浮游式電力變壓器內部檢查機器人研制與應用

馮玉輝 高 超

浮游式電力變壓器內部檢查機器人研制與應用

馮玉輝 高 超

（中廣核集團中廣核核電運營有限公司，廣東 深圳 518124）

變壓器內部檢查不僅工作量大，而且存在引入異物、使變壓器絕緣受潮的潛在風險，因此本文通過分析變壓器內部環境，給出設計變壓器內部檢查機器人的相關要求，并基于此進行機器人總體結構設計、機器人內部設備優化布置及關鍵件結構設計，同時開展機器人運動與控制仿真研究，最后成功研制出一款帶柔性臂的浮游式變壓器內部檢查機器人。應用測試結果表明，所研制的機器人能有效替代人工進入變壓器內部開展健康狀態預防性檢查或進行故障點輔助判斷，具有較高的自動化水平。

變壓器；浮游式；機器人；研究；應用

0 引言

油浸式變壓器作為核電廠關鍵設備，其性能直接影響核電廠的安全運行，高效、及時、準確地評估變壓器內部健康狀態具有非常重要的實際意義。鑒于此，行業內相關人員進行了大量深入研究。文獻[1]提出一種基于氣體成分分析的變壓器過熱隱患預警方法，文獻[2]提出一種融合頻域介電譜及支持向量機的變壓器油浸紙絕緣老化狀態評估方法，文獻[3]提出一種利用模糊決策進行電力變壓器故障診斷的方法，文獻[4]提出一種評估絕緣紙在不同水分含量下的去極化電流曲線變化方法，文獻[5]提出一種基于多分類支持向量機的電力變壓器故障診斷模型，文獻[6]提出一種基于決策樹算法的電力變壓器故障診斷模型，文獻[7]提出一種基于模糊c均值算法的變壓器故障診斷模型。雖然上述方法都能取得一定效果，但變壓器內部檢查才是盡早發現變壓器內部元件早期松動、形變位移等缺陷的最直接有效的手段，同時可為變壓器全壽命周期管理建圖存檔，為及時發現內部隱患提供支撐。行業標準DL/T 573—2021《電力變壓器檢修導則》對變壓器現場大修有明確要求，推薦變壓器大修（包括檢修繞組、引線裝置，檢修鐵心、鐵心緊固件等項目）周期一般應在10年以上，不超過20年。運行中的變壓器宜采用周期性檢修和狀態檢修相結合的檢修策略，可結合設備健康狀態和油樣趨勢分析結果對變壓器檢修項目進行動態調整[8]。

近些年，機器代人理念及技術受到廣泛關注，智能化裝置已廣泛應用于變電設備狀態檢測評估中。文獻[9]介紹了一種500kV換流變壓器無人機巡檢技術，為換流變壓器故障診斷與設備狀態評估提供了新的技術手段；文獻[10]介紹了變電所智能巡檢機器人，極大地改善了無人或少人值班變電所的監控頻次和效果，同時有效減少了人員工作量、避免了作業風險，為變電所的運維智能化提供有力支撐；文獻[11]介紹了一款大跨越輸電線路巡檢機器人系統，可有效降低輸電線路巡檢人員的勞動強度和工作危險性，實現了大跨越輸電線路的高精度自動化巡檢；文獻[12]介紹了一種不停電檢修10kV配電網線路的帶電作業機器人，可滿足各種復雜情況下的帶電作業需求。

變壓器內檢工作較為復雜，耗時、費力、環境適應性較差，且有一定的人身安全風險及變壓器受潮風險，采用浮游式機器人代替檢修人員開展變壓器內部檢測的需求日益迫切。因此，本文設計一種基于無線遙控的浮游式電力變壓器內部檢查機器人，用于開展變壓器檢查與狀態評估工作，以期能夠避免放油作業，降低變壓器絕緣受潮風險，提高現場工作效率和質量，降低工作風險及檢修成本。

1 總體方案

1.1 技術可行性分析

油浸式電力變壓器主要由油箱、鐵心、繞組、套管及引線、分接開關、儲油柜等附件和絕緣油組成[13]。為了降低變壓器制作成本和運輸尺寸，通常變壓器內部空間較為狹小，且不同變壓器的內部結構形式多樣，這對絕緣油中檢測機器人的外形尺寸及結構設計提出了較高的要求?？傮w而言，機器人是在封閉式、充滿絕緣油介質、空間狹窄、尺寸結構受限、無照明、剩磁干擾等惡劣環境條件下運行，需保證機器人在整個內檢過程中不引入任何異物。

