低壓電流互感器自動化檢測系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn)

穆小星，歐陽曾愷，陳 剛，徐敏銳，祝宇楠

（江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院 國家電網(wǎng)公司電能計量重點(diǎn)實驗室，南京 210019）

互感器屬于國家強(qiáng)制性檢定計量器具，因此無論是在生產(chǎn)階段還是在驗收階段，都必須進(jìn)行檢測。低壓電流互感器依據(jù)相應(yīng)檢測規(guī)程開展檢驗。其例行檢驗內(nèi)容主要是預(yù)防性安全試驗、計量誤差試驗。傳統(tǒng)檢驗方式作業(yè)復(fù)雜、檢測效率低、易出錯、安全風(fēng)險大，測試數(shù)據(jù)受人員、檢測條件影響大且無法遠(yuǎn)程傳輸，無法實現(xiàn)檢測信息化、檢測智能化。近年來，電網(wǎng)企業(yè)實現(xiàn)了集約化管理，互感器實施集中采購、集中檢驗、統(tǒng)一配送模式，規(guī)模化人工檢測幾乎難以勝任。此外，互感器相關(guān)企業(yè)越來越重視產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、勞動成本，都在積極采用互感器自動化檢測手段。

目前，許多電力檢測機(jī)構(gòu)或企業(yè)都陸續(xù)建立了互感器批量自動檢測系統(tǒng)，但在系統(tǒng)優(yōu)化、檢測效率、檢測規(guī)范性、適用性、產(chǎn)品性價比等方面尚存在不足[1-2]。為此，開展互感器檢測流水線的優(yōu)化與規(guī)范化設(shè)計研究，提出一種優(yōu)化的、標(biāo)準(zhǔn)化的、實用性強(qiáng)、計量檢測可靠性高、綜合成本低的互感器流水線設(shè)計方案非常有意義。

針對目前問題，從標(biāo)準(zhǔn)化互感器及優(yōu)化流水線（輸送線）結(jié)構(gòu)、自動接線機(jī)構(gòu)、互感器檢測工序及節(jié)拍等方面開展研究，提升檢測流水線效率、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低設(shè)備成本，提高檢測可靠性及設(shè)備通用性。

1 流水線檢測設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

1.1 低壓電流互感器標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

檢測對象標(biāo)準(zhǔn)化是實現(xiàn)流水作業(yè)的基本條件。低壓電流互感器型式，按安裝方式可分為兩大類，戶內(nèi)安裝式互感器和戶外安裝式互感器；按一次接線方式，分為穿心式、羊角（端子）式。為降低設(shè)備復(fù)雜度和互感器品種，對羊角式互感器采用工藝革新及合理參數(shù)配置，統(tǒng)一為穿心式結(jié)構(gòu)；對小變比互感器孔徑實施優(yōu)化，盡量增大孔徑，確保穿桿成功率。而對大口徑、大尺寸戶外式互感器，通過技術(shù)創(chuàng)新、工藝改進(jìn)，在穿孔直徑最大化及限高約束條件下，重新設(shè)計、研制新型戶外用互感器，與戶內(nèi)互感器尺寸形成統(tǒng)一。

圖1為一種0.2S級新型大口徑穿心式低壓電流互感器。它采用特殊工藝處理橢圓形鐵芯，在橢圓形扁頭（即長軸）兩側(cè)繞制線圈，橢圓中間部分（即短軸兩側(cè)）不再繞制線圈，最終形成一個圓形穿心孔，最大化地減小了互感器高度尺寸及體積。75～3000 A系列規(guī)格互感器孔徑分別可達(dá) 40、60、80 mm，可滿足目前相應(yīng)規(guī)格穿心式互感器最大電纜穿越需求，較好地滿足了自動化檢測線物流、檢測設(shè)備、周轉(zhuǎn)箱等對被測互感器自適應(yīng)要求，解決了低壓電流互感器與自動化系統(tǒng)兼容問題，從而提高了自動化系統(tǒng)對象的適用性，實現(xiàn)了低壓電流互感器自動檢測全覆蓋。

