一种配电网高低压开关操作机器人的研制及应用

牛景光 李国成 冯忠奎 颜炳辉 郭杰婷

（国网山东省电力公司淄博供电公司，山东淄博255000）

0 引言

分合断路器或负荷开关是配网停电检修工作中最危险的环节，根据当前状态检修和供电可靠性要求，停电检修时间被压缩，运行人员难以掌握开关的健康状况。但是，配网中不带远方遥控功能的设备仍占绝大多数，分合此类设备时只能依靠就地操作方式。配网设备停电检修、新设备投运时，无论是使用电动操作按钮，还是手动操作把手，就地操作配电设备的断路器（配电室高压断路器、配电变压器低压总断路器、环网柜断路器）、负荷开关（环网柜、电缆分支箱）、隔离开关、接地刀闸时，容易引起开关爆炸，电弧伤人的事故时有发生[1-2]。

目前，运行人员在操作开关前尚不能准确判断柜内开关的健康状况，一旦发生开关爆炸事故，只能依赖柜门保护人员的人身安全，但是瞬间爆轰的电弧往往会引燃运行人员，造成人身伤亡事故。另外，开关设备母线或者进线电缆头带电，一旦操作过程中发生了接地故障，工作人员距离设备仅1 m左右，小于《国家电网公司电力安全工作规程（配电部分）》规定的距离，易引发人员触电事故。目前遥控机器人在输变电领域已有应用[3]，国内外对配电网高低压开关操作机器人也进行了部分研究，但是它属于专用设备，仅针对某一类型开关柜，适用范围小[4-6]。因此，研制一种具有普适性的辅助操作工具，代替工作人员执行分合开关操作，保护运行人员的人身安全十分必要。

本文研制了一种配电网高低压开关操作机器人，针对目前配网检修中的分合开关过程，可以代替运行人员执行柜前操作，保证人身安全，实现断路器（负荷开关）、隔离开关、接地刀闸的分合操作（旋转一定的角度）和摇入、摇出小车开关的操作，能够匹配多种类型的操作把手操作多类型设备，通过现场试验验证了机器人的可靠性和安全性。

1 高低压开关操作机器人结构与原理

1.1 机器人结构

该机器人集就地电动操作和就地手动操作功能于一体，具备过流保护功能，由遥控模块、电源模块、电动操作模块、手动操作模块四部分组成，总体结构如图1所示。

图1 机器人结构

该机器人操作采用无线遥控方式，使用遥控器控制电源模块的通断。电源模块由24 V直流电源、无线接收元件、双限流元件串联组成，其中限流元件采用自恢复式熔断器。电动操作模块由开关、电磁铁基座、万向臂和电动按钮组成。电动按钮与电源模块连接，在电路连通时动作，用以按压配电设备的电动操作按钮；万向臂两端各自连接电动按钮和电磁铁基座，可以360°旋转；开关控制电磁铁基座的磁性。机器人各模块的实体图如图2所示。

图2 机器人各模块实体图

1.2 就地电动操作原理

电动操作原理即遥控机器人电动按钮完成按压动作，代替工作人员按压设备的分合闸按钮；使用电动模块开关控制电磁铁基座磁性，使之可以稳定吸附在柜体表面；将万向臂调整至合适位置，使得电动按钮正对分合闸按钮，使用遥控器开关控制电源通断，从而控制电动按钮完成操作过程。

1.3 就地手动操作原理

就地操作原理即遥控机器人转动部分带动设备操作把手旋转，代替工作人员完成开关分合操作。三足支架提供支撑，并能够调节高度适应不同位置的开关；直流步进电机提供旋转动力，通过减速器输出，转动旋转杆，每次连通电路时自动旋转180°；旋转杆可以匹配多种操作把手，以完成不同类型开关的操作；同时附有限位器，固定限位器至合适角度，当旋转杆旋转角度超过180°自动断开电源。

