低壓電流互感器自動化檢測系統優化設計與實現

穆小星，歐陽曾愷，陳 剛，徐敏銳，祝宇楠

（江蘇省電力公司電力科學研究院 國家電網公司電能計量重點實驗室，南京 210019）

互感器屬于國家強制性檢定計量器具，因此無論是在生產階段還是在驗收階段，都必須進行檢測。低壓電流互感器依據相應檢測規程開展檢驗。其例行檢驗內容主要是預防性安全試驗、計量誤差試驗。傳統檢驗方式作業復雜、檢測效率低、易出錯、安全風險大，測試數據受人員、檢測條件影響大且無法遠程傳輸，無法實現檢測信息化、檢測智能化。近年來，電網企業實現了集約化管理，互感器實施集中采購、集中檢驗、統一配送模式，規模化人工檢測幾乎難以勝任。此外，互感器相關企業越來越重視產品質量、生產效率、勞動成本，都在積極采用互感器自動化檢測手段。

目前，許多電力檢測機構或企業都陸續建立了互感器批量自動檢測系統，但在系統優化、檢測效率、檢測規范性、適用性、產品性價比等方面尚存在不足[1-2]。為此，開展互感器檢測流水線的優化與規范化設計研究，提出一種優化的、標準化的、實用性強、計量檢測可靠性高、綜合成本低的互感器流水線設計方案非常有意義。

針對目前問題，從標準化互感器及優化流水線（輸送線）結構、自動接線機構、互感器檢測工序及節拍等方面開展研究，提升檢測流水線效率、簡化系統結構，降低設備成本，提高檢測可靠性及設備通用性。

1 流水線檢測設備標準化設計

1.1 低壓電流互感器標準化設計

檢測對象標準化是實現流水作業的基本條件。低壓電流互感器型式，按安裝方式可分為兩大類，戶內安裝式互感器和戶外安裝式互感器；按一次接線方式，分為穿心式、羊角（端子）式。為降低設備復雜度和互感器品種，對羊角式互感器采用工藝革新及合理參數配置，統一為穿心式結構；對小變比互感器孔徑實施優化，盡量增大孔徑，確保穿桿成功率。而對大口徑、大尺寸戶外式互感器，通過技術創新、工藝改進，在穿孔直徑最大化及限高約束條件下，重新設計、研制新型戶外用互感器，與戶內互感器尺寸形成統一。

圖1為一種0.2S級新型大口徑穿心式低壓電流互感器。它采用特殊工藝處理橢圓形鐵芯，在橢圓形扁頭（即長軸）兩側繞制線圈，橢圓中間部分（即短軸兩側）不再繞制線圈，最終形成一個圓形穿心孔，最大化地減小了互感器高度尺寸及體積。75～3000 A系列規格互感器孔徑分別可達 40、60、80 mm，可滿足目前相應規格穿心式互感器最大電纜穿越需求，較好地滿足了自動化檢測線物流、檢測設備、周轉箱等對被測互感器自適應要求，解決了低壓電流互感器與自動化系統兼容問題，從而提高了自動化系統對象的適用性，實現了低壓電流互感器自動檢測全覆蓋。

圖1 新型大口徑互感器Fig.1 New large hole transformer

1.2 互感器物流周轉箱標準化設計

目前，在用電流互感器周轉箱為3×4矩陣排列，只能適應戶內1500 A以下互感器放置，而大變比、戶外式等擴展型號互感器由于箱內空間自由度極小而難以放置。此外，周轉箱高度不合理，與電能表周轉箱（疊放）高度不匹配，在倉儲、流水線各環節帶來管理不便、工序瓶頸等問題。

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為實現周轉箱全型號的互感器兼容及標準化管理和自動化系統工件裝載流轉需求，在不改變原周轉箱外廓尺寸的情況下，對目前互感器周轉箱進行結構優化，如圖2所示。互感器擺放由3×4排列改為2×6排列，可使互感器長度空間自由度大大提高，較好地解決了非常規互感器的放置。

