浅谈高压输电线路巡检的安全问题

浅谈高压输电线路巡检的安全问题

0.人工巡检,是输电系统的基础和基电力系统最重要的任务是为高质量和高可靠的能源提供可靠和高可靠的能源。高压输电线路是电力传输的主要设备之一,它的安全稳定运行直接影响到供电系统的可靠性。电力线及杆塔附件长期暴露在野外,因受到持续的机械张力、风吹日晒、材料老化的影响,经常出现断股、磨损、腐蚀等损伤,如不及时修复更换,原本微小的破损和缺陷就可能扩大,最终导致严重事故,造成大面积停电,从而带来极大的经济损失和严重的社会影响。所以,必须对输电线路进行定期巡视检查,随时了解输电线路的运行情况以及线路周围环境和线路保护区的变化情况,及时掌握其运行状态,发现和消除隐患,预防事故的发生,确保供电安全。输电线路的分布点多面广,且处在远离城镇、地形复杂、环境恶劣的自然环境中,电力线巡检是一项艰苦而重要的工作。传统的人工巡检方法是依靠巡检人工徒步或骑自行车沿电力线行走,直接用人眼目测进行观察的方法(有时借助望远镜进行观察),检查电力线及附件的外形和工作状态,这种人工巡检方式不仅工作量大而且条件艰苦,巡检周期长,效率低。一些责任心不强的工人,不按规定的时间、规定的路线巡检,或者不按规定内容进行巡检,难以保证巡检质量,出现事故的几率大。在一些特殊地段,特别是山区和跨越大江大河等输电线路的巡检困难更大,有些巡检线路和项目甚至无法依靠常规方法完成。人工巡检受到多种因素的制约,在一定程度上影响输电线路的及时维护,给输电系统带来了安全隐患。在一些国家和地区,采用直升飞机进行电力线巡检,国内四川省电力公司于2001年在500KV输电线路上实现了直升机巡线。直升飞机沿输电线路低空飞行,工作人员用人眼目测或用机载摄像设备观测、记录输电线路沿线的情况。这种方法虽然可以近距离观察,在一定程度上提高了探测效率,但是直升飞机行速度过快,电力线从观察者、摄录设备的视野中快速掠过,无法仔细观察,这种巡线方法技术难度大,难以保证探测精度,而且对驾驶技术和飞行安全要求过高。另外,直升机的闲置周期长,运行费用昂贵。所以,有理由相信现阶段直升机巡线还受许多客观条件的限制而难以推广。只有采用先进的巡检手段、先进的设备和工具,才能提高巡检效率和精度、缩短巡检周期,降低巡检费用,及时发现存在的缺陷,消除事故隐患,确保电力系统的安全稳定运行。1.巡逻机器人的发展1.1线路巡检和测量仪器移动机器人技术的发展为架空电力线路巡检提供了新的技术平台。20世纪80年代,国际上开始研制高压输电线路巡线机器人。早期日本、美国和加拿大等国相继开发了不同用途的巡线机器人,并取得了较大的进展,尤其是可在两个杆塔之间巡检的机器人技术较为成熟,有些已达到产品化的程度。1988年Sawada等人首先研制了具有初步自主越障能力的光纤复合架空地线巡检移动机器人,该机器人依靠内嵌的输电线路结构参数进行运动行为的规划。当遇到杆塔时,该机器人利用自身携带的导轨从杆塔侧面滑过,如图1,因为没有安装外部环境感知传感器,因而适应性较差。而且导轨约100kg,机器人自身过重,对电池供电有更高要求。美国TRC公司1989年研制了一台悬臂自治巡检机器人模型,能沿架空导线进行较长距离的行走,可进行电晕损耗、绝缘子、结合点、压接头等视觉检查任务,并将探测到的线路故障参数进行预处理后传送给地面人员,如图2。然而仅在两个杆塔之间爬行的巡线机器人已远远不能满足实际线路巡检工作的要求,输电线路不仅存在着支撑杆塔,而且还存在着多种线路附件构成的障碍物,如防震锤、悬垂线夹、耐张线夹和绝缘子等。因此具有越障功能的巡线机器人成为该领域研究的重点。由日本Sato公司生产的输电线路损伤探测器也采用了单体小车结构(图3所示),能在地面操作人员的遥控下,沿输电线路行走,利用车载探测仪器探测线路损伤程度及准确位置,将获取的数据和图片资料存储在数据记录器中。地面工作人员可回放复查,进一步确定损伤情况。加拿大魁北克水电研究院的SergeMontambault等人2000年开始了HQLineROVer遥控小车(图4)的研制工作。遥控小车起初用于清除电力传输线地线上的积冰,逐渐发展为用于线路巡检、维护等多用途移动平台。