变电站巡检机器人无线充电研究综述

秦佳鸣 金继开

国网上海超高压公司 上海 200063

引言

变电站是输电和配电的集结点，对电网的安全和经济运行起着不可或缺的重要作用。随着社会用电需求越来越大，变电站安全稳定运行的压力也随之加大。变电设备故障导致的事故在变电站总事故中占有极大比例。只有及时发现变电设备的缺陷并迅速排除相应故障才能保证变电站的安全稳定运行，目前，变电站主要由运维人员巡检，为了提高变电站巡检工作效率，变电站自动巡检机器人部分替代人工巡检已经成为一种趋势。变电站自动巡检机器人控制运行方式灵活、巡检信息记录及时准确、不受天气环境因素影响，无主观情绪，逐渐被应用到变电站对变电设备进行巡检工作，辅助运维人员能及时排除故障，防止事故发生[1]。

现有的移动机器人自动充电技术大多是采用接触式充电方式，通过调整机器人位置或控制充电臂的位置实现机器人的充电插头与充电座的对接与断开[2]，保证插座插拔的精准增加了设计难度。此外，频繁插拔也容易对系统的可靠性带来影响，如引起机械磨损，导致接触松动，不能有效传输电能;若在潮湿或存在导电介质的环境中，也极容易引起电路短路。可见，要使机器人同时满足高导航精度、高速定位、高可靠性对接的充电要求是十分困难的。因此，需要提出一种通过非接触方式就能够对移动机器人进行无线充电的方法[3]。

1 无线充电技术

1.1 无线充电技术概述

无线充电技术主要运用感应传输系统，一种能使电能无接触传输的技术。它的操作原理类似于通过多级互感线圈在发射线圈和接收线圈内传输电能的互感器。如图1所示，高频电源为发射线圈供电，创建一个交流电磁场，而安装在机器人底部的接收线圈从建立的磁场中获取能量，并将其转换成电流来给电池充电。

图1 运维巡检机器人无线充电示意图

1.2 巡检机器人无线充电的问题

然而，目前巡检机器人无线充电的应用还有些技术问题待处理。例如，由于发射线圈安装在地面，接收线圈安装在机器人底座，两者之间存在气隙，因此会损失不少能量，造成传输效率低。另一方面，若要进一步推进无线巡检机器人的发展应用，对其充电时电磁安全性研究十分关键。根据ICNIRP2010，对于3kHz到10MHz的电磁波，在一般公共场所中，其磁场不应超过27.3μT，因此，对于无线充电技术来说，要解决的主要问题是如何在提高传输效率的同时，对系统磁场进行屏蔽，保证电磁安全。

2 研究模型

本文研究模型将在一次和二次侧各使用一整块铁氧体板作为磁芯，其相对磁导率为2000。铁氧体广泛用于无线充电设计中，使整个系统的重量和耦合系数能到达一个平衡，同时使得发射线圈产生的磁场的磁力线主要集中在磁屏蔽的磁路通过，改变了线圈耦合机构间传能区内的空间磁场分布，使磁场强度增强，导致传输线圈的自感和互感增大，以此提高系统内部的传输效率。同时，本文无线传输系统将采用doubleD模型，即双线圈进行研究，在其他数据参数相同的情况下，doubleD模型比单极线圈模型的传输效率高。

2.1 等效电路模型

搭建3.3kW的机器人无线充电装置来对传输、屏蔽效果进行研究。系统根据美国汽车工程师学会最新的标准SAE-J2954，系统的工作频率选为85kHz。为了比较不同屏蔽板参数的屏蔽效果，这里假设输出的电压和电流是恒定的。

考虑两个线圈之间的电磁耦合关系，本文搭建等效模型如图2所示。其中电源电压为、电源内阻为、发射端、接收端的谐振电容分别为，发射线圈的电感量为，电阻为，接收线圈的电感量为，电阻为，负载阻抗为，两线圈间互感为。

图2 等效电路图

2.2 传输效率P与耦合系数K的关系论述

3 屏蔽效能分析方法

本文的仿真模型如图3所示，橘色部分为doubleD型铜制线圈，发射侧尺寸为300×450×4mm3，接收侧尺寸为200×300×4mm3。蓝色部分为铁氧体板，一次侧铁氧体尺寸为640×496×8mm3，二次侧铁氧体尺寸为480×352×8mm3。

图3 基于Maxwell仿真模型

在屏蔽板材料的选择上，为了让磁通不要在原边闭合，而经过气隙产生耦合磁通。磁通选择闭合路径的原因为，从磁阻最低的那条磁路闭合。因此为增大磁路上的磁阻，以减小经由原边磁芯背部直接闭合的磁通，首先要保证原边不能有高磁导率的介质加入导致原边出现低磁阻磁路，故屏蔽层不能采用铁磁类屏蔽材料，对此，可以添加磁导率低的材料，进行电磁屏蔽[4]。电磁场的屏蔽材料选择产量较足的铝金属，且在众多常用导电金属中，铝的密度为（2.7g·cm-3）最轻，因此本文采用铝板，加在铁氧体外。

接下来的实验方向是研究：①屏蔽气隙对屏蔽效能的影响。②屏蔽厚度对屏蔽效能的影响。

屏蔽气隙即铁氧体与铝板之间的距离，保持发射侧和接收侧的线圈及铁氧体的位置不变，改变铝板的垂直位置。研究仅初级带屏蔽气隙，仅次级带屏蔽气隙和两侧均带屏蔽气隙对屏蔽效能的影响。

确认好最优的屏蔽板安装方式及间距后，研究铝板厚度对系统屏蔽效果的影响。维持最优气隙距离，改变铝板厚度，研究厚度对屏蔽系统的影响。首先看厚度的整体趋势，观察厚度变化对系统耦合系数的影响。

找出最优的铝板气隙和铝板厚度有助于降低铝板损耗，提高系统效率，同时能提高系统的屏蔽效能，提高使用安全。

4 结束语

本文从结构原理、传输结构及系统建模三个方面，阐述了变电站巡检机器人无线充电技术当下成果和未来研究方向。关于变电站巡检机器人无线充电技术，目前仍有很多关键技术有待解决，这些问题将成为未来巡检机器人无线充电技术研究的主要热点。