圖2 新型互感器周轉箱方案Fig.2 New transformer turnover box scheme

新型周轉箱完全滿足各種類型互感器放置與定位需求，實現穿心式互感器全系列、全型式覆蓋。此外，結構型式的變革，也使得互感器擺放更符合自動化系統機械手操作與工裝托盤定位需求，減少了機械手相應旋轉環節，提高了上下料安全性、可靠性、互感器抓取效率。

2 檢測流水線優化設計

為降低系統成本與場地面積，對周轉箱輸送系統采用穿梭車與輥筒傳輸機組合方式及空周轉箱回庫緩存的設計方案，以減少輸送機長度、設備數量；對被測對象及工裝設備、作業方案，進行標準化、優化、提高設備集成度；對工裝托盤流水線進行獨立支線模塊化、標準化設計，以增強系統運行靈活性、可使用性、可維護性、裝備通用性。

2.1 周轉箱輸送線與工裝托盤輸送線優化設計

目前，無論是已建互感器檢測線還是同類其他產品生產/檢測流水線，形式多樣，缺乏統一標準。同類型產品流水線沒有一個優化的、標準化模式，重復設計，無形中產生了社會資源極大的浪費。借助優化模型，通過互感器檢測線優化、標準化設計，為工業產品類檢測流水線提供相應典范。由2單元8支線組成的流水線的典型結構如圖3所示。

圖3 流水線組成及物流示意Fig.3 Assembly line composition and logistics schematic

由圖可見，周轉箱物流輸送系統，沿X軸依次為接駁輸送線、穿梭車軌道，線上設置有碼垛機、拆垛機、周轉箱初檢裝置等周轉箱操作處理設備；設備在空間上立體交叉分布，充分利用高度空間及設備與流水線關系，優化布局，使設備占地面積最小化。

工裝托盤輸送流水線，由2組“日”字形總線及到各工位設備的8組U形支線組成。支線間沿總線方向（Y軸）離散布局，支線間留足巡檢維護通道；托盤支線、單元數量采用偶數配置，結構采用對稱分布，以便根據產能靈活變換系統結構、方便設計。支線采用單排U形排布，可以避免支線形成大圍圈而造成設備巡檢、維護的不便和共用設備、總線長度（3倍）的增加，減少設備占地面積，提高場地利用率、節約重型設備投資。沿托盤輸送總線設置有相關條碼掃描、貼標等檢測共用設備；沿工裝托盤分支小線設置各功能檢測設備。

圖3中，實線表示進線流，虛線表示出線流，兩者組合后沿順時針或逆時針方向形成一個閉環流水線路徑，形成工件上料到下料的完整檢測流程。

2.2 周轉箱與工裝托盤輸送線接駁優化設計

周轉箱與工裝托盤輸送線間物流最為頻繁。高效流暢的接駁系統，可以有效地消除瓶頸，提高相應功能的可靠性。滿足上述性能的周轉箱接駁系統結構如圖4所示。

圖4 穿梭車接駁原理Fig.4 Shuttle car connection principle

該系統由周轉箱接駁線（大線）、工裝托盤傳輸線（小線）及兩者間接駁穿梭車、上下料“碼頭”組成。

通過穿梭車接實現周轉箱在2個線體間的擺渡，并借用倉儲系統實現空周轉箱緩存，大大節約流水線傳輸機的長度、占地面積，節省了相應堆垛、拆垛設備，使系統結構簡單，總成本降低。

穿梭車采用一軌雙工位穿梭車，可滿足周轉箱傳輸機與工裝傳輸機間各種形式擺渡需求。在上料工位處送入待檢實箱，取走上料后的空箱；在下料工位處輸送空箱，取走下料后的實箱。整個接駁系統協調、靈活、流暢。從倉儲輸送總線出庫的待檢互感器周轉箱由穿梭車拖至上料工位后擺渡至上料平臺；上料機械手/機器人從上料周轉箱中抓取互感器放置到工裝托盤傳輸機托盤上，生產周期初期上料后產生的臨時空箱被穿梭車移至下料過渡平臺，再由穿梭車拖送至倉儲輸送總線接口處，通過周轉箱傳輸機系統回庫緩存；在第一批互感器完成作業出線后，下料與上料達到平衡狀態，不再有多余空箱，上下料工位間通過穿梭車進行一一對應的空箱與滿箱（下料）互換；在生產周期末期，系統不再上料，上料傳送機傳送先期回庫的空箱，直接送至下料區，先前緩存空箱輸送完畢，即該批生產周期結束。