從機器人的運行環境分析，需要解決機器人實時定位、運動狀態可視化、高質量影像傳輸、內部缺陷識別等關鍵問題。從技術可行性分析，采用“面結構光相機+姿態傳感器（inertial measurement unit, IMU）+超聲波”的綜合定位方式可實現機器人的實時定位，采用“2路2.4GHz移動熱點（WiFi）和1路433MHz無線通信”的通信方案可實現高質量影像傳輸并保證可靠性，采用深度學習的目標檢測模型（YOLO- v3）算法可以實現變壓器內部缺陷的有效識別。綜上所述，變壓器內部檢查機器人具備技術可行性。

1.2 機器人機械結構

根據變壓器內部結構及機器人的特殊要求，所設計機器人的機械結構應在保證內部電控器件及驅動系統安裝空間的前提下，具有體積小、質量輕、穩定性高的特點，并應滿足運動靈活、運動效率高、環境適應性強的要求。根據機器人的使用環境、散熱、質量、制作、電磁屏蔽等需求，選擇鎂鋁合金作為機器人機身材料。機器人在絕緣油中處于微上浮狀態，以確保機器人在檢查過程中出現故障或失聯時，能自動返回油面。在完成機器人設計后，根據設計軟件測算可知機器人的整體質量為2.65kg，機器人外形尺寸為198mm×198mm×150mm，體積為0.003 3m3，實際外形如圖1所示。由于相關標準規定礦物絕緣油在不同溫度下的密度范圍為870～895kg/m3，根據重力公式可知機器人所受重力為==2.65×9.8N=25.97N，根據浮力公式可知機器人所受最小浮力為f=yp=870×9.8×0.003 3N=28.13N，其中y為絕緣油密度，p為機器人排開絕緣油的體積。有f＞，因此可以確保機器人在絕緣油中處于微上浮狀態。

圖1 機器人外形

從外形結構來看，圖1中機器人總體分為上下兩層，上層布置柔性觸角、電源開關、充電口等，下層布置機器人推進裝置、超聲波傳感器、相機、光源等。在機器人左右側布置有超聲傳感器和相機，用于機器人運動時避障和觀察四周情況，在機器人腹部布置有俯視相機、光源和超聲傳感器，用于機器人觀察底部情況。機器人搭載的傳感器和相機都安裝在機身內部，通過防爆玻璃鏡片從機器人內部采用螺栓緊固的形式進行密封保護，盡可能降低產生異物的風險；同時機器人下層無外露螺栓，最大限度地降低機器人因螺栓松動而產生異物的風險。為實現機器人多自由度運動，水平面布置2組螺旋槳式推進器，實現機器人前進/后退、左轉/右轉運動；垂直面布置3組螺旋槳式推進器，實現機器人上浮和下潛運動。

機器人內部主要布置嵌入式板卡、高能量密度的鋰離子電池、慣性導航傳感器、攝像頭及光源、激光測距傳感器等設備，其中前視相機和光源安裝在同一安裝架上，以便于安裝及調試；主要電控板安裝在同一導熱架上，實現機器人內部板卡的散熱；通過安裝架將電池固定在機器人中部，便于更換。

1.3 機器人關鍵部件

為實現單一推進器故障機器人原路返回的冗余設計，推進裝置采用雙推進器設計，即每個推進裝置由2個獨立控制結構的推進器組成，每個推進器互不干涉。當單個推進器損壞時，另一個推進器可支持機器人返回初始位置，在油中運動時，可開啟單推進器也可開啟雙推進器。所設計的推進裝置可以提高機器人的可靠性、降低推進器的能耗，推進裝置上的緊固螺栓采用高強度螺紋鎖固劑+環氧樹脂灌封的方式防松，推進裝置組成如圖2所示。根據機器人的尺寸及工作環境，推進裝置的電動機選擇無刷減速電動機，無刷減速電動機具有無電刷、低干擾、噪聲低、運轉順暢、壽命長等優點。