该移动小车驱动力大,能爬上52o的斜坡,通信距离可达1km。小车采用灵活的模块化结构,安装不同的工作头即可完成架空线视觉和红外检查、压接头状态评估、导线清污和除冰等带电作业。但是,HQLineROVer无越障能力,只能在两线塔间的输电线路上工作。此外,日本的HideoNakamura等研制了蛇形运动机器人。泰国Peungsungwal等人2001年设计的自给电巡线机器人,采用电流互感器从爬行的输电线路上获取感应电流作为机器人的工作电源,从而解决了巡线机器人长时间驱动的动力问题。1.2臂巡线机器人是一种新型90年代末,国内的一些研究机构和高等学校开始巡线机器人的研究工作,并已经研制多种机构的巡线机器人样机。武汉大学和山东大学在这方面的研究起步最早。在“十五”国家高新技术发展计划(863计划)的支持下,武汉大学和中科院自动化所、中科院沈阳自动化所等同时开展了对巡线机器人的研制工作。1998年武汉水利电力大学的吴功平教授研制出了架空高压线路巡线小车,小车采用单体三驱动轮结构,具有稳定的行走功能和越障功能,能顺利越过绝缘子、防振锤、悬垂线夹等主要障碍物,并利用携带的近距离红外故障诊断仪完成线路的诊断。巡线小车的行走、越障通过人工遥控加机械控制器来实现。目前,该研究组正在进行智能化程度较高、越障能力强的自治巡线机器人的研制工作。在863计划的支持下,与汉阳供电公司合作,针对220kV单分裂相线,进行了巡线机器人关键技术的研究,在机器人越障机构、智能控制、移动导航、机器视觉技术、电能在线补给等方面取得了全面的突破。巡线机器人能够避让和跨越两档线路间的防震锤、悬垂和耐张绝缘子串和跳线等各种障碍物。利用机器人携带的摄像装置,实现线路及其安全通道的检测与巡视,将检测到的数据和图像信息经过无线传输系统发送到地面基站;通过地面基站接收、显示发回的数据和图像资料。在863计划以及国电东北电网有限公司的支持下,中国科学院沈阳自动化研究所开展了“沿500kV地线巡检机器人”的研制,课题组攻克了机器人机构、自主控制、数据和图像的传输等关键技术,成功地开发出由巡检机器人和地面移动基站组成的系统,并与锦州超高压局合作进行了现场带电巡检试验,完成了超高压实际环境下的巡检试验。该机器人能够沿500kV地线行走、跨越障碍,利用携带的摄像机或红外热像仪等检测装置,检测了输电线、防震锤、绝缘子和杆塔等输电设备的损伤情况。实现机器人和地面基站远程通讯,基站对机器人运行状态的远程控制。该样机的成功研制,在系统电源、机器人本体、控制系统、检测设备和通讯设备,地面控制与数据后台处理等方面积累了丰富的经验。“十五”期间,中科院自动化所开展了“110kV输电线路巡检机器人”的研究,其研究成果主要表现在:一是设计了三臂悬挂式移动机器人机构;二是采用“基于知识库的自动控制”和“基于视觉的远程遥控主从控制”的混合控制系统,实现了典型障碍的越障;三是采用多层神经元网络分类器,实现了实验室复杂环境下绝缘子开裂、破损视觉检查。目前,中科院自动化所复杂系统与智能科学重点实验室新研制的110kv输电线路巡检机器人采用二臂回转式悬挂机构,增加了臂距调整机构、夹持轮抱线机构等,可实现旋转、俯仰等运动功能,爬坡能力强。开发的二臂巡线机器人样机在实验室模拟线路上,沿一档架空线自主行走,并且能够跨越两档线路间的防震锤、悬垂线夹等障碍物。机器人携带的检测用地摄像机,可进行障碍物的检测和越障时的辅助指导工作,有效地克服了三臂机器人的不足,当然两臂机器人的行为规划复杂,增加了控制电路设计及运动控制的难度。东南大学,山东大学等相继研制出各自的巡线机器人。从国内外已取得的研究成果可以看出,国外无越障功能的架空电力线路巡线机器人技术较为成熟,已进于实用阶段。这类机器人一般需人工参与,只能完成两线塔之间电力线路的检查,作业范围小,自治程度低。自主巡线机器人能跨越线路附件、线塔等障碍物,可实施大范围、长时间的线路巡检作业,国内对具有自主越障功能的机器人研究投入力量大,取得了多项研究成果。为满足在柔性输电线行走并跨越各种障碍物,巡线机器人必须解决好结构设计、障碍物探测识别和控制行为规划三方面的问题。2.巡线机器人行走机构在管线上爬行的机构有轮式爬行机构和步进式爬行机构两类。