高压带电作业机器人系统研制

徐善军 夏益青 杜婧 杨冰 汤潇

摘  要：為满足国内10kV配网带电线路带电作业的要求，研制了高压带电作业机器人系统，包括机器人子系统和作业人员平台子系统等两大部分组成，可最大限度满足带电作业要求。该机器人系统已在实际带电线路上完成带电接火作业，极大地降低了作业人员的劳动强度和保障了作业人员的安全，满足了现阶段带电作业的要求。

关键词：带电作业机器人;人机协同;绝缘防护

中图分类号：TM84         文献标志码：A         文章编号：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

配网处于电力系统末端，是保证电力持续供给的关键环节，其可靠性在整个供电系统中占有非常重要的位置。为减少配网停电时间、提升供电可靠性和服务水平，配网带电作业已成最直接、最有效的重要手段。目前，主要由人通过绝缘手套法或者绝缘操作杆法实施带电作业[1]，作业人员都是通过高压作业工具与电气设备接触，并且带电检修作业劳动量大，危险系数高，工作条件恶劣，人身伤亡事故时有发生，作业效率低下[2]。为提高配电可靠性和带电作业效率，保证带电作业人员人身安全，减低作业劳动强度，针对我国配电线路特点以及带电作业工艺要求，研制了人机协同的带电作业机器人，消除带电作业人员由于相间距离紧凑严重威胁人身安全的隐患，可最大限度减轻作业人员的劳动强度和确保带电作业的安全性。

1 机器人系统组成

本机器人系统结合了作业人员和机器人各自优势，以最大限度满足作业环境要求并顺利完成带电作业，主要由作业人员平台子系统和机器人子系统两大部分组成，分别在两个绝缘斗内。如图1所示作业人员平台子系统由作业人员、人机交互接口、绝缘防护系统、绝缘加持工具等组成;机器人子系统包括差分导引模块、视觉及激光定位系统、夹紧机构、工具快换装置、末端作业工具、绝缘防护系统和作业机械臂等组成。

作业人员与机器人分别在两个绝缘斗内，完全实现绝缘隔离，最大限度提高作业人员的安全。充分利用绝缘斗的拓扑空间，使机器人在绝缘斗范围内占用最小的作业空间，最大限度提高在相间狭小作业空间的活动裕度，同时，机器人系统所在的绝缘斗可实现上下升降，并相对于作业人员绝缘斗实现水平方向上的旋转，可满足各线型的作业需求。

人机交互接口与机器人子系统均通过夹紧机构，在不破坏绝缘斗前提下实现与绝缘斗壁沿的夹紧连接，方便拆装，便于维护，同时利用绝缘斗为机器人提供绝缘防护。

作业机械臂可通过工具快换装置实现不同作业工具间的快速准确更换，在一次上线作业情况下满足不同作业类型依次作业或一种作业需不同作业工具实现依次作业的要求，最大限度提高作业效率。

2 斗臂车设计

绝缘斗臂车是机器人系统的承载体，实现将机器人系统输送到作业线路附近，并提供整体的绝缘防护，其性能直接影响到带电作业的安全性和作业效率。结合国内各线路的拓扑结构并分析带电作业工艺流程，选用标准的10kV带电作业用双斗绝缘斗臂车进行相应的改造，实现双斗同时旋转180°、双斗间水平分开及闭合、机器人所在斗上下升降等功能。该绝缘斗臂车每个斗的额定载重为135kg以上，完全满足机器人系统对载重的要求。

3 定位系统设计

机器人定位系统包括接触式差分定位模块和激光定位模块两部分，其中，接触式差分定位模块采用差分GPS定位系统来确定待作业位置的在机械臂坐标系中的坐标值，激光定位模块利用该坐标值对作业位置进行精确定位。

4 绝缘防护系统设计

现代电力线路环境复杂，部分电力线路与设备之间产生的危险电压十分强大。基于人机协同作业要求，为确保带电作业过程的安全性及可靠性，带电作业机器人的绝缘性能必须达到一个更高的水平。如何合理地确定机器人必要的绝缘水平是本课题的关键技术之一。为保证带电作业机器人必备的绝缘性能，本文采用多级绝缘防护设计，主要包括以下几个方面。

