隨著我國經(jīng)濟水平的不斷提高，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用戶處，起著不可或缺的作用，其安全穩(wěn)定的運行，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，其工作時間長、效率低，并且高壓線路產(chǎn)生的高強度磁場和電場會對作業(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，自20世紀80年代開始，許多國家對帶電作業(yè)機器人進行研究，如美國、日本、加拿大等國家。

近年來，國內(nèi)也有許多學者對帶電作業(yè)機器人進行了研究。有學者對帶電作業(yè)更換防振錘進行了分析，并針對人工更換線路防振錘工作效率低、強度大等缺點，研制了一種通用性較強的帶電更換防振錘機器人，且其具有雙作業(yè)末端、易于拓展。有學者設計了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的四臂移動作業(yè)機器人，可通過遠程操作實現(xiàn)引流板螺栓緊固作業(yè)，其采用雙臂聯(lián)動的控制算法，不僅在Matlab仿真軟件中對其機械手臂進行了多方向的姿態(tài)跟蹤分析，而且在實際高壓線路中進行了試驗。有學者詳細介紹了一種全自主巡檢機器人的各項技術(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)的高壓線路巡檢機器人，并進行了高壓線路的實地試驗，成功完成了500kV帶電運行時的輸電線路巡檢。

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

1 帶電作業(yè)機器人整體結(jié)構(gòu)

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

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

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

機器人在帶電檢修時需要用到多種工具，如電動剝皮器、J型線夾更換裝置等，傳統(tǒng)作業(yè)中都需要作業(yè)人員進行手動更換，效率較低，本文所設計的機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)末端裝置的機器人

進行作業(yè)時，第一步，先將機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的作業(yè)末端連接套下；第二步，通過機械手操控機械臂末端連接套插入作業(yè)末端連接套內(nèi)；第三步，起動動力源，通過傳動機構(gòu)將動力傳遞至開合元件，使開合元件轉(zhuǎn)動，鎖緊機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，操控機械臂使作業(yè)裝配回位，再起動動力源，使傳動機構(gòu)將動力傳遞至開合元件，從而使開合元件反向轉(zhuǎn)動，將機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，準備下一作業(yè)，從而實現(xiàn)絕緣操作桿與不同工器具之間快速更換，減少需要的時間，提高工作效率，且無需作業(yè)人員登高操作，便于實現(xiàn)遙控作業(yè)。

2 帶電作業(yè)機器人絕緣防護

根據(jù)帶電作業(yè)安全的規(guī)定，當操作人員對線路進行帶電作業(yè)時，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)生過電壓時造成的閃絡放電危害作業(yè)人員安全。

2.1 絕緣斗

當帶電作業(yè)機器人進行高壓線路檢修時，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器人的內(nèi)部系統(tǒng)，因此絕緣斗必須具有很強的絕緣能力。通過對目前相關(guān)絕緣材料的研究與試驗，大部分材料都能達到絕緣斗在絕緣方面的要求。其中，纖維增強復合材料（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

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

2.3 機器人作業(yè)臂

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

為防止線路電流通過機器人作業(yè)臂侵入整個系統(tǒng)，在設計夾具時通常會設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度，如導線剝皮裝置，絕緣長度通常設置5cm左右，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。在實際的作業(yè)過程中，機器人通常會設置多個自由端的懸臂，可以完成多種情況下的帶電作業(yè)。每個懸臂上都會安裝相應的夾具，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在懸臂上涂絕緣涂料，以確保懸臂具有足夠的絕緣強度。

圖3 機器人作業(yè)臂運行

圖4 導線剝皮裝置

?3 計算參數(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，并進行計算。模型中選用型號為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)線路桿塔通常不會高于20m，且多數(shù)為無拉線鋼筋混凝土單桿，故在仿真計算時，應選擇集中參數(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，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的防雷能力。在ATP-EMTP中進行配電網(wǎng)仿真計算時，通常采用型號為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)臂絕緣仿真計算

作業(yè)人員在進行帶電作業(yè)時，可能會接觸到作業(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行試驗，通過仿真計算確保作業(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 交流耐壓計算

通過ATP-EMTP仿真軟件，計算無絕緣和添加絕緣材料時的作業(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，計算出其阻值，用等效電阻替代。交流電壓值計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 交流電壓值計算結(jié)果

通過仿真計算可以發(fā)現(xiàn)，當作業(yè)臂沒有添加絕緣段時，在對帶電運行的配電網(wǎng)線路進行作業(yè)時，會在人體等效電阻上產(chǎn)生453V左右的電壓，遠遠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；當在作業(yè)臂上添加阻值為1010^的絕緣段后，帶電作業(yè)時作業(yè)臂上的電壓僅為0.4μV左右，遠遠低于人體安全電壓的限值，具有較強的保護作用。

從安全角度考慮，絕緣段的長度越長其絕緣能力越強，但從經(jīng)濟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，已滿足電壓保護的要求。

4.2 泄漏電流試驗

分別計算作業(yè)臂在對10kV配電網(wǎng)線路進行帶電作業(yè)時，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，不會存在電流侵入的危險，須對作業(yè)臂帶電作業(yè)時的泄漏電流進行仿真計算。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。泄漏電流計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 泄漏電流計算結(jié)果

通過計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，若沒有添加絕緣段，在作業(yè)臂對10kV線路進行帶電作業(yè)時，其泄漏電流值可達4.53A，已遠遠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

為應對10kV配電網(wǎng)帶電檢修的各種復雜狀況，本文介紹了一種可快速更換作業(yè)末端的帶電作業(yè)機器人，并詳細描述了其絕緣保護設備，以確保帶電作業(yè)時作業(yè)人員的安全。

利用ATP-EMTP建立10kV配電線路模型，通過仿真計算可知，該機器人在線路帶電運行時，其作業(yè)臂無絕緣段時，會產(chǎn)生453V的電壓和4.53A的泄漏電流，嚴重威脅作業(yè)人員安全。當在作業(yè)臂上添加長度為1cm的尼龍材料時，作業(yè)臂上的電壓值和泄漏電流值都遠小于人體安全規(guī)定的限值。本文所設計的機器人作業(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)》，論文標題為“10kV配電網(wǎng)帶電作業(yè)機器人及其作業(yè)臂絕緣分析”，作者為陳振宇、鄒德華 等。