高壓帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)研制

徐善軍 夏益青 杜婧 楊冰 湯瀟

摘? 要：為滿足國內(nèi)10kV配網(wǎng)帶電線路帶電作業(yè)的要求，研制了高壓帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，包括機(jī)器人子系統(tǒng)和作業(yè)人員平臺子系統(tǒng)等兩大部分組成，可最大限度滿足帶電作業(yè)要求。該機(jī)器人系統(tǒng)已在實(shí)際帶電線路上完成帶電接火作業(yè)，極大地降低了作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度和保障了作業(yè)人員的安全，滿足了現(xiàn)階段帶電作業(yè)的要求。

關(guān)鍵詞：帶電作業(yè)機(jī)器人;人機(jī)協(xié)同;絕緣防護(hù)

中圖分類號：TM84? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）04-0031-03

Abstract： In order to satisfy the requirement of live line operation in domestic 10kV distribution network， a high voltage live line operation robot system is developed， which consists of two parts： the robot subsystem and the operator platform subsystem. It can meet the live line operation requirement to the greatest extent. The robot system has completed live firing operation on actual live line， which greatly reduces the worker's labor intensity and guarantees the safety of the worker， and meets the requirements of live operation at the present stage.

Keywords： live working robot; man-machine cooperation; insulation protection

引言

配網(wǎng)處于電力系統(tǒng)末端，是保證電力持續(xù)供給的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其可靠性在整個供電系統(tǒng)中占有非常重要的位置。為減少配網(wǎng)停電時間、提升供電可靠性和服務(wù)水平，配網(wǎng)帶電作業(yè)已成最直接、最有效的重要手段。目前，主要由人通過絕緣手套法或者絕緣操作桿法實(shí)施帶電作業(yè)[1]，作業(yè)人員都是通過高壓作業(yè)工具與電氣設(shè)備接觸，并且?guī)щ姍z修作業(yè)勞動量大，危險系數(shù)高，工作條件惡劣，人身傷亡事故時有發(fā)生，作業(yè)效率低下[2]。為提高配電可靠性和帶電作業(yè)效率，保證帶電作業(yè)人員人身安全，減低作業(yè)勞動強(qiáng)度，針對我國配電線路特點(diǎn)以及帶電作業(yè)工藝要求，研制了人機(jī)協(xié)同的帶電作業(yè)機(jī)器人，消除帶電作業(yè)人員由于相間距離緊湊嚴(yán)重威脅人身安全的隱患，可最大限度減輕作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度和確保帶電作業(yè)的安全性。

1 機(jī)器人系統(tǒng)組成

本機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)合了作業(yè)人員和機(jī)器人各自優(yōu)勢，以最大限度滿足作業(yè)環(huán)境要求并順利完成帶電作業(yè)，主要由作業(yè)人員平臺子系統(tǒng)和機(jī)器人子系統(tǒng)兩大部分組成，分別在兩個絕緣斗內(nèi)。如圖1所示作業(yè)人員平臺子系統(tǒng)由作業(yè)人員、人機(jī)交互接口、絕緣防護(hù)系統(tǒng)、絕緣加持工具等組成;機(jī)器人子系統(tǒng)包括差分導(dǎo)引模塊、視覺及激光定位系統(tǒng)、夾緊機(jī)構(gòu)、工具快換裝置、末端作業(yè)工具、絕緣防護(hù)系統(tǒng)和作業(yè)機(jī)械臂等組成。

作業(yè)人員與機(jī)器人分別在兩個絕緣斗內(nèi)，完全實(shí)現(xiàn)絕緣隔離，最大限度提高作業(yè)人員的安全。充分利用絕緣斗的拓?fù)淇臻g，使機(jī)器人在絕緣斗范圍內(nèi)占用最小的作業(yè)空間，最大限度提高在相間狹小作業(yè)空間的活動裕度，同時，機(jī)器人系統(tǒng)所在的絕緣斗可實(shí)現(xiàn)上下升降，并相對于作業(yè)人員絕緣斗實(shí)現(xiàn)水平方向上的旋轉(zhuǎn)，可滿足各線型的作業(yè)需求。

人機(jī)交互接口與機(jī)器人子系統(tǒng)均通過夾緊機(jī)構(gòu)，在不破壞絕緣斗前提下實(shí)現(xiàn)與絕緣斗壁沿的夾緊連接，方便拆裝，便于維護(hù)，同時利用絕緣斗為機(jī)器人提供絕緣防護(hù)。