（1）通过在工具外表面涂覆绝缘漆来实现作业工具的绝缘防护。

（2）作业工具与机械臂之间通过绝缘构件连接，实现作业工具与机械臂间的绝缘，增加系统爬电距离;该绝缘构件按耐压42kV电压等级设计。

（3）在機械臂外部包裹绝缘衣，避免作业出现意外情况造成机械臂触碰非作业相或非带电物体时造成相间短路或对地短路;该绝缘衣按耐压20kV电压等级设计。

（4）机器人系统与作业人员系统之间采用无线通讯方式，避免因通讯原因破坏两系统间的绝缘，进一步保障作业人员和整个系统的安全性。

（5）绝缘斗的绝缘防护。如图2所示，本机器人系统充分利用斗臂车的拓扑结构关系和绝缘斗自身的绝缘性能，通过夹紧机构与绝缘斗直接连接，避免对绝缘斗的破坏，从而保持了其结构和绝缘性能的完整性;机器人上装结构通过绝缘护壳进行全面防护，无金属件裸露，进一步保障了机器人系统的安全性。上装结构绝缘护壳按耐压20kV电压等级设计。

（6）平台系统与斗臂车之间通过绝缘构件进一步增加与大地之间的绝缘。该部分的绝缘主要通过由绝缘斗臂车自身绝缘臂来实现。

5 人机交互接口设计

人机交互接口作为人与机器人的仅有的交互接口，对操作人员完成作业任务起着关键作用[3，4]。本文所研制的机器人依据作业内容的难度、风险性和智能水平将人机交互的控制模型系统分为监督层、规划层和反应层（如图3所示）。人机交互系统分为作业人员人机协同作业操作系统和手持终端交互系统，主要通过语音播报系统、警示灯和机器人控制系统操控界面来实现工作人员与机器人之间的语音、视频、文字等方面的交互。人机协作框架下，作业人员可以强行介入机器人任务执行过程，根据人机智能分配作业任务。

通过人机交互接口，作业人员可实时获取机器人的作业步骤及关键数据，并根据现场环境和所获取的信息决定机器人的下步工作。

6 试验

6.1 工具组绝缘构件试验

带电作业工具组通过绝缘构件与机械臂进行连接，该绝缘构件的绝缘性能直接影响到机器人作业的安全性，需进行绝缘耐压试验。

工频交流耐压试验方法是：将工具组与绝缘构件连接后作为一个整体，在工具组与导线接触部分施加工频交流电压42kV一分钟，绝缘构件一端接地，如图4所示，绝缘构件未出现闪落、击穿和发热现象。

泄漏电流试验方法是：将工具组与绝缘构件连接后作为一个整体，在工具组与导线接触部分施加工频交流电压20kV，绝缘构件一端接地，测量其泄漏电流小于100μA。

6.2 机械臂绝缘衣耐压试验

机械臂绝缘衣的试验方法是：将机械臂绝缘衣用软质绳吊在空中，在其外表面施加工频交流电压20kV，内壁接地，测量其泄漏电流小于100μA。

6.3 机器人防护外壳耐压试验

机器人防护外壳的试验方法是：将机器人的防护外壳用软质绳吊在空中，在其外表面施加工频交流电压20kV，内表面接地，测量其泄漏电流小于100μA。

6.4 机器人本体电磁兼容试验

该机器人本体电磁兼容试验包括：静电放电抗扰度试验（接触放电4级 空气放电4级）、射频电磁场辐射抗扰度试验（试验等级2级）、工频磁场抗扰度试验（稳试等4级 短试等级4级），如图5所示。

6.5 机器人带电线路作业试验

该机器人系统在天津津南区重庆街5102010号杆完成实际带电线路的接火作业，如图6所示。

7 结束语

为满足10kV配网线路带电作业的现实需求，结合现有斗臂车的载重要求，研制了能够最大限度适应现场作业环境的人机协同带电作业机器人，进行了绝缘防护构件的耐压试验和机器人本体的电磁兼容试验，并在实际线路上成功进行了带电接火试验，验证了机器人绝缘防护的安全性和整体的性能。该机器人系统可代替人工完成带电断接引工作，极大降低了作业人员的劳动强度，最大限度保证了作业人员的安全，满足了现阶段带电作业要求，具有巨大的实用价值。

参考文献：

[1]童翔威.多机械手的配网带电作业机器人的研究与设计[J].通信电源技术，2018，35（12）：62-64.

[2]鲁守银，马培荪，戚晖，等.高压带电作业机器人的研制[J].电力系统自动化，2003，27（17）：56-58.

[3]何景鹏.基于LinuxCNC的工业机器人人机交互系统研究与实现[D].广州：华南理工大学，2017.

[4]王田苗，陶永.我国工业机器人技术现状与产业化发展战略[J].机械工程学报，2014，50（9）：1-13.