圖2 推進裝置組成

此外，機器人還配置有一對柔性觸角，柔性觸角的初始狀態為水平放置在機器人上，方便機器人通過狹窄位置；柔性觸角采用線驅柔性觸角，通過多個電動機控制多對對稱合金絲的同步收放，實現柔性觸角的運動，在柔性觸角末端安裝有軟天線，可增強機器人的無線通信能力，同時還可輔助機器人開展狹窄位置或油面上方區域的視覺檢查，大大提升了機器人檢查的環境適應性、擴大了檢查范圍，機器人柔性觸角如圖3所示。每段柔性臂由多個直段和雙方向正交萬向節組成，萬向節間設計了阻尼相位擋塊，通過多個萬向節的交聯可以實現多方向自由度的柔性觸角運動，得益于本身結構強度設計及內部合金絲牽引，柔性觸角結構件整體呈現較高的機械強度及較高的冗余度。在電動機的控制下，柔性觸角能模擬出如蛇類生物般柔軟的身體，這樣的機構設計使其具有向任意方向彎曲的能力，通過運動控制算法調節柔性臂的形狀，可使柔性臂末端到達變壓器內部機器人本體無法進入的狹窄位置進行檢查。

圖3 機器人柔性觸角

機器人攜帶7臺拍攝裝置和1臺深度相機。其中，1臺前視拍攝相機的分辨率達到1 080P，可實現高清畫質拍攝且具備自動調焦功能；1臺俯視相機的分辨率為1 080P；本體2個側邊和2個柔性觸角上分別裝有1臺尺寸較小的拍攝相機，實現機器人對本體側邊及變壓器內部狹窄處的視頻檢查；1臺仰視相機，用于觀察機器人上方。安裝在機器人外殼上的5臺相機視野范圍可覆蓋前方180°，左右60°，柔性觸角相機可實現機器人360°范圍內全方位視頻檢查。同時，每個拍攝裝置均配置有功耗低、亮度高的照明裝置，其中側面和柔性觸角的照明集成在微型相機上，滿足機器人視覺檢查的需要。

WiFi是當今使用最廣的一種無線網絡傳輸技術。WiFi信號的頻段通常為2.4GHz和5GHz，其中2.4GHz頻段支持802.11b/g/n/ax標準，5GHz頻段支持802.11a/n/ac/ax標準。無線通信系統采用微型高清晰無線傳輸系統，采用編碼正交頻分復用（coded orthogonal frequency division multiplexing, COFDM）多載波調制技術，可同時傳輸高清多媒體接口（high definition multimedia interface, HDMI）視頻與2路串口數據，該機器人通過移動熱點WiFi信號建立高速無線數據連接，通信頻段為2.4GHz電磁信號。機器人在變壓器內執行觀測任務時，其電磁信號傳輸的媒質為絕緣油。通過對絕緣油的參數及低損耗介質的特性進行計算，可以得出其衰減常數及相移常數，可知絕緣油媒質具有理想介質的特性。通過分析可知，在特定的2.4GHz頻率下，絕緣油可傳輸無線信號，驗證了機器人采用2.4GHz無線通信方案進行變壓器內部檢查具備可行性。

機器人攜帶7個相機，分別為前（主視）、左、右、俯、仰相機和2個柔性觸角相機。在實驗室測試環境下，測得機器人內部2.4GHz模塊WiFi的最大帶寬為50Mbit/s。機器人7路視頻流中有兩路1 080P視頻，其余為720P視頻。根據最新的高效率視頻編碼標準（H.265），機器人視頻傳輸所需的帶寬為2Mbit/s×5+5Mbit/s×2=20Mbit/s＜50Mbit/s，采用2.4GHz模塊WiFi可完全滿足拍攝裝置的上行帶寬要求。同時，機器人無線通信由3路無線通信組成，分別為2路2.4GHz WiFi信號和1路433MHz無線通信，滿足冗余設計要求。2路2.4GHz WiFi信號均可作為機器人本體和遙控操作盒的主要通信通道，用于傳輸實時視頻信號和控制信號。當其中1路2.4GHz WiFi無線通信出現異常時，遙控操作盒會發出報警提示，并自動切換為另一路無線通信，確保視頻不中斷，機器人繼續巡檢或者返航。當出現2路無線通信均斷開的極端情況時，遙控操作盒會發出報警提示，并自動切換至433MHz無線通信，確保機器人能持續接收控制指令并返回投放口?？刂菩盘柸哂嘣O計如圖4所示。

