一种地下电缆管道勘测及穿线机器人的研制.pdf

技术前沿Technology Frontier电力系统装备Electric Power System Equipment196丨电力系统装备 2023.62 0 2 3 年第6 期2023 No.6图7 二次空气开关闭锁装置设计闭锁装置制作完成后，使用效果示意图如图8所示。图8 二次空气开关闭锁装置使用效果由图8可知，将闭锁装置卡在二次空开处并上锁后，无法随意操作空开，并在使用钥匙解锁之后才能将闭锁装置取下，达到了闭锁目的。4 总结本文所研究的二次空开、压板防误闭锁装置投入后，能较大程度的提高变电站二次设备安全措施布置完善率，使得二次设备的隔离具有强制性和统一性，杜绝了误碰、误操作现象，保障了继电保护装置的安全可靠运行，有效提高了工作人员人身安全、电力设备安全保障性。并且所设计的工具使用方便、简易，便于教学及操作管理，便于推广该装置至各个变电站，能有效杜绝变电站内由于二次安措不完善带来的事故隐患和由此可能蒙受的经济损失，有较好的实用价值以及经济社会效益。参考文献1 程远昊，宋强.继电保护现场“122”安全管控 J.电力安全技术，2021，23（6）：71-73.2 高梓辉.新形势下电力安全生产管理问题及发展路径研究J.技术与市场.2021，28（7）：177-178.3 利东宇.电力安全生产管理中风险控制分析 J.技术与市场.2017，24（5）：228-229.4 刘京辉，何敏，邱静宜.变电站二次工作安全措施与“三化”管理研究 J.电力设备管理，2019（8）：23-24，62.5 贺春，李鑫.智能变电站继电保护安全措施研究 J.电工技术，2019（5）：99-100，103.6 章伟林.智能变电站二次工作安全策略研究 D.北京：华北电力大学，2013.7 张博.变电检修工作安全实施的有效措施研究 J.科技创新与应用，2019（31）：145-146.目前国外已有电缆管道机器人系统，美国 Olympus公司研制的新型的管道摄像机检查系统，加拿大、德国也相继研制出具有代表性的管道机器人。其中德国的产品售价180万元一部，价格昂贵且不具备牵引的功能，摘 要文章介绍了一款地下电缆管道勘测机器人，主要阐述了该勘测机器人的结构和功能，并介绍了其全新的辅助送线功能和同步控制系统。通过试验证明，该地下电缆管道勘测机器人可以弥补传统人工巡检无法定位管道内部缺陷点的技术空缺，可以提高当下城市电缆管道线路的安全管理。关键词地下电缆管道；管道勘测；机器人；巡检；输送中图分类号TM73 文献标志码A 文章编号1001523X（2023）07019603Development of an Underground Cable Pipeline Survey and Wiring RobotLI Guohua，WANG Xiaodong，NING LianshanAbstractThis paper introduces an underground cable and pipeline survey robot,mainly expounds the structure and function of the survey robot,and introduces its new auxiliary wiring function and synchronous control system.It is proved through experiments that this underground cable and pipeline survey robot can make up for the technical gap that the traditional manual inspection cannot locate the defect points inside the pipeline,and improve the safety management of the current urban cable and pipeline lines.Keywordsunderground cable and pipeline;pipeline survey;robot;patrol inspection;transportation一种地下电缆管道勘测及穿线机器人的研制黎国华，王晓东，宁连山（广州市南电电力工程有限公司，广东广州511400）技术前沿Technology Frontier电力系统装备Electric Power System Equipment2023.6 电力系统装备丨1972 0 2 3 年第6 期2023 No.6机器人的爬行距离和爬坡能力都是有限的，其爬行距离仅可达100 m，性价比较差。