2 机器人操作方法

高低压开关操作机器人的现场应用，可以根据现场设备情况选择相对应的电动操作方式或手动操作方式。连通机器人电路，设备接地之后，两者操作步骤如下：

电动操作：（1）打开电动操作模块开关；（2）将基座吸附在需要操作的分合闸按钮附近；（3）调整万向臂使得电动按钮正对分合闸按钮，拧紧万向臂螺栓；（4）保持安全距离，按下遥控开关。

手动操作：（1）安装设备操作把手至旋转臂；（2）调整支架至合适高度；（3）根据旋转角度安装限位器；（4）保持安全距离，按下遥控开关。

3 高低压开关操作机器人试验验证

3.1 可靠性验证

本文选取4种类型环网柜，2种类型开关柜进行有效性验证，现场测试如图3所示。

图3 机器人现场测试图

就地电动操作，每种设备测试50次，试验数据如表1所示。

表1 就地电动操作试验结果

根据试验结果可知，电动操作50次全部成功，成功率达100%。

选取不同地点的高压断路器、低压断路器、负荷开关、隔离开关、接地刀闸进行就地手动操作试验，每类开关设备测试50次，试验数据如表2所示。

就地手动操作试验成功次数在48～50次，成功率均在96%以上。两轮试验表明机器人能可靠完成就地操作。

3.2 安全性验证

本文从3个方面验证操作机器人的安全性，包括机器人自我保护、人身安全。

表2 就地手动操作试验结果

3.2.1 机器人自我保护

该机器人电源模块外壳为液态硅橡胶，具有高耐磨性和绝缘性，可以有效保护电源器件。电路设有10 A和25 A双限流元件，可在机器出现故障或其他造成电流迅速增大的情况时断开电路，有效保护机器人组件。本文使用直流电源发生器测试安全性，设置电压为24 V，设置直流电流10～30 A，分别测试50次，记录电路断开结果如表3所示。

表3 电路断开结果

由表3测试结果可知，电流12.5 A以上时，元件可以100%断开电路，电流10 A时成功率为90%，分析认为是因电源稳定性和环境温度引起的差异。设备短路或者旋转机构卡涩时电流均迅速升高，不会稳定保持在10 A，认为电源可以在过流时自动断开，保证机器人电路安全。

如果机器人电机失控一直旋转，不仅损伤机器人本体，也威胁开关设备。因此，设计加入限位器，可以在旋转臂旋转超过180°时自动断开电路，保护机器人和设备安全。

3.2.2 人身安全

机器人操作过程中的人身安全威胁主要来自两方面：设备爆炸和接地故障。

本文经过对多起事故视频和案例进行总结分析可知，设备爆炸主要针对柜门方向并且冲击和火焰衰减明显，对4 m以外或者侧面的人员威胁很小。

根据《国家电网公司电力安全工作规程（配电部分）》规定，室内、室外10 kV设备接地时人员须远离接地点4 m、8 m以上，可以认为配电设备发生接地时室内和室外人员的安全距离为4 m和8 m以外。机器人遥控模块采用红外发射和接收方式，理论最远遥控距离为15 m。固定电源模块，设置5～20 m不同的遥控距离测试机器人动作成功率，结果如图4所示。

图4 不同遥控距离测试的机器人动作成功率

由图4测试结果可知，12 m内机器人遥控成功率达100%，在室外安全距离以外，可以认为机器人操作能保证工作人员的人身安全。

4 结语

本文创新性研究了一种适用范围广的配电网高低压开关操作机器人，具有以下创新点：（1）可以遥控分合配电网高低压开关电动操作按钮；（2）可以遥控操作手动操作把手分合配电网高低压断路器、负荷开关、隔离开关、接地刀闸；（3）可以遥控摇出或摇入高压开关、低压总开关。此外，本文试验验证了该机器人的安全性和有效性，具备良好的应用前景和推广价值。