圖1 新型大口徑互感器Fig.1 New large hole transformer

1.2 互感器物流周轉(zhuǎn)箱標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

目前，在用電流互感器周轉(zhuǎn)箱為3×4矩陣排列，只能適應(yīng)戶內(nèi)1500 A以下互感器放置，而大變比、戶外式等擴(kuò)展型號互感器由于箱內(nèi)空間自由度極小而難以放置。此外，周轉(zhuǎn)箱高度不合理，與電能表周轉(zhuǎn)箱（疊放）高度不匹配，在倉儲、流水線各環(huán)節(jié)帶來管理不便、工序瓶頸等問題。

“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，為媒體行業(yè)打開了新局面，推動了媒體領(lǐng)域的改革進(jìn)程，這使得傳統(tǒng)媒體在發(fā)展中面臨著更多的機(jī)遇，同時也迎來了極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)媒體面對著新媒體這個“野蠻人”，很多人揚(yáng)言傳統(tǒng)媒體最終會被新媒體所取代，這在客觀上要求傳統(tǒng)媒體必須要順應(yīng)時代發(fā)展的步伐，吸收、汲取、借鑒新媒體的優(yōu)勢，實現(xiàn)與新媒體的合作互動、資源共享，進(jìn)而推動自身的健康穩(wěn)定發(fā)展。

為實現(xiàn)周轉(zhuǎn)箱全型號的互感器兼容及標(biāo)準(zhǔn)化管理和自動化系統(tǒng)工件裝載流轉(zhuǎn)需求，在不改變原周轉(zhuǎn)箱外廓尺寸的情況下，對目前互感器周轉(zhuǎn)箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如圖2所示?；ジ衅鲾[放由3×4排列改為2×6排列，可使互感器長度空間自由度大大提高，較好地解決了非常規(guī)互感器的放置。

圖2 新型互感器周轉(zhuǎn)箱方案Fig.2 New transformer turnover box scheme

新型周轉(zhuǎn)箱完全滿足各種類型互感器放置與定位需求，實現(xiàn)穿心式互感器全系列、全型式覆蓋。此外，結(jié)構(gòu)型式的變革，也使得互感器擺放更符合自動化系統(tǒng)機(jī)械手操作與工裝托盤定位需求，減少了機(jī)械手相應(yīng)旋轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，提高了上下料安全性、可靠性、互感器抓取效率。

2 檢測流水線優(yōu)化設(shè)計

為降低系統(tǒng)成本與場地面積，對周轉(zhuǎn)箱輸送系統(tǒng)采用穿梭車與輥筒傳輸機(jī)組合方式及空周轉(zhuǎn)箱回庫緩存的設(shè)計方案，以減少輸送機(jī)長度、設(shè)備數(shù)量；對被測對象及工裝設(shè)備、作業(yè)方案，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、優(yōu)化、提高設(shè)備集成度；對工裝托盤流水線進(jìn)行獨(dú)立支線模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，以增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行靈活性、可使用性、可維護(hù)性、裝備通用性。

2.1 周轉(zhuǎn)箱輸送線與工裝托盤輸送線優(yōu)化設(shè)計

目前，無論是已建互感器檢測線還是同類其他產(chǎn)品生產(chǎn)/檢測流水線，形式多樣，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。同類型產(chǎn)品流水線沒有一個優(yōu)化的、標(biāo)準(zhǔn)化模式，重復(fù)設(shè)計，無形中產(chǎn)生了社會資源極大的浪費(fèi)。借助優(yōu)化模型，通過互感器檢測線優(yōu)化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，為工業(yè)產(chǎn)品類檢測流水線提供相應(yīng)典范。由2單元8支線組成的流水線的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 流水線組成及物流示意Fig.3 Assembly line composition and logistics schematic