国内也有相关机器人产品，主要用在煤气管道中。其中由清华大学自主研发的下水道自动清淤机器人，运行结构已较为稳定，但在管道内壁出现温差而形成冰面的环境下，机器人容易打滑；北京石油化工大学结合仿生学设计了一款能模仿蝎子身体结构和运动方式的管道机器人，虽可轻松越过一些障碍，但行走的速度较慢，总体驱动效率不高。为此有必要研究一款科技化、智能化、专用化的地下电缆自动化牵引敷设机器人。1 设计思路电缆线路入地工程，是将电力电缆敷设在地下，同一地下电缆通道可容纳多回线路。电缆排管是将一组管子预先埋设地下用于穿电缆的方法。当电缆排管长度超过100 m 时，传统的人工敷设方法则面临效率低下等诸多问题，仍使用人力牵引塑料通棒来疏通排管非常困难。目前用于铺设电缆电线的管道多采用高密度聚乙烯（HDPE）、聚氯乙烯（PVC）、微孔发泡聚丙烯（MPP）等材质，管道埋于地下容易因地表塌陷或其他外力因素导致管壁破裂、变形，也会因为施工周期、搁置时间长而出现堵塞、错位等现象。由于广东地区河涌较多，在铺设埋深较大管道时常会遇到流沙层，容易引起承载力急剧下降，而造成该处管道下沉。设计地下电缆管道勘测及穿线机器人采用远距离操控，使机器人沿着管道内行走，将管道内实时拍摄的图像反馈至操控端，是一款具备辅助送出和收回线缆功能的新型辅助工具。图1为模拟电缆管道勘测及穿线机器人进入管道内的场景。（a）模拟电缆管口机器人送线 （b）模拟机器人进入管道图1 电缆管道勘测及穿线机器人应用模拟情况2 结构组成地下电缆管道勘测及穿线机器人由管道机器人、遥控模块、高清监视装置、辅助送线装置组成。而管道机器人主要包括了机器人地盘、动力系统、遥控模块、高清夜视摄像头、升降支撑模块等。机身采用具有较好延伸性能、较强耐腐蚀性能的全铝质外壳。位于机身前端高清夜视摄像头的旋转范围可大于90。在机器人尾部预留拉环便于牵线使用。遥控模块用于对管道机器人进行控制，整体是通过有线连接对摇杆进行操作，以用于控制管道机器人运动方向。辅助送线装置安置在管道口，能有效保护线缆的同时减少机器人牵引的压力。在送线装置增设了编码器，能计算管道机器人进入管道的深度。3 功能介绍3.1 管道机器人收放线功能由于中低压地下电缆管道的选材有限，对机器人的行走模块要求较高。因此还增设了切面来增大在管道内行驶的摩擦力，使得机器人具备一定越障和爬坡能力。勘测机器人内置直流有刷电机，通过 T 型减速箱将大扭矩的动力传送至两个驱动轮，实现双驱动式传动结构，而四个从动辅助轮可调整履带松紧程度，对整体起到支撑与增大接触面的作用。由于勘测机器人的实际受力情况复杂，为简化分析和计算，对其移动机构的受力情况做一些假设以满足分析的需要。假设下面条件成立：移动机构是在直管中运动，忽略管道内径的不均匀性；勘测机器人的移动机构车轮在管道内作纯滚动，忽略掉零件加工中的误差而导致的其他形式运动：整个移动机构作匀速运动，不考虑其惯性力的影响；移动机构移动时共有六个轮子与管道内壁接触，假设每个轮子的封闭力相同；忽略一切损失；负载无波动。假设通讯电缆与牵引钢缆同线，电缆对管道勘测机器人存在一个力 F1：F1=N1=m1g1（1）式中，1为电缆与管道勘测机器人之间的摩擦力，m1为电缆的质量，g 为重力加速度。管道勘测机器人的行走结构与管道有一个力 F2：F2=N2=m2g2（2）式中，2为行走结构和管道之间的摩擦力，m2为机器人的质量，g 为重力加速度。其中有主从轮与行走结构的摩擦力为 F3，管道勘测机器人内置机械摩擦力为 F4，加速度为所以：F牵引力=ma+F1+F2+F3+F4（3）式中，m 为机器人整体质量，a 为加速度。因为转矩 T=FR，转速，可得：P=Tn/9550 （4）式中，P 为功率，T 为转矩，n 为转速。假设机器人重量为20 kg，V=0.5 m/s，轮组采用橡胶轮，则橡胶轮对 PCV 管道的摩擦因素约为0.6，其中100 m 的4 mm 钢丝与电源线约14 kg，摩擦因素约为0.7，a=0.05 m/s2。代入式（3），得出最大牵引力是215.34 N。若要实现牵引收放线功能，仅依靠机器人尾部预留拉环是不可行的。因此设计了辅助送线装置，在管道洞口放置辅助送线装置，解决机器人在管道内执行任务时行走的压力。现场测试情况如图2所示。