步进式爬行机构通过机构上多只手臂的交替移动完成一步一步的步进爬行,一般应用在斜拉桥缆索、管道外壁的检查与维护过程中。轮式爬行机构依靠由电机驱动的行走轮与管线之间的摩擦力来驱动机器人行走前进。轮式爬行机构行走平稳,速度快,有利于所携带的探测仪器可靠工作,因此,目前巡线机器人多采用移动轮行走机构。巡线机器人机构设计必须考虑下列因素:⑴具有适合于柔性线路上平直段、爬坡和下坡段的轮式行走或步进式行走机构以及爬坡、制动能力;⑵具有摆动、旋转、俯仰调整功能的越障机构;⑶具有故障状态的安全自锁能力。此外,由于机器人悬挂在架空线上,越障时应保证机器人姿态平稳,并保持与其它导线和线塔金属部件的安全间距等。因此,机构的空间尺寸受到一定的限制。3.传感器检测和越障动作安装在输电线路上的防震锤、绝缘子、悬垂线夹、耐张线夹等杆塔支撑附件形成了机器人在电力线上运行的障碍。为跨越这些障碍,实现长距离、大范围的巡检,机器人必须借助于自身安装的传感器探测和识别这些障碍,控制机器人减速慢行,避免与障碍物的碰撞,然后根据障碍类型规划越障行为,实施越障动作。为此,在机器人上安装了红外、CCD摄像机、超声波、接近开关等多种检测传感器,以实现障碍物探测。机器人障碍探测及识别主要包括:⑴实时探测定位防震锤、耐张线夹、悬垂线夹等障碍;⑵实时识别障碍物的类型,根据障碍类型规划越障策略;⑶将轮式行走改为步进式越障工作方式,完成越障运动控制,跨越障碍物继续行走巡线。4.线路故障追踪巡线机器人通常要完成表1所列出的基本巡检项目。故障和损伤探测方法有:⑴视觉检查:视觉检查是应用最为广泛的线路检查方法,采用高分别率CCD摄像机摄取目标图像,实时传输到地面基站或存储下来,由基站操作人员根据图像中导线、绝缘子等设施的外观确定是否损坏或利用计算机图像处理和人工复查相结合的方法判断线路故障。实现这一过程的难点在于巡线机器人如何自主控制携带的摄像设备,捕捉特定兴趣目标,获取多视角、高清晰度目标图像。⑵红外探测技术:对于一些早期故障,如压接点松动、导线早期断股等故障难以通过视觉检查发现,红外探测技术可以解决这些问题。当出现导线断股、绝缘子破损、压接管连接不良等机械故障时,故障点附近就会出现局部温升,改变热辐射分布,红外传感器可以摄取表面温度超过周围环境温度的异常温升点,发现线路上早期的故障点。实时确定巡线机器人在作业环境中所处的位置及故障点的位置,是巡线过程的又一重要任务。准确标识线路故障点的位置对于设备的检修、维护至关重要。可以采用里程计进行定位,也可以借助于GPS进行定位。吴功平等人研究了导线破损的红外检测机理和故障信号的特征提取与故障识别的综合判据,开发了一种便携式近距离红外检测与故障诊断仪,用来处理、识别和确定故障发生的位置,取得了良好的效果。5.回转机构运动控制的加强在探测到线路障碍物后,要实现自主越障,则必须根据检测信号实现对各个电机的控制,实现传感器输入信号到电机控制输出间的映射。根据系统机构的设计及行为规划要求,当运动机构运动到左侧或右侧限位时,电机停止,系统必须进行对应的左、右限位。被限位后,机构只能改变运动方向。而在中间零位则不同,无论是从左侧还是从右侧靠近中间的零位,机构必须准确地停在同一个位置外,这一点很重要,它直接影响机构的姿态调整,中间零位不限制运动方向。正常巡检时,行走轮拖动机器人沿线行走,完成各种数据的采集与目标探测。越障时,前臂上的夹持机构(也称“手指”)夹持住输电线路,后臂脱线,由前臂的回转机构驱动机器人绕前臂回转跨过障碍物,跨到障碍物的另一端的后臂进行“抓线”和“夹持”,完成后臂的越障。再以后臂为轴进行前臂的回转越障。实验结果表明,这种机构具有简单、轻巧,节省空间等特点,可实现约40度的爬行和防震锤、悬垂线夹等障碍物的跨越。尽管两臂回旋轮式结构的巡线机器人简化了机构、减轻了重量,但是它的越障行为过程更复杂,涉及回转、脱线、摆臂、夹持等多种行为的运动控制。机器人的越障回转过程只有单臂支撑,运动过程的定位及保护犹为重要,一旦出现诸如程序跑飞,死机等故障时,将会对驱动电机和机器人机构造成很大的破坏。为此,中科院自动化所设计出高可靠性的定位保护硬件系统。当出现意外时,控制系