作業(yè)機(jī)械臂可通過工具快換裝置實(shí)現(xiàn)不同作業(yè)工具間的快速準(zhǔn)確更換，在一次上線作業(yè)情況下滿足不同作業(yè)類型依次作業(yè)或一種作業(yè)需不同作業(yè)工具實(shí)現(xiàn)依次作業(yè)的要求，最大限度提高作業(yè)效率。

2 斗臂車設(shè)計(jì)

絕緣斗臂車是機(jī)器人系統(tǒng)的承載體，實(shí)現(xiàn)將機(jī)器人系統(tǒng)輸送到作業(yè)線路附近，并提供整體的絕緣防護(hù)，其性能直接影響到帶電作業(yè)的安全性和作業(yè)效率。結(jié)合國內(nèi)各線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并分析帶電作業(yè)工藝流程，選用標(biāo)準(zhǔn)的10kV帶電作業(yè)用雙斗絕緣斗臂車進(jìn)行相應(yīng)的改造，實(shí)現(xiàn)雙斗同時旋轉(zhuǎn)180°、雙斗間水平分開及閉合、機(jī)器人所在斗上下升降等功能。該絕緣斗臂車每個斗的額定載重為135kg以上，完全滿足機(jī)器人系統(tǒng)對載重的要求。

3 定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人定位系統(tǒng)包括接觸式差分定位模塊和激光定位模塊兩部分，其中，接觸式差分定位模塊采用差分GPS定位系統(tǒng)來確定待作業(yè)位置的在機(jī)械臂坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，激光定位模塊利用該坐標(biāo)值對作業(yè)位置進(jìn)行精確定位。

4 絕緣防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代電力線路環(huán)境復(fù)雜，部分電力線路與設(shè)備之間產(chǎn)生的危險電壓十分強(qiáng)大?；谌藱C(jī)協(xié)同作業(yè)要求，為確保帶電作業(yè)過程的安全性及可靠性，帶電作業(yè)機(jī)器人的絕緣性能必須達(dá)到一個更高的水平。如何合理地確定機(jī)器人必要的絕緣水平是本課題的關(guān)鍵技術(shù)之一。為保證帶電作業(yè)機(jī)器人必備的絕緣性能，本文采用多級絕緣防護(hù)設(shè)計(jì)，主要包括以下幾個方面。

（1）通過在工具外表面涂覆絕緣漆來實(shí)現(xiàn)作業(yè)工具的絕緣防護(hù)。

（2）作業(yè)工具與機(jī)械臂之間通過絕緣構(gòu)件連接，實(shí)現(xiàn)作業(yè)工具與機(jī)械臂間的絕緣，增加系統(tǒng)爬電距離;該絕緣構(gòu)件按耐壓42kV電壓等級設(shè)計(jì)。

（3）在機(jī)械臂外部包裹絕緣衣，避免作業(yè)出現(xiàn)意外情況造成機(jī)械臂觸碰非作業(yè)相或非帶電物體時造成相間短路或?qū)Φ囟搪?該絕緣衣按耐壓20kV電壓等級設(shè)計(jì)。

（4）機(jī)器人系統(tǒng)與作業(yè)人員系統(tǒng)之間采用無線通訊方式，避免因通訊原因破壞兩系統(tǒng)間的絕緣，進(jìn)一步保障作業(yè)人員和整個系統(tǒng)的安全性。

（5）絕緣斗的絕緣防護(hù)。如圖2所示，本機(jī)器人系統(tǒng)充分利用斗臂車的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系和絕緣斗自身的絕緣性能，通過夾緊機(jī)構(gòu)與絕緣斗直接連接，避免對絕緣斗的破壞，從而保持了其結(jié)構(gòu)和絕緣性能的完整性;機(jī)器人上裝結(jié)構(gòu)通過絕緣護(hù)殼進(jìn)行全面防護(hù)，無金屬件裸露，進(jìn)一步保障了機(jī)器人系統(tǒng)的安全性。上裝結(jié)構(gòu)絕緣護(hù)殼按耐壓20kV電壓等級設(shè)計(jì)。

（6）平臺系統(tǒng)與斗臂車之間通過絕緣構(gòu)件進(jìn)一步增加與大地之間的絕緣。該部分的絕緣主要通過由絕緣斗臂車自身絕緣臂來實(shí)現(xiàn)。

5 人機(jī)交互接口設(shè)計(jì)