由圖可見，周轉(zhuǎn)箱物流輸送系統(tǒng)，沿X軸依次為接駁輸送線、穿梭車軌道，線上設(shè)置有碼垛機(jī)、拆垛機(jī)、周轉(zhuǎn)箱初檢裝置等周轉(zhuǎn)箱操作處理設(shè)備；設(shè)備在空間上立體交叉分布，充分利用高度空間及設(shè)備與流水線關(guān)系，優(yōu)化布局，使設(shè)備占地面積最小化。

工裝托盤輸送流水線，由2組“日”字形總線及到各工位設(shè)備的8組U形支線組成。支線間沿總線方向（Y軸）離散布局，支線間留足巡檢維護(hù)通道；托盤支線、單元數(shù)量采用偶數(shù)配置，結(jié)構(gòu)采用對稱分布，以便根據(jù)產(chǎn)能靈活變換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、方便設(shè)計。支線采用單排U形排布，可以避免支線形成大圍圈而造成設(shè)備巡檢、維護(hù)的不便和共用設(shè)備、總線長度（3倍）的增加，減少設(shè)備占地面積，提高場地利用率、節(jié)約重型設(shè)備投資。沿托盤輸送總線設(shè)置有相關(guān)條碼掃描、貼標(biāo)等檢測共用設(shè)備；沿工裝托盤分支小線設(shè)置各功能檢測設(shè)備。

圖3中，實線表示進(jìn)線流，虛線表示出線流，兩者組合后沿順時針或逆時針方向形成一個閉環(huán)流水線路徑，形成工件上料到下料的完整檢測流程。

2.2 周轉(zhuǎn)箱與工裝托盤輸送線接駁優(yōu)化設(shè)計

周轉(zhuǎn)箱與工裝托盤輸送線間物流最為頻繁。高效流暢的接駁系統(tǒng)，可以有效地消除瓶頸，提高相應(yīng)功能的可靠性。滿足上述性能的周轉(zhuǎn)箱接駁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 穿梭車接駁原理Fig.4 Shuttle car connection principle

該系統(tǒng)由周轉(zhuǎn)箱接駁線（大線）、工裝托盤傳輸線（小線）及兩者間接駁穿梭車、上下料“碼頭”組成。

通過穿梭車接實現(xiàn)周轉(zhuǎn)箱在2個線體間的擺渡，并借用倉儲系統(tǒng)實現(xiàn)空周轉(zhuǎn)箱緩存，大大節(jié)約流水線傳輸機(jī)的長度、占地面積，節(jié)省了相應(yīng)堆垛、拆垛設(shè)備，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，總成本降低。

穿梭車采用一軌雙工位穿梭車，可滿足周轉(zhuǎn)箱傳輸機(jī)與工裝傳輸機(jī)間各種形式擺渡需求。在上料工位處送入待檢實箱，取走上料后的空箱；在下料工位處輸送空箱，取走下料后的實箱。整個接駁系統(tǒng)協(xié)調(diào)、靈活、流暢。從倉儲輸送總線出庫的待檢互感器周轉(zhuǎn)箱由穿梭車拖至上料工位后擺渡至上料平臺；上料機(jī)械手/機(jī)器人從上料周轉(zhuǎn)箱中抓取互感器放置到工裝托盤傳輸機(jī)托盤上，生產(chǎn)周期初期上料后產(chǎn)生的臨時空箱被穿梭車移至下料過渡平臺，再由穿梭車拖送至倉儲輸送總線接口處，通過周轉(zhuǎn)箱傳輸機(jī)系統(tǒng)回庫緩存；在第一批互感器完成作業(yè)出線后，下料與上料達(dá)到平衡狀態(tài)，不再有多余空箱，上下料工位間通過穿梭車進(jìn)行一一對應(yīng)的空箱與滿箱（下料）互換；在生產(chǎn)周期末期，系統(tǒng)不再上料，上料傳送機(jī)傳送先期回庫的空箱，直接送至下料區(qū)，先前緩存空箱輸送完畢，即該批生產(chǎn)周期結(jié)束。