技术前沿Technology Frontier电力系统装备Electric Power System Equipment198丨电力系统装备 2023.62 0 2 3 年第6 期2023 No.63.2 可视化监控与控制系统可视化监控与控制系统是采用有线连接的方式。该操控系统通过自主开发，利用该系统对机器人进行控制。当电力施工人员对控制摇杆进行操作时，操作信号会传递给勘测机器人的控制模块，使机器人完成指定方向运动。在控制端接收并显示管道内实时回传的监控视频，从而了解地下管道的情况。可定制化按钮能设定拍照、录像、一键行驶等快捷按键，在进行勘测工作过程中，发现管道出现破裂、堵塞、严重老化腐蚀等情况时进行拍照或者录像，并对此类情况备份处理，便于进一步讨论及定制解决方案。3.3 空管故障检测与定位功能整套设备采用智能算法+模拟显示的技术方案，通过多重传感器复合算法定位机器人进管距离，在可视化监控与控制系统上建立模拟管道模型，以显示机器人实时位置。通过该系统配合机器人搭载的红外夜视摄像头采集电缆管道内部的视觉信号，将视觉信号传递至图像采集模块，图像采集模块会进行滤波、放大处理，同时图像采集模块上的 A/D 转换器件对连续的视觉信号在时间上进行等间隔采样，并进行量化、编码，将视觉信号进行模拟数字（A/D）转换，经过处理的信号会通过视频通讯线实时地显示到可视化屏幕上。3.4 轻型堵塞清理功能由于地下电缆空管的工况复杂，本产品研发只针对轻型堵塞进行清障功能。当地下电缆空管出现轻型堵塞的现象，将配备的 V 形铲斗与 形铲斗进行安装即可解决。其中 V 形铲斗主要进行较大异物的清障工作，例如石块、树叶、树枝等；而 形铲斗主要进行泥沙等细小堆积异物的清理。4 技术关键整体机身采用完全防止粉尘进入与任何角度低压喷射无影响的结构，即 IP65级防水设计，局部模块化物理防水设计。双驱动行走结构可进行差速转向微调。红外夜视采集模块，弱光环境下成像灵敏，图像清晰细腻，满足管道内的图像采集需求。智能算法+模拟显示，系统模拟管道长度可达200 m，通过多重传感器复合算法定位机器人。模块化分体式设计，可将机器人、布线装置、线盘快速拆装，方便携带。管道轻型堵塞清理功能，灵活应对电缆空管出现轻型堵塞的情况。小型牵引穿线功能，先进行牵引线的放置作业，再进行电缆敷设作业，替代传统穿线器作业方式，提高了施工效率。5 实例应用完成对电缆管道勘测穿线机器人及敷设装置的研制后，为了试验项目的可行性，对该装置进行相应的测试（图2）。在模拟管道环境中，机器人在混凝土、泥泞、泡水泥地、沙地四个状态的路面下测试，皆可顺利通行。机器人摄像头清晰程度在明亮、阴天环境下，属于清晰的；在昏暗、漆黑环境下，属于较为清晰。通过对机器人的防水性测试，证明设备在1.5 m 水深保持1.5 h，动力轴处与合盖处均无明显渗水现象。在实际环境中，通过在泥泞路面以及管道内两个环境下对机器人的使用效果进行了穿行速度的测试，机器人平均速度为7.2 m/min，完成150 m 的地下管道穿线工程用时约20 min。测试效果检查结论：地下电缆管道勘测及穿线机器人施工效率数值均超过了研发小组设定的目标值，成果达到了预期设计的目标。在南方电网公司印发的加强国家战略科技力量建设的实施意见中明确“十四五”科技创新十大重点研发方向和八大产业链方向，人工智能及专用机器人为其中一大产业链方向。广州市南电电力工程有限公司近年来以广州南沙区为立足点，逐步向大湾区进行辐射。在企业发展的同时，逐步布局在科技创新领域的产业链发展方向。地下电缆管道勘测机器人的技术研究，有助于提高集团与公司的科技创新能力。通过机器人代人的方式，解决了目前大长度地下电缆管道勘测难的技术痛点，提高了中低压地下电缆的勘测效率。同时通过降低施工强度，保障了施工人员在户外高温环境工作时的安全。6 结束语国家现代化发展进程对供电的安全性、可靠性、稳定性和经济要求逐渐变高。配电线路基础工程的质量直接关系着电网的安全可靠运行。本项目的研究，有利于提高中低压地下电缆空管勘测环节的工作效率，减少施工周期与施工成本，提高配电网建设效率。同时，本项目的新型施工工艺，将为更多电力工程企业提供高效、安全的施工方式与技术标准。参考文献1 程晖，曾壁环，胡亮，等.小电缆管道机器人的研究 J.电工技术，2019（24）：149-150.2 苏祺钧，孔祥新，任子妍.电缆管道巡视清理机器人的设计 J.电子技术，2018，47（8）：93-96.（a）泥泞路面测试 （b）管道内测试图2 现场测试情况