圖4 控制信號冗余設計

2 機器人運動設計與控制

2.1 機器人流體動力學分析

機器人在水平方向的運動及轉向、垂直方向的升降運動是通過安裝在機器人本體上的螺旋槳推進裝置的正反轉來實現的，由于影響機器人內部檢查性能的主要因素是其水平面內的動力學性能，而檢查狀態下，對機器人垂直面內的機動性要求不高，因此重點對機器人的水平運動進行動力分析。

為了更好地驗證該檢查機器人在絕緣油中的控制能力，在機器人樣機開發前對機器人本體進行流體仿真及推阻力計算，設定機器人在1.5m/s的速度下運行，搭建機器人仿真域并對機器人本體進行網格劃分。機器人本體網格劃分如圖5所示。

圖5 機器人本體網格劃分

進行機器人本體在變壓器油中的仿真，以驗證機器人在水平前進方向上施加計算推力后能夠以設定速度正常巡航。其中，油液密度設置為895kg/m3，機器人本體鎂鋁合金密度設置為1 320kg/m3。仿真分析表明，運動過程中機器人本體承受的平均壓強約為336Pa，出現在機器人前端的最大壓強約為1 238Pa。由于運動過程中阻力的影響，機器人本體所受的應力主要分布在機器人正面，機器人本體運動時的應力情況如圖6所示。

圖6 機器人本體運動時的應力情況（主視圖）

機器人本體的運動速度為1.5m/s時受到的阻力約為2.28N，機器人在油中運動時的實際推力約為10.11N，表明機器人能夠在此推力下正常運動，證明了機器人設計的有效性。

2.2 機器人推進器推力計算

機器人螺旋槳的輸入是電動機轉速，輸出是推力和力矩。油中機器人向前運動通過螺旋槳旋轉推力完成，同時進速比及推力系數受油中機器人向前運動速度的影響，最終反映為對推力和力矩大小的影響。螺旋槳推力的數學模型為

式中：T為螺旋槳推力系數；為螺旋槳直徑；為推力減額；為油體密度；為螺旋槳轉速。其中，推力系數T為進速比的函數，進速比可通過式（2）進行計算。

式中：f為伴流分數；為油下機器人運動速度。

通過測量，螺旋槳實際直徑為65.78mm，結合油下機器人標準工況運行速度0.5m/s及伴流分數f=0.9，螺旋槳電動機轉速設定為4 800r/min，由此可計算出進速比=0.68，根據螺旋槳敞水性能曲線可得，推力系數T=0.12，進而通過式（1）求得單個螺旋槳推進器的推力=11.52N。

為了進一步驗證螺旋槳設計的有效性，應用工程仿真軟件Ansys進一步對螺旋槳推力進行仿真分析[14]。設定螺旋槳轉速為4 800r/min，入油口流速設置為1.5m/s；采用湍流模型對螺旋槳進行推力計算，在不考慮動能損耗的前提下，螺旋槳在轉速為4 800r/min的工況下產生的平均推力為12.52N，與上述利用公式計算出的推力11.52N基本一致，表明螺旋槳在額定轉速下能產生足以推動機器人本體的推力。同時，為了進一步模擬雙發螺旋槳同時轉動時產生推力的情況，在Ansys中進行推力模擬及計算。雖然在雙發螺旋槳同時轉動的工況下存在一些干擾，但整體仍能產生19.73N左右的推力；同時雙發螺旋槳滿足冗余設計要求，可以根據不同的工況及運行速度要求變換不同的轉動方式。

2.3 運動控制系統

機器人在變壓器中運動時，由于無法準確定位初始位置而引入起始偏差，或經過一段時間運行后運動軌跡與期望軌跡之間存在偏差，控制系統應糾正這些偏差，使受絕緣油波動干擾等影響的機器人的實際運動能夠跟蹤期望軌跡。文獻[15]提出一種基于模型預測控制的水下機器人軌跡跟蹤優化方法。本文的絕緣油中檢查機器人采用深度閉環控制方法實現機器人的定向控制，機器人獲得上位機發出的定向指令后，驅動推進器運動至預定方向，利用傳感器反饋計算航向差并輸入定向控制器，定向控制器輸出控制電壓，控制各推進器轉速，完成對機器人航向的調整。該機器人的航向控制采用模糊自適應比例-積分-微分（proportional integral differential, PID）控制，將航向偏差量和偏差的變化率作為控制器的輸入，應用模糊控制規則對PID控制器的3個參數進行在線整定，運動控制框圖如圖7所示；持續通過PID控制器輸出控制量，使機器人控制系統具有較強的抗干擾能力。