通過穿梭車取代固定的過渡用傳輸機(jī)，周轉(zhuǎn)箱的傳輸、調(diào)度更加靈活，2臺穿梭車可以同用也可單用，可靠性、靈活性大大提高。

3 系統(tǒng)節(jié)拍匹配與效率提升優(yōu)化設(shè)計

互感器試驗通常采用對互感器按一定數(shù)目分組進(jìn)行（一般為12個），其中預(yù)防性試驗中的匝間絕緣試驗同步做可大大縮短試驗時間。但匝間開路試驗有其特殊性，多只開路試驗激勵有可能是失效的，與實際狀況可能大為不同，只有逐一開路單只試驗才是符合實際狀況的試驗。但是，逐一開路單只試驗的試驗周期較長，基本時間為13 min左右。為兼顧試驗準(zhǔn)確性與試驗時間，需研究既能縮短試驗周期又能實現(xiàn)單只開路絕緣試驗方法。為此，提出將被測互感器分成2個小組同步進(jìn)行方法，每小組內(nèi)的被測互感器逐只串行異步試驗，組間同步并行試驗。

匝間試驗原理如圖5所示。匝間試驗與誤差試驗分置在2個工位，匝間試驗工位還承擔(dān)絕緣與耐壓測試試驗任務(wù)，其主要設(shè)備為1個共用調(diào)壓器及與之相連的2個升流器，并分別與Ⅰ組互感器、Ⅱ組互感器的穿心電流桿構(gòu)成2個電流回路；誤差試驗工位主要設(shè)備包含1個調(diào)壓器和與之連接的升流器，并與該工位中的被測互感器組的穿流桿構(gòu)成電流回路。

圖5 匝間試驗優(yōu)化示意Fig.5 Interturn test optimization schemati

通過優(yōu)化后，匝間試驗周期由13 min變?yōu)?.5 min。此外對絕緣電阻測定試驗，由異步串行試驗變?yōu)橥皆囼灒貌⒙?lián)阻抗閾值取代單個阻抗閾值，如此，則絕緣電阻測試時間由原來2 min降為（2/12）min左右。通過2項試驗的優(yōu)化后，整個預(yù)防性試驗周期由原來17 min（耐壓、絕緣各需2 min）變?yōu)? min左右；互感器誤差試驗周期仍為原來的8 min左右，因而互感器整個試驗節(jié)拍由原來17 min降為9 min左右，提高檢測效率近100%，解決了開路試驗失效的問題。

4 自動接線裝置優(yōu)化設(shè)計

互感器實現(xiàn)自動檢測的關(guān)鍵，首先要實現(xiàn)互感器一、二次回路與測量系統(tǒng)自動連接[3]。在互感器型式標(biāo)準(zhǔn)化完成后，電流互感器已全部實現(xiàn)穿心式，一次回路可通過導(dǎo)電桿穿心并通過互感器與之相對運(yùn)動，實現(xiàn)一回路自動接線；二次回路可通過標(biāo)準(zhǔn)化接線端子，通過上下移動電氣壓接機(jī)構(gòu)實現(xiàn)二次回路電連接。自動接線裝置理應(yīng)體現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計理念。目前，互感器檢測流水線多采用桿穿互感器方式，占地大、設(shè)備成本高[4-5]；二次壓接定位裝置工裝托盤一般為平板結(jié)構(gòu)，無法適應(yīng)不同型號互感器的傳輸，互感器在工裝托盤上隨著自動化檢定輸送線傳輸時易出現(xiàn)晃動或傾覆，影響互感器檢定效率，并且隨著互感器的晃動或傾覆易產(chǎn)生機(jī)械噪聲。

