10kV配电网带电作业机器人及其作业臂绝缘分析

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随着我国电力系统的不断发展，用户对于用电的要求越来越高，配电网作为电力系统末端，必须保证其稳定可靠的运行。为实现不停电检修10kV配电网线路，满足各种复杂情况下的带电作业需求，智能带电作业技术及装备（机器人）湖南省重点实验室（国网湖南省电力有限公司输电检修分公司）、带电巡检与智能作业技术国家电网公司实验室（国网湖南省电力有限公司输电检修分公司）的研究人员陈振宇、邹德华、彭沙沙、肖宏峰、蒋智鹏，在2021年第10期《电气技术》上撰文，设计了一种可快速更换作业臂的带电作业机器人。研究结果表明，在未添加绝缘段时，作业臂上的电压及泄漏电流会对作业人员安全造成威胁；添加1cm尼龙材料绝缘段后，作业臂上电压为0.4μV，泄漏电流为0.4μA，远小于带电作业的安全规定限值。

随着我国经济水平的不断提高，用户对电能的需求日益增长，这对电网的稳定运行提出了更高的要求。作为电力系统的最后环节，配电网直接将电能输送到各个用户处，起着不可或缺的作用，其安全稳定的运行，对电力系统至关重要。

传统的配电网检修、作业都是由人工操作，其工作时间长、效率低，并且高压线路产生的高强度磁场和电场会对作业人员的安全造成巨大的威胁。为提高带电作业的效率和安全性，减少作业人员的潜在危险，自20世纪80年代开始，许多国家对带电作业机器人进行研究，如美国、日本、加拿大等国家。

近年来，国内也有许多学者对带电作业机器人进行了研究。有学者对带电作业更换防振锤进行了分析，并针对人工更换线路防振锤工作效率低、强度大等缺点，研制了一种通用性较强的带电更换防振锤机器人，且其具有双作业末端、易于拓展。有学者设计了一种基于BP神经网络的四臂移动作业机器人，可通过远程操作实现引流板螺栓紧固作业，其采用双臂联动的控制算法，不仅在Matlab仿真软件中对其机械手臂进行了多方向的姿态跟踪分析，而且在实际高压线路中进行了试验。有学者详细介绍了一种全自主巡检机器人的各项技术原理，研发了具有自主定位、越障、故障诊断和巡检技术的高压线路巡检机器人，并进行了高压线路的实地试验，成功完成了500kV带电运行时的输电线路巡检。

本文主要从带电作业机器人结构进行分析，介绍一种可快速更换作业末端的带电作业机器人，并详细分析其绝缘防护装置。通过ATP-EMTP仿真软件，搭建10kV配电网线路模型，仿真计算作业机械臂在带电作业时的电压和泄漏电流，并对其结果进行分析。

1  带电作业机器人整体结构

目前绝大多数的带电作业机器人整体结构示意图如图1所示。其整体包括升降绝缘臂、液压机械臂、机器人操作平台、绝缘斗和旋转器等装置，在机器人带电作业的过程中，操作人员必须时刻掌控机器人的整体运行状态和运行参数。

机器人带电作业时，应有1～2名操作人员在绝缘斗内，随机器人一起升至线路作业处，操作人员以主手控制器对机器人进行严控操作，保证人员与高压电路具有一定的安全距离。在高空操作时，以绝缘斗和绝缘手套等装置作为防护装置，可实时近距离观察机器人的作业情况，降低了作业人员的操作难度，提高了机器人带电作业的效率。

图1  带电作业机器人结构及配电网线路

机器人在带电检修时需要用到多种工具，如电动剥皮器、J型线夹更换装置等，传统作业中都需要作业人员进行手动更换，效率较低，本文所设计的机器人可快速更换作业末端装置，如图2所示。

图2  可快速更换作业末端装置的机器人

进行作业时，第一步，先将机械臂末端连接套安装于绝缘操作杆末端，并将各作业末端分别安装于对应的作业末端连接套下；第二步，通过机械手操控机械臂末端连接套插入作业末端连接套内；第三步，起动动力源，通过传动机构将动力传递至开合元件，使开合元件转动，锁紧机械臂末端连接套和作业末端连接套，形成作业装配体，即可开展作业。

作业完成后，操控机械臂使作业装配回位，再起动动力源，使传动机构将动力传递至开合元件，从而使开合元件反向转动，将机械臂末端连接套和作业末端连接套分离，即可操控绝缘操作杆回位，准备下一作业，从而实现绝缘操作杆与不同工器具之间快速更换，减少需要的时间，提高工作效率，且无需作业人员登高操作，便于实现遥控作业。

2  带电作业机器人绝缘防护

根据带电作业安全的规定，当操作人员对线路进行带电作业时，流经人体的电流不得超过1mA并且必须确保作业人员与带电线路之间有一定的距离，以避免电力系统产生过电压时造成的闪络放电危害作业人员安全。

2.1  绝缘斗

当带电作业机器人进行高压线路检修时，首先需要通过绝缘斗将操作人员搭载至作业高空处，绝缘斗不仅起到承载作业人员的作用，而且能够防止高压线路中的大电流侵入机器人的内部系统，因此绝缘斗必须具有很强的绝缘能力。通过对目前相关绝缘材料的研究与试验，大部分材料都能达到绝缘斗在绝缘方面的要求。其中，纤维增强复合材料（fiber reinforced plastic, FRP）与聚乙烯绝缘材料具体参数见表1。