通過穿梭車取代固定的過渡用傳輸機，周轉箱的傳輸、調度更加靈活，2臺穿梭車可以同用也可單用，可靠性、靈活性大大提高。

3 系統節拍匹配與效率提升優化設計

互感器試驗通常采用對互感器按一定數目分組進行（一般為12個），其中預防性試驗中的匝間絕緣試驗同步做可大大縮短試驗時間。但匝間開路試驗有其特殊性，多只開路試驗激勵有可能是失效的，與實際狀況可能大為不同，只有逐一開路單只試驗才是符合實際狀況的試驗。但是，逐一開路單只試驗的試驗周期較長，基本時間為13 min左右。為兼顧試驗準確性與試驗時間，需研究既能縮短試驗周期又能實現單只開路絕緣試驗方法。為此，提出將被測互感器分成2個小組同步進行方法，每小組內的被測互感器逐只串行異步試驗，組間同步并行試驗。

匝間試驗原理如圖5所示。匝間試驗與誤差試驗分置在2個工位，匝間試驗工位還承擔絕緣與耐壓測試試驗任務，其主要設備為1個共用調壓器及與之相連的2個升流器，并分別與Ⅰ組互感器、Ⅱ組互感器的穿心電流桿構成2個電流回路；誤差試驗工位主要設備包含1個調壓器和與之連接的升流器，并與該工位中的被測互感器組的穿流桿構成電流回路。

圖5 匝間試驗優化示意Fig.5 Interturn test optimization schemati

通過優化后，匝間試驗周期由13 min變為6.5 min。此外對絕緣電阻測定試驗，由異步串行試驗變為同步試驗，用并聯阻抗閾值取代單個阻抗閾值，如此，則絕緣電阻測試時間由原來2 min降為（2/12）min左右。通過2項試驗的優化后，整個預防性試驗周期由原來17 min（耐壓、絕緣各需2 min）變為9 min左右；互感器誤差試驗周期仍為原來的8 min左右，因而互感器整個試驗節拍由原來17 min降為9 min左右，提高檢測效率近100%，解決了開路試驗失效的問題。

4 自動接線裝置優化設計

互感器實現自動檢測的關鍵，首先要實現互感器一、二次回路與測量系統自動連接[3]。在互感器型式標準化完成后，電流互感器已全部實現穿心式，一次回路可通過導電桿穿心并通過互感器與之相對運動，實現一回路自動接線；二次回路可通過標準化接線端子，通過上下移動電氣壓接機構實現二次回路電連接。自動接線裝置理應體現優化設計理念。目前，互感器檢測流水線多采用桿穿互感器方式，占地大、設備成本高[4-5]；二次壓接定位裝置工裝托盤一般為平板結構，無法適應不同型號互感器的傳輸，互感器在工裝托盤上隨著自動化檢定輸送線傳輸時易出現晃動或傾覆，影響互感器檢定效率，并且隨著互感器的晃動或傾覆易產生機械噪聲。

4.1 互感器一次接線機構設計

一種基于互感器穿桿方案的自動穿桿機構如圖6所示。該機構通過夾持固定導電桿，而工裝托盤上的被試品互感器借助托盤傳輸機運動，使互感器移動穿過固定的穿流桿。

圖6 一次壓接結構示意Fig.6 Primary terminals crimp structure schematic

穿桿機構設置3組可夾持同一根升流桿的夾緊機構，每組夾緊機構均帶有1個驅動機構和1個可啟閉夾持升流桿的夾爪；多組互感器沿升流桿依次移動，多組夾持升流桿的夾緊機構配合切換動作，完成互感器整桿的移動定位。在夾爪的上、下夾片內嵌入了質地較軟的導電錫塊，以保證在壓力的作用下與電桿有更好的電接觸，減小接觸電阻，從而減少電流發熱效應。夾爪的兩夾分別與相應下壓氣缸和上壓氣缸連接，工作時通過相應氣缸施壓實現其嚙合。每個夾爪采用獨立雙氣缸驅動壓接，且行程、壓力根據需求可自由調整。