4.1 互感器一次接線機(jī)構(gòu)設(shè)計

一種基于互感器穿桿方案的自動穿桿機(jī)構(gòu)如圖6所示。該機(jī)構(gòu)通過夾持固定導(dǎo)電桿，而工裝托盤上的被試品互感器借助托盤傳輸機(jī)運(yùn)動，使互感器移動穿過固定的穿流桿。

圖6 一次壓接結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Primary terminals crimp structure schematic

穿桿機(jī)構(gòu)設(shè)置3組可夾持同一根升流桿的夾緊機(jī)構(gòu)，每組夾緊機(jī)構(gòu)均帶有1個驅(qū)動機(jī)構(gòu)和1個可啟閉夾持升流桿的夾爪；多組互感器沿升流桿依次移動，多組夾持升流桿的夾緊機(jī)構(gòu)配合切換動作，完成互感器整桿的移動定位。在夾爪的上、下夾片內(nèi)嵌入了質(zhì)地較軟的導(dǎo)電錫塊，以保證在壓力的作用下與電桿有更好的電接觸，減小接觸電阻，從而減少電流發(fā)熱效應(yīng)。夾爪的兩夾分別與相應(yīng)下壓氣缸和上壓氣缸連接，工作時通過相應(yīng)氣缸施壓實現(xiàn)其嚙合。每個夾爪采用獨(dú)立雙氣缸驅(qū)動壓接，且行程、壓力根據(jù)需求可自由調(diào)整。

互感器穿桿時，第2夾緊機(jī)構(gòu)和第3夾緊機(jī)構(gòu)夾持升流桿；第2夾緊機(jī)構(gòu)避讓，1組互感器依次穿過升流桿運(yùn)動到升流桿前半段；之后，第1夾緊機(jī)構(gòu)驅(qū)動到達(dá)升流桿位置，并夾持升流桿；第2夾緊機(jī)構(gòu)夾爪張開，縮回原位，前半段互感器依次移動到升流桿后半段；第2夾緊機(jī)構(gòu)再次前移夾住升流桿，第2組互感器重復(fù)第1組互感器穿桿過程，定位于升流桿前半段，第1夾緊機(jī)構(gòu)再次前移夾住升流桿。通過2次循環(huán)，完成2組共12只互感器穿桿定位。

4.2 二次接線機(jī)構(gòu)設(shè)計

4.2.1 二次壓接機(jī)構(gòu)

二次壓接機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)為2組6只氣爪橫擔(dān)式桁架，每6套氣爪壓接組件等間距依次安裝在橫擔(dān)上，通過氣缸控制系統(tǒng)控制其整體上下運(yùn)動。機(jī)構(gòu)內(nèi)設(shè)置有一組導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、定位結(jié)構(gòu)，以防壓接方向偏移，確保在每只互感器二次端受力均勻、壓力恒定、壓接可靠[6]。每只氣爪組件內(nèi)設(shè)置彈簧連接機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)電接觸的“柔性”連接，以避免互感器自身制造缺陷引起的定位偏差問題。二次壓接機(jī)構(gòu)如圖7所示，可確保自動接線壓接成功率為99.99%。

圖7 二次壓接機(jī)構(gòu)示意Fig.7 Second terminals crimp structure schematic

4.2.2 二次定位工裝

圖8為一種同步自復(fù)式夾緊定位托盤。它能夠自適應(yīng)各種類型互感器不同型號的互感器外形尺寸，定位精度高，并保證互感器在傳輸線上穩(wěn)定運(yùn)行，不會出現(xiàn)晃動或發(fā)出機(jī)械噪聲。