人機(jī)交互接口作為人與機(jī)器人的僅有的交互接口，對操作人員完成作業(yè)任務(wù)起著關(guān)鍵作用[3，4]。本文所研制的機(jī)器人依據(jù)作業(yè)內(nèi)容的難度、風(fēng)險性和智能水平將人機(jī)交互的控制模型系統(tǒng)分為監(jiān)督層、規(guī)劃層和反應(yīng)層（如圖3所示）。人機(jī)交互系統(tǒng)分為作業(yè)人員人機(jī)協(xié)同作業(yè)操作系統(tǒng)和手持終端交互系統(tǒng)，主要通過語音播報(bào)系統(tǒng)、警示燈和機(jī)器人控制系統(tǒng)操控界面來實(shí)現(xiàn)工作人員與機(jī)器人之間的語音、視頻、文字等方面的交互。人機(jī)協(xié)作框架下，作業(yè)人員可以強(qiáng)行介入機(jī)器人任務(wù)執(zhí)行過程，根據(jù)人機(jī)智能分配作業(yè)任務(wù)。

通過人機(jī)交互接口，作業(yè)人員可實(shí)時獲取機(jī)器人的作業(yè)步驟及關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和所獲取的信息決定機(jī)器人的下步工作。

6 試驗(yàn)

6.1 工具組絕緣構(gòu)件試驗(yàn)

帶電作業(yè)工具組通過絕緣構(gòu)件與機(jī)械臂進(jìn)行連接，該絕緣構(gòu)件的絕緣性能直接影響到機(jī)器人作業(yè)的安全性，需進(jìn)行絕緣耐壓試驗(yàn)。

工頻交流耐壓試驗(yàn)方法是：將工具組與絕緣構(gòu)件連接后作為一個整體，在工具組與導(dǎo)線接觸部分施加工頻交流電壓42kV一分鐘，絕緣構(gòu)件一端接地，如圖4所示，絕緣構(gòu)件未出現(xiàn)閃落、擊穿和發(fā)熱現(xiàn)象。

泄漏電流試驗(yàn)方法是：將工具組與絕緣構(gòu)件連接后作為一個整體，在工具組與導(dǎo)線接觸部分施加工頻交流電壓20kV，絕緣構(gòu)件一端接地，測量其泄漏電流小于100μA。

6.2 機(jī)械臂絕緣衣耐壓試驗(yàn)

機(jī)械臂絕緣衣的試驗(yàn)方法是：將機(jī)械臂絕緣衣用軟質(zhì)繩吊在空中，在其外表面施加工頻交流電壓20kV，內(nèi)壁接地，測量其泄漏電流小于100μA。

6.3 機(jī)器人防護(hù)外殼耐壓試驗(yàn)

機(jī)器人防護(hù)外殼的試驗(yàn)方法是：將機(jī)器人的防護(hù)外殼用軟質(zhì)繩吊在空中，在其外表面施加工頻交流電壓20kV，內(nèi)表面接地，測量其泄漏電流小于100μA。

6.4 機(jī)器人本體電磁兼容試驗(yàn)

該機(jī)器人本體電磁兼容試驗(yàn)包括：靜電放電抗擾度試驗(yàn)（接觸放電4級 空氣放電4級）、射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)（試驗(yàn)等級2級）、工頻磁場抗擾度試驗(yàn)（穩(wěn)試等4級 短試等級4級），如圖5所示。

6.5 機(jī)器人帶電線路作業(yè)試驗(yàn)

該機(jī)器人系統(tǒng)在天津津南區(qū)重慶街5102010號桿完成實(shí)際帶電線路的接火作業(yè)，如圖6所示。

7 結(jié)束語

為滿足10kV配網(wǎng)線路帶電作業(yè)的現(xiàn)實(shí)需求，結(jié)合現(xiàn)有斗臂車的載重要求，研制了能夠最大限度適應(yīng)現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境的人機(jī)協(xié)同帶電作業(yè)機(jī)器人，進(jìn)行了絕緣防護(hù)構(gòu)件的耐壓試驗(yàn)和機(jī)器人本體的電磁兼容試驗(yàn)，并在實(shí)際線路上成功進(jìn)行了帶電接火試驗(yàn)，驗(yàn)證了機(jī)器人絕緣防護(hù)的安全性和整體的性能。該機(jī)器人系統(tǒng)可代替人工完成帶電斷接引工作，極大降低了作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，最大限度保證了作業(yè)人員的安全，滿足了現(xiàn)階段帶電作業(yè)要求，具有巨大的實(shí)用價值。

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