隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，用戶對電能的需求日益增長，這對電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求。作為電力系統(tǒng)的最后環(huán)節(jié)，配電網(wǎng)直接將電能輸送到各個(gè)用戶處，起著不可或缺的作用，其安全穩(wěn)定的運(yùn)行，對電力系統(tǒng)至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)檢修、作業(yè)都是由人工操作，其工作時(shí)間長、效率低，并且高壓線路產(chǎn)生的高強(qiáng)度磁場和電場會(huì)對作業(yè)人員的安全造成巨大的威脅。為提高帶電作業(yè)的效率和安全性，減少作業(yè)人員的潛在危險(xiǎn)，自20世紀(jì)80年代開始，許多國家對帶電作業(yè)機(jī)器人進(jìn)行研究，如美國、日本、加拿大等國家。

近年來，國內(nèi)也有許多學(xué)者對帶電作業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了研究。有學(xué)者對帶電作業(yè)更換防振錘進(jìn)行了分析，并針對人工更換線路防振錘工作效率低、強(qiáng)度大等缺點(diǎn)，研制了一種通用性較強(qiáng)的帶電更換防振錘機(jī)器人，且其具有雙作業(yè)末端、易于拓展。有學(xué)者設(shè)計(jì)了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的四臂移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人，可通過遠(yuǎn)程操作實(shí)現(xiàn)引流板螺栓緊固作業(yè)，其采用雙臂聯(lián)動(dòng)的控制算法，不僅在Matlab仿真軟件中對其機(jī)械手臂進(jìn)行了多方向的姿態(tài)跟蹤分析，而且在實(shí)際高壓線路中進(jìn)行了試驗(yàn)。有學(xué)者詳細(xì)介紹了一種全自主巡檢機(jī)器人的各項(xiàng)技術(shù)原理，研發(fā)了具有自主定位、越障、故障診斷和巡檢技術(shù)的高壓線路巡檢機(jī)器人，并進(jìn)行了高壓線路的實(shí)地試驗(yàn)，成功完成了500kV帶電運(yùn)行時(shí)的輸電線路巡檢。

本文主要從帶電作業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，介紹一種可快速更換作業(yè)末端的帶電作業(yè)機(jī)器人，并詳細(xì)分析其絕緣防護(hù)裝置。通過ATP-EMTP仿真軟件，搭建10kV配電網(wǎng)線路模型，仿真計(jì)算作業(yè)機(jī)械臂在帶電作業(yè)時(shí)的電壓和泄漏電流，并對其結(jié)果進(jìn)行分析。

1 帶電作業(yè)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

目前絕大多數(shù)的帶電作業(yè)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其整體包括升降絕緣臂、液壓機(jī)械臂、機(jī)器人操作平臺(tái)、絕緣斗和旋轉(zhuǎn)器等裝置，在機(jī)器人帶電作業(yè)的過程中，操作人員必須時(shí)刻掌控機(jī)器人的整體運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)。

機(jī)器人帶電作業(yè)時(shí)，應(yīng)有1～2名操作人員在絕緣斗內(nèi)，隨機(jī)器人一起升至線路作業(yè)處，操作人員以主手控制器對機(jī)器人進(jìn)行嚴(yán)控操作，保證人員與高壓電路具有一定的安全距離。在高空操作時(shí)，以絕緣斗和絕緣手套等裝置作為防護(hù)裝置，可實(shí)時(shí)近距離觀察機(jī)器人的作業(yè)情況，降低了作業(yè)人員的操作難度，提高了機(jī)器人帶電作業(yè)的效率。

圖1 帶電作業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)及配電網(wǎng)線路

機(jī)器人在帶電檢修時(shí)需要用到多種工具，如電動(dòng)剝皮器、J型線夾更換裝置等，傳統(tǒng)作業(yè)中都需要作業(yè)人員進(jìn)行手動(dòng)更換，效率較低，本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人可快速更換作業(yè)末端裝置，如圖2所示。

圖2 可快速更換作業(yè)末端裝置的機(jī)器人

進(jìn)行作業(yè)時(shí)，第一步，先將機(jī)械臂末端連接套安裝于絕緣操作桿末端，并將各作業(yè)末端分別安裝于對應(yīng)的作業(yè)末端連接套下；第二步，通過機(jī)械手操控機(jī)械臂末端連接套插入作業(yè)末端連接套內(nèi)；第三步，起動(dòng)動(dòng)力源，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞至開合元件，使開合元件轉(zhuǎn)動(dòng)，鎖緊機(jī)械臂末端連接套和作業(yè)末端連接套，形成作業(yè)裝配體，即可開展作業(yè)。