表1  绝缘斗材料参数

2.2  无线传输台

在作业人员与机器人对高压线路进行带电作业时，为全面确保作业人员的人身安全，会采用无线数据传输台实时监测机器人作业过程中的动态，防止高压线路电流通过机器人控制回路对操作人员的安全造成危害。无线数据传输台也必须具有较高的绝缘水平，其正常运行时可收集各类信息，能够保障整个系统的稳定运行及作业人员的安全。

2.3  机器人作业臂

在机器人进行高压电路带电作业时，机器人作业末端会安装夹具，对线路故障进行处理，并固定好线缆，如图3所示。

为防止线路电流通过机器人作业臂侵入整个系统，在设计夹具时通常会设置一段尼龙材料的绝缘段，以保证作业臂具有足够的绝缘强度，如导线剥皮装置，绝缘长度通常设置5cm左右，其结构如图4所示。在实际的作业过程中，机器人通常会设置多个自由端的悬臂，可以完成多种情况下的带电作业。每个悬臂上都会安装相应的夹具，为避免在带电作业过程中不同悬臂间产生相电压，在制造的过程中通常会在悬臂上涂绝缘涂料，以确保悬臂具有足够的绝缘强度。

图3  机器人作业臂运行

图4  导线剥皮装置

3  计算参数及模型

3.1  线路参数及杆塔模型

本文通过采用ATP-EMTP中的LCC架空线路模块搭建10kV配电线路模型，并进行计算。模型中选用型号为LGJ—120/25的输电线路，其具体线路参数见表2。

表2  10kV配电网线路具体参数

杆塔模型主要有三种形式：多波阻抗模型、单一波阻抗模型及集中参数电感模型。对于超、特高压线路杆塔，通常选择多波阻抗模型。10kV配电网线路杆塔通常不会高于20m，且多数为无拉线钢筋混凝土单杆，故在仿真计算时，应选择集中参数电感模型。

3.2  绝缘子模型

在搭建10kV配电网线路模型时，可使用ATP- EMTP软件中的TACS压控开关来替代绝缘子，通过调整开关的关断时间和电压幅值来等效绝缘子的性能。

3.3  避雷器模型

目前，大多数配电网线路均采用氧化锌避雷器。ZnO电阻阀片良好的非线性伏安特性使其具有较强的防雷能力。在ATP-EMTP中进行配电网仿真计算时，通常采用型号为YH5WS—10/35的氧化锌避雷器。

3.4  作业臂及模型搭建

表3  尼龙材料特性

图5  配电网线路单基杆塔模型

4  作业臂绝缘仿真计算

作业人员在进行带电作业时，可能会接触到作业臂的首端，为确保作业臂的绝缘段长度能够将侵入的泄漏电流限制在1mA以下以保证作业人员的安全，需要对其材料的绝缘性能进行试验，通过仿真计算确保作业臂具有足够的绝缘距离。模型中，三相交流电源电压取14.14kV，频率为50Hz。

4.1  交流耐压计算

通过ATP-EMTP仿真软件，计算无绝缘和添加绝缘材料时的作业臂电压值。大量数据分析证明，人体的等效电阻值为2000Ω左右，在仿真计算中通常取1700Ω作为理论值。对于绝缘材料，本文选用电阻率为1012Ω•m、长为1cm、半径为4cm的尼龙材料，计算出其阻值，用等效电阻替代。交流电压值计算结果如图6所示。

图6  交流电压值计算结果

通过仿真计算可以发现，当作业臂没有添加绝缘段时，在对带电运行的配电网线路进行作业时，会在人体等效电阻上产生453V左右的电压，远远高于人体的安全电压限值36V，且其数值没有明显的变化，较为稳定；当在作业臂上添加阻值为1010^的绝缘段后，带电作业时作业臂上的电压仅为0.4μV左右，远远低于人体安全电压的限值，具有较强的保护作用。

从安全角度考虑，绝缘段的长度越长其绝缘能力越强，但从经济及工艺手段等方面综合分析，绝缘段不宜过长，本文仿真的绝缘段为1cm尼龙材料的作业臂电压值，已满足电压保护的要求。

4.2  泄漏电流试验

分别计算作业臂在对10kV配电网线路进行带电作业时，无绝缘段和添加绝缘段情况下的泄漏电流。为确保作业臂绝缘长度的可靠性，使作业人员接触作业臂时，不会存在电流侵入的危险，须对作业臂带电作业时的泄漏电流进行仿真计算。国网带电作业规定，侵入人体的电流值必须小于0.1mA。泄漏电流计算结果如图7所示。

图7  泄漏电流计算结果

通过计算结果可以发现，若没有添加绝缘段，在作业臂对10kV线路进行带电作业时，其泄漏电流值可达4.53A，已远远大于人体所能承受安全电流10mA；若添加阻值为1010^的尼龙材料作为绝缘段，可以将作业臂带电作业时的泄漏电流限制在0.4μA左右，足以保证作业人员的安全。

5  结论

为应对10kV配电网带电检修的各种复杂状况，本文介绍了一种可快速更换作业末端的带电作业机器人，并详细描述了其绝缘保护设备，以确保带电作业时作业人员的安全。

利用ATP-EMTP建立10kV配电线路模型，通过仿真计算可知，该机器人在线路带电运行时，其作业臂无绝缘段时，会产生453V的电压和4.53A的泄漏电流，严重威胁作业人员安全。当在作业臂上添加长度为1cm的尼龙材料时，作业臂上的电压值和泄漏电流值都远小于人体安全规定的限值。本文所设计的机器人作业臂绝缘长度为5cm，可使作业臂的绝缘性能满足带电作业的安全规定。

本文编自2021年第10期《电气技术》，论文标题为“10kV配电网带电作业机器人及其作业臂绝缘分析”，作者为陈振宇、邹德华 等。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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