圖7 運動控制框圖

3 應用與優勢

文獻[16]分析了大容量單相發電機主變壓器的結構，為了更好地為變壓器內檢機器人樣機的開發研制提供良好的參考試驗條件，結合上述結構分析，定制一款小尺寸試驗油池進行試驗。在試驗油池對機器人進行多次調試、操控優化、技術改進迭代后，最終進入某500kV備用變壓器內部開展應用調試及控制優化。機器人通過變壓器頂部的手孔進入變壓器內部，機器人操控終端顯示接收到有載分接開關引線視頻圖像如圖8所示，通過視頻圖像可判斷變壓器內部是否存在故障。

圖8 有載分接開關引線視頻圖像

所設計的變壓器內檢機器人還具備專家支持功能，專家可遠程獲得近實時高質量圖像，以解決內檢機器人識別出的問題。同時，利用所設計的內檢機器人可實現對變壓器內部檢查工作的快速部署，一旦變壓器停電，就可部署內檢機器人完成對變壓器的內部檢查，從而更準確地評估變壓器健康狀態，應用機器人完成變壓器內部檢查將成為變壓器常規定期試驗項目的重要組成部分。變壓器檢修工期與核電廠大修工期密切關聯，變壓器內檢機器人的應用可大幅降低檢修資源投入，縮短檢修工期，同時由于整個檢修過程中只需變壓器少量排油至鐘罩油箱頂部（鐵心上夾件附近），變壓器高低壓線圈均未暴露于空氣中，無潮氣進入的風險，因此無需開展局部放電耐壓試驗即可恢復送電。傳統變壓器內部檢查與機器人內部檢查對比如圖9所示。

圖9 傳統變壓器內部檢查與機器人內部檢查對比

4 結論

本文研究的變壓器內檢機器人具備無線遠程多終端操控、自主巡航及準確定位功能，通過操控端實時接收和發送控制信號實現對內檢機器人運動姿態和運動速度的多參量控制，同時可接收和反饋機器人檢測照片、視頻、機器自檢信息及實時位置坐標等相關信息。根據遠程端接收到的檢測照片、視頻，可準確判斷變壓器發生的故障類型。本文對所設計研制的機器人樣機在試驗油池和變壓器內部開展了功能性測試及控制優化，試驗結果表明，浮游式變壓器內檢機器人具有良好的密封性、耐腐蝕性和運動靈活性，可獲得清晰的變壓器內部圖像，可有效替代人工開展變壓器內部檢查工作，為后續示范性應用與推廣奠定了堅實基礎。

本文研制的基于無線遙控帶柔性臂的浮游式機器人實現了代替人工開展油浸式變壓器內部檢查工作的目標，減輕了維護人員的工作量，其應用可大大降低檢修資源投入，并縮短檢修工期，對實現變壓器內部檢查無人化和自動化具有重要意義。

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Development and application of a floating internal inspection robot for power transformers

FENG Yuhui GAO Chao

(China General Nuclear Power Group China Nuclear Power Operations Co., Ltd, Shenzhen, Guangdong 518124)

The internal inspection for transformers not only requires a large amount of work, but also poses potential risks of introducing foreign objects and insulation moisture. Through the analysis of the internal environment of transformers, requirements have been put forward for the design of the transformer internal inspection robot. Based on this, the overall structure design of the robot, the optimization layout of internal equipment, and the design of key component structures are carried out. At the same time, simulation research on robot motion and control is carried out, and a floating internal inspection robot with flexible arms for transformers is successfully developed. The application test results indicate that the robot can effectively replace manual entry into the transformer to carry out preventive health checks or assist in identifying internal fault points, which has a high level of automation.

transformer; floating type; robots; research; application

2023-11-13

2023-12-11

馮玉輝（1983—），男，遼寧省沈陽市人，本科，高級工程師、高級技師，主要從事核電廠大型電力變壓器全壽期運維管理工作。