作業(yè)完成后，操控機(jī)械臂使作業(yè)裝配回位，再起動(dòng)動(dòng)力源，使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞至開合元件，從而使開合元件反向轉(zhuǎn)動(dòng)，將機(jī)械臂末端連接套和作業(yè)末端連接套分離，即可操控絕緣操作桿回位，準(zhǔn)備下一作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)絕緣操作桿與不同工器具之間快速更換，減少需要的時(shí)間，提高工作效率，且無需作業(yè)人員登高操作，便于實(shí)現(xiàn)遙控作業(yè)。

2 帶電作業(yè)機(jī)器人絕緣防護(hù)

根據(jù)帶電作業(yè)安全的規(guī)定，當(dāng)操作人員對線路進(jìn)行帶電作業(yè)時(shí)，流經(jīng)人體的電流不得超過1mA并且必須確保作業(yè)人員與帶電線路之間有一定的距離，以避免電力系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓時(shí)造成的閃絡(luò)放電危害作業(yè)人員安全。

2.1 絕緣斗

當(dāng)帶電作業(yè)機(jī)器人進(jìn)行高壓線路檢修時(shí)，首先需要通過絕緣斗將操作人員搭載至作業(yè)高空處，絕緣斗不僅起到承載作業(yè)人員的作用，而且能夠防止高壓線路中的大電流侵入機(jī)器人的內(nèi)部系統(tǒng)，因此絕緣斗必須具有很強(qiáng)的絕緣能力。通過對目前相關(guān)絕緣材料的研究與試驗(yàn)，大部分材料都能達(dá)到絕緣斗在絕緣方面的要求。其中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（fiber reinforced plastic, FRP）與聚乙烯絕緣材料具體參數(shù)見表1。

表1 絕緣斗材料參數(shù)

2.2 無線傳輸臺(tái)

在作業(yè)人員與機(jī)器人對高壓線路進(jìn)行帶電作業(yè)時(shí)，為全面確保作業(yè)人員的人身安全，會(huì)采用無線數(shù)據(jù)傳輸臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人作業(yè)過程中的動(dòng)態(tài)，防止高壓線路電流通過機(jī)器人控制回路對操作人員的安全造成危害。無線數(shù)據(jù)傳輸臺(tái)也必須具有較高的絕緣水平，其正常運(yùn)行時(shí)可收集各類信息，能夠保障整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及作業(yè)人員的安全。

2.3 機(jī)器人作業(yè)臂

在機(jī)器人進(jìn)行高壓電路帶電作業(yè)時(shí)，機(jī)器人作業(yè)末端會(huì)安裝夾具，對線路故障進(jìn)行處理，并固定好線纜，如圖3所示。

為防止線路電流通過機(jī)器人作業(yè)臂侵入整個(gè)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)夾具時(shí)通常會(huì)設(shè)置一段尼龍材料的絕緣段，以保證作業(yè)臂具有足夠的絕緣強(qiáng)度，如導(dǎo)線剝皮裝置，絕緣長度通常設(shè)置5cm左右，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。在實(shí)際的作業(yè)過程中，機(jī)器人通常會(huì)設(shè)置多個(gè)自由端的懸臂，可以完成多種情況下的帶電作業(yè)。每個(gè)懸臂上都會(huì)安裝相應(yīng)的夾具，為避免在帶電作業(yè)過程中不同懸臂間產(chǎn)生相電壓，在制造的過程中通常會(huì)在懸臂上涂絕緣涂料，以確保懸臂具有足夠的絕緣強(qiáng)度。

圖3 機(jī)器人作業(yè)臂運(yùn)行

圖4 導(dǎo)線剝皮裝置

?3 計(jì)算參數(shù)及模型

3.1 線路參數(shù)及桿塔模型

本文通過采用ATP-EMTP中的LCC架空線路模塊搭建10kV配電線路模型，并進(jìn)行計(jì)算。模型中選用型號(hào)為LGJ—120/25的輸電線路，其具體線路參數(shù)見表2。

表2 10kV配電網(wǎng)線路具體參數(shù)

桿塔模型主要有三種形式：多波阻抗模型、單一波阻抗模型及集中參數(shù)電感模型。對于超、特高壓線路桿塔，通常選擇多波阻抗模型。10kV配電網(wǎng)線路桿塔通常不會(huì)高于20m，且多數(shù)為無拉線鋼筋混凝土單桿，故在仿真計(jì)算時(shí)，應(yīng)選擇集中參數(shù)電感模型。

3.2 絕緣子模型

在搭建10kV配電網(wǎng)線路模型時(shí)，可使用ATP- EMTP軟件中的TACS壓控開關(guān)來替代絕緣子，通過調(diào)整開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間和電壓幅值來等效絕緣子的性能。

3.3 避雷器模型

目前，大多數(shù)配電網(wǎng)線路均采用氧化鋅避雷器。ZnO電阻閥片良好的非線性伏安特性使其具有較強(qiáng)的防雷能力。在ATP-EMTP中進(jìn)行配電網(wǎng)仿真計(jì)算時(shí)，通常采用型號(hào)為YH5WS—10/35的氧化鋅避雷器。