圖8 定位工裝結(jié)構(gòu)示意Fig.8 Schematic diagram of positioning tooling structure

定位工裝托盤包括工裝底座和自復(fù)式夾緊裝置。夾緊裝置嵌套在工裝底座中，由相互垂直的橫向?qū)蜉S和縱向?qū)蜉S與工裝底座相連；橫向?qū)蜉S上設(shè)置有一對可在其上異向滑動的活動連接塊，活動連接塊上連接凸出于工裝底座上表面用于夾持互感器的活動夾；縱向?qū)蜉S上設(shè)置有一對可在其上異向滑動的導(dǎo)向滑塊，且導(dǎo)向滑塊與同側(cè)的縱向?qū)蜉S端部之間由彈簧連接；每個導(dǎo)向滑塊上分別設(shè)置一與2個活動連接塊相連接的活動連接桿。多向移動機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)了互感器定位及自適應(yīng)功能需求。

5 自動檢測流水線整體設(shè)計

按所述方案設(shè)計的互感器流水線如圖9所示。其整體結(jié)構(gòu)由周轉(zhuǎn)箱物流配送單元與互感器工裝輸送單元、互感器自動檢測單元及各輔助工位設(shè)備組成。

圖9 互感器流水線設(shè)計與現(xiàn)場Fig.9 Transformer pipeline design and scene

新檢測流水線在外觀上，結(jié)構(gòu)規(guī)整緊湊、線路流暢、流轉(zhuǎn)清晰、視覺美觀；線支交叉、移載機(jī)構(gòu)少；巡檢無需搭建人字梯，維護(hù)便捷無障礙；各支線相互獨(dú)立，根據(jù)產(chǎn)能、被檢產(chǎn)品種類、可靠性分散系數(shù)等因素，靈活設(shè)置支線與單元數(shù)量；系統(tǒng)通用性強(qiáng)，適用于以周轉(zhuǎn)箱為載體的任何工件/產(chǎn)品流水線檢測，只要變換支線中的互感器檢測設(shè)備，就可生成另一種工件/產(chǎn)品檢測線。

新型互感器檢測流水線在節(jié)拍、設(shè)備、布局、等方面，實現(xiàn)了系統(tǒng)性優(yōu)化，性價比高，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。優(yōu)化后系統(tǒng)節(jié)拍為12 min（檢測效率提升1倍），線體長度減少近100 m，設(shè)備數(shù)量減少1/4，設(shè)備占地面積減少5%，降低設(shè)備成本約800萬元，系統(tǒng)可靠性指標(biāo)MTBF從8319 h提高到了8993 h。系統(tǒng)實現(xiàn)了互感器檢測流水線系統(tǒng)多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化，為同類產(chǎn)品檢測流水線設(shè)計提供了典范。

6 結(jié)語

互感器流水檢測線的綜合標(biāo)準(zhǔn)化與優(yōu)化設(shè)計，最大化地提升了相應(yīng)設(shè)備性能，發(fā)揮了流水線作業(yè)效率優(yōu)勢，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備投資，提高了系統(tǒng)可靠性，提高了檢測對象的適應(yīng)性，互感器檢測范圍覆蓋50～3000 A及各種型式互感器。新型互感器檢測流水線與互感器實驗室抽樣檢測綜合自動化裝置的配合[7]，可共同完成互感器抽樣檢測與批檢驗收。低壓互感器自動檢測流水線設(shè)計模式同時也為未來中壓互感器自動化檢測系統(tǒng)提供了借鑒[8]。互感器檢測流水線的優(yōu)化設(shè)計成果，為計量檢測機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)企業(yè)提供了一種程式化、標(biāo)準(zhǔn)化高性價比計量器具/產(chǎn)品自動化檢測裝備，不僅提高了檢測效率也提高了檢測結(jié)果的公正性、可靠性，也將助推企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高。隨著新技術(shù)不斷發(fā)展，機(jī)器視覺定位技術(shù)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)的應(yīng)用[9-10]，今后工業(yè)化檢測流水線將賦予更多智能化功能，提高系統(tǒng)的柔性，實現(xiàn)產(chǎn)品檢測流水線“中國智造”的跨越。

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