線機器人是一種新型90年代末,國內的一些研究機構和高等學校開始巡線機器人的研究工作,并已經研制多種機構的巡線機器人樣機。武漢大學和山東大學在這方面的研究起步最早。在“十五”國家高新技術發(fā)展計劃(863計劃)的支持下,武漢大學和中科院自動化所、中科院沈陽自動化所等同時開展了對巡線機器人的研制工作。1998年武漢水利電力大學的吳功平教授研制出了架空高壓線路巡線小車,小車采用單體三驅動輪結構,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械控制器來實現。目前,該研究組正在進行智能化程度較高、越障能力強的自治巡線機器人的研制工作。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,進行了巡線機器人關鍵技術的研究,在機器人越障機構、智能控制、移動導航、機器視覺技術、電能在線補給等方面取得了全面的突破。巡線機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。利用機器人攜帶的攝像裝置,實現線路及其安全通道的檢測與巡視,將檢測到的數據和圖像信息經過無線傳輸系統(tǒng)發(fā)送到地面基站;通過地面基站接收、顯示發(fā)回的數據和圖像資料。在863計劃以及國電東北電網有限公司的支持下,中國科學院沈陽自動化研究所開展了“沿500kV地線巡檢機器人”的研制,課題組攻克了機器人機構、自主控制、數據和圖像的傳輸等關鍵技術,成功地開發(fā)出由巡檢機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行了現場帶電巡檢試驗,完成了超高壓實際環(huán)境下的巡檢試驗。該機器人能夠沿500kV地線行走、跨越障礙,利用攜帶的攝像機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備的損傷情況。實現機器人和地面基站遠程通訊,基站對機器人運行狀態(tài)的遠程控制。該樣機的成功研制,在系統(tǒng)電源、機器人本體、控制系統(tǒng)、檢測設備和通訊設備,地面控制與數據后臺處理等方面積累了豐富的經驗。“十五”期間,中科院自動化所開展了“110kV輸電線路巡檢機器人”的研究,其研究成果主要表現在:一是設計了三臂懸掛式移動機器人機構;二是采用“基于知識庫的自動控制”和“基于視覺的遠程遙控主從控制”的混合控制系統(tǒng),實現了典型障礙的越障;三是采用多層神經元網絡分類器,實現了實驗室復雜環(huán)境下絕緣子開裂、破損視覺檢查。目前,中科院自動化所復雜系統(tǒng)與智能科學重點實驗室新研制的110kv輸電線路巡檢機器人采用二臂回轉式懸掛機構,增加了臂距調整機構、夾持輪抱線機構等,可實現旋轉、俯仰等運動功能,爬坡能力強。開發(fā)的二臂巡線機器人樣機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。機器人攜帶的檢測用地攝像機,可進行障礙物的檢測和越障時的輔助指導工作,有效地克服了三臂機器人的不足,當然兩臂機器人的行為規(guī)劃復雜,增加了控制電路設計及運動控制的難度。東南大學,山東大學等相繼研制出各自的巡線機器人。從國內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器人技術較為成熟,已進于實用階段。這類機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),國內對具有自主越障功能的機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,巡線機器人必須解決好結構設計、障礙物探測識別和控制行為規(guī)劃三方面的問題。2.巡線機器人行走機構在管線上爬行的機構有輪式爬行機構和步進式爬行機構兩類。步進式爬行機構通過機構上多只手臂的交替移動完成一步一步的步進爬行,一般應用在斜拉橋纜索、管道外壁的檢查與維護過程中。輪式爬行機構依靠由電機驅動的行走輪與管線之間的摩擦力來驅動機器人行走前進。輪式爬行機構行走平穩(wěn),速度快,有利于所攜帶的探測儀器可靠工作,因此,目前巡線機器人多采用移動輪行走機構。巡線機器人機構設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式行走機構以及爬坡、制動能力;⑵具有擺動、旋轉、俯仰調整功能的越障機構;⑶具有故障狀態(tài)的安全自鎖能力。此外,由于機器人懸掛在架空線上,越障時應保證機器人姿態(tài)平穩(wěn),并保持與其它導線和線塔金屬部件的安全間距等。因此,機構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器人在電力線上運行的障礙。為跨越這些障礙,實現長距離、大范圍的巡檢,機器人必須借助于自身安裝的傳感器探測和識別這些障礙,控制機器人減速慢行,避免與障礙物的碰撞,然后根據障礙類型規(guī)劃越障行為,實施越障動作。為此,在機器人上安裝了紅外、CCD攝像機、超聲波、接近開關等多種檢測傳感器,以實現障礙物探測。機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,根據障礙類型規(guī)劃越障策略;⑶將輪式行走改為步進式越障工作方式,完成越障運動控制,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:視覺檢查是應用最為廣泛的線路檢查方法,采用高分別率CCD攝像機攝取目標圖像,實時傳輸到地面基站或存儲下來,由基站操作人員根據圖像中導線、絕緣子等設施的外觀確定是否損壞或利用計算機圖像處理和人工復查相結合的方法判斷線路故障。實現這一過程的難點在于巡線機器人如何自主控制攜帶的攝像設備,捕捉特定興趣目標,獲取多視角、高清晰度目標圖像。⑵紅外探測技術:對于一些早期故障,如壓接點松動、導線早期斷股等故障難以通過視覺檢查發(fā)現,紅外探測技術可以解決這些問題。當出現導線斷股、絕緣子破損、壓接管連接不良等機械故障時,故障點附近就會出現局部溫升,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,發(fā)現線路上早期的故障點。實時確定巡線機器人在作業(yè)環(huán)境中所處的位置及故障點的位置,是巡線過程的又一重要任務。準確標識線路故障點的位置對于設備的檢修、維護至關重要。可以采用里程計進行定位,也可以借助于GPS進行定位。吳功平等人研究了導線破損的紅外檢測機理和故障信號的特征提取與故障識別的綜合判據,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.回轉機構運動控制的加強在探測到線路障礙物后,要實現自主越障,則必須根據檢測信號實現對各個電機的控制,實現傳感器輸入信號到電機控制輸出間的映射。根據系統(tǒng)機構的設計及行為規(guī)劃要求,當運動機構運動到左側或右側限位時,電機停止,系統(tǒng)必須進行對應的左、右限位。被限位后,機構只能改變運動方向。而在中間零位則不同,無論是從左側還是從右側靠近中間的零位,機構必須準確地停在同一個位置外,這一點很重要,它直接影響機構的姿態(tài)調整,中間零位不限制運動方向。正常巡檢時,行走輪拖動機器人沿線行走,完成各種數據的采集與目標探測。越障時,前臂上的夾持機構(也稱“手指”)夾持住輸電線路,后臂脫線,由前臂的回轉機構驅動機器人繞前臂回轉跨過障礙物,跨到障礙物的另一端的后臂進行“抓線”和“夾持”,完成后臂的越障。再以后臂為軸進行前臂的回轉越障。實驗結果表明,這種機構具有簡單、輕巧,節(jié)省空間等特點,可實現約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構的巡線機器人簡化了機構、減輕了重量,但是它的越障行為過程更復雜,涉及回轉、脫線、擺臂、夾持等多種行為的運動控制。機器人的越障回轉過程只有單臂支撐,運動過程的定位及保護猶為重要,一旦出現諸如程序跑飛,死機等故障時,將會對驅動電機和機器人機構造成很大的破壞。為此,中科院自動化所設計出高可靠性的定位保護硬件系統(tǒng)。當出現意外時,控制系