3.4 作業(yè)臂及模型搭建

表3 尼龍材料特性

圖5 配電網(wǎng)線路單基桿塔模型

?4 作業(yè)臂絕緣仿真計(jì)算

作業(yè)人員在進(jìn)行帶電作業(yè)時(shí)，可能會(huì)接觸到作業(yè)臂的首端，為確保作業(yè)臂的絕緣段長度能夠?qū)⑶秩氲男孤╇娏飨拗圃?mA以下以保證作業(yè)人員的安全，需要對其材料的絕緣性能進(jìn)行試驗(yàn)，通過仿真計(jì)算確保作業(yè)臂具有足夠的絕緣距離。模型中，三相交流電源電壓取14.14kV，頻率為50Hz。

4.1 交流耐壓計(jì)算

通過ATP-EMTP仿真軟件，計(jì)算無絕緣和添加絕緣材料時(shí)的作業(yè)臂電壓值。大量數(shù)據(jù)分析證明，人體的等效電阻值為2000Ω左右，在仿真計(jì)算中通常取1700Ω作為理論值。對于絕緣材料，本文選用電阻率為1012Ω·m、長為1cm、半徑為4cm的尼龍材料，計(jì)算出其阻值，用等效電阻替代。交流電壓值計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 交流電壓值計(jì)算結(jié)果

通過仿真計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)作業(yè)臂沒有添加絕緣段時(shí)，在對帶電運(yùn)行的配電網(wǎng)線路進(jìn)行作業(yè)時(shí)，會(huì)在人體等效電阻上產(chǎn)生453V左右的電壓，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人體的安全電壓限值36V，且其數(shù)值沒有明顯的變化，較為穩(wěn)定；當(dāng)在作業(yè)臂上添加阻值為1010^的絕緣段后，帶電作業(yè)時(shí)作業(yè)臂上的電壓僅為0.4μV左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人體安全電壓的限值，具有較強(qiáng)的保護(hù)作用。

從安全角度考慮，絕緣段的長度越長其絕緣能力越強(qiáng)，但從經(jīng)濟(jì)及工藝手段等方面綜合分析，絕緣段不宜過長，本文仿真的絕緣段為1cm尼龍材料的作業(yè)臂電壓值，已滿足電壓保護(hù)的要求。

4.2 泄漏電流試驗(yàn)

分別計(jì)算作業(yè)臂在對10kV配電網(wǎng)線路進(jìn)行帶電作業(yè)時(shí)，無絕緣段和添加絕緣段情況下的泄漏電流。為確保作業(yè)臂絕緣長度的可靠性，使作業(yè)人員接觸作業(yè)臂時(shí)，不會(huì)存在電流侵入的危險(xiǎn)，須對作業(yè)臂帶電作業(yè)時(shí)的泄漏電流進(jìn)行仿真計(jì)算。國網(wǎng)帶電作業(yè)規(guī)定，侵入人體的電流值必須小于0.1mA。泄漏電流計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 泄漏電流計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，若沒有添加絕緣段，在作業(yè)臂對10kV線路進(jìn)行帶電作業(yè)時(shí)，其泄漏電流值可達(dá)4.53A，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人體所能承受安全電流10mA；若添加阻值為1010^的尼龍材料作為絕緣段，可以將作業(yè)臂帶電作業(yè)時(shí)的泄漏電流限制在0.4μA左右，足以保證作業(yè)人員的安全。

?5 結(jié)論

為應(yīng)對10kV配電網(wǎng)帶電檢修的各種復(fù)雜狀況，本文介紹了一種可快速更換作業(yè)末端的帶電作業(yè)機(jī)器人，并詳細(xì)描述了其絕緣保護(hù)設(shè)備，以確保帶電作業(yè)時(shí)作業(yè)人員的安全。

利用ATP-EMTP建立10kV配電線路模型，通過仿真計(jì)算可知，該機(jī)器人在線路帶電運(yùn)行時(shí)，其作業(yè)臂無絕緣段時(shí)，會(huì)產(chǎn)生453V的電壓和4.53A的泄漏電流，嚴(yán)重威脅作業(yè)人員安全。當(dāng)在作業(yè)臂上添加長度為1cm的尼龍材料時(shí)，作業(yè)臂上的電壓值和泄漏電流值都遠(yuǎn)小于人體安全規(guī)定的限值。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人作業(yè)臂絕緣長度為5cm，可使作業(yè)臂的絕緣性能滿足帶電作業(yè)的安全規(guī)定。

本文編自2021年第10期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“10kV配電網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人及其作業(yè)臂絕緣分析”，作者為陳振宇、鄒德華 等。