互感器穿桿時，第2夾緊機構和第3夾緊機構夾持升流桿；第2夾緊機構避讓，1組互感器依次穿過升流桿運動到升流桿前半段；之后，第1夾緊機構驅動到達升流桿位置，并夾持升流桿；第2夾緊機構夾爪張開，縮回原位，前半段互感器依次移動到升流桿后半段；第2夾緊機構再次前移夾住升流桿，第2組互感器重復第1組互感器穿桿過程，定位于升流桿前半段，第1夾緊機構再次前移夾住升流桿。通過2次循環，完成2組共12只互感器穿桿定位。

4.2 二次接線機構設計

4.2.1 二次壓接機構

二次壓接機構的結構為2組6只氣爪橫擔式桁架，每6套氣爪壓接組件等間距依次安裝在橫擔上，通過氣缸控制系統控制其整體上下運動。機構內設置有一組導向機構、定位結構，以防壓接方向偏移，確保在每只互感器二次端受力均勻、壓力恒定、壓接可靠[6]。每只氣爪組件內設置彈簧連接機構，實現電接觸的“柔性”連接，以避免互感器自身制造缺陷引起的定位偏差問題。二次壓接機構如圖7所示，可確保自動接線壓接成功率為99.99%。

圖7 二次壓接機構示意Fig.7 Second terminals crimp structure schematic

4.2.2 二次定位工裝

圖8為一種同步自復式夾緊定位托盤。它能夠自適應各種類型互感器不同型號的互感器外形尺寸，定位精度高，并保證互感器在傳輸線上穩定運行，不會出現晃動或發出機械噪聲。

圖8 定位工裝結構示意Fig.8 Schematic diagram of positioning tooling structure

定位工裝托盤包括工裝底座和自復式夾緊裝置。夾緊裝置嵌套在工裝底座中，由相互垂直的橫向導向軸和縱向導向軸與工裝底座相連；橫向導向軸上設置有一對可在其上異向滑動的活動連接塊，活動連接塊上連接凸出于工裝底座上表面用于夾持互感器的活動夾；縱向導向軸上設置有一對可在其上異向滑動的導向滑塊，且導向滑塊與同側的縱向導向軸端部之間由彈簧連接；每個導向滑塊上分別設置一與2個活動連接塊相連接的活動連接桿。多向移動機構，實現了互感器定位及自適應功能需求。

5 自動檢測流水線整體設計

按所述方案設計的互感器流水線如圖9所示。其整體結構由周轉箱物流配送單元與互感器工裝輸送單元、互感器自動檢測單元及各輔助工位設備組成。

圖9 互感器流水線設計與現場Fig.9 Transformer pipeline design and scene

新檢測流水線在外觀上，結構規整緊湊、線路流暢、流轉清晰、視覺美觀；線支交叉、移載機構少；巡檢無需搭建人字梯，維護便捷無障礙；各支線相互獨立，根據產能、被檢產品種類、可靠性分散系數等因素，靈活設置支線與單元數量；系統通用性強，適用于以周轉箱為載體的任何工件/產品流水線檢測，只要變換支線中的互感器檢測設備，就可生成另一種工件/產品檢測線。

新型互感器檢測流水線在節拍、設備、布局、等方面，實現了系統性優化，性價比高，達到了預期目標。優化后系統節拍為12 min（檢測效率提升1倍），線體長度減少近100 m，設備數量減少1/4，設備占地面積減少5%，降低設備成本約800萬元，系統可靠性指標MTBF從8319 h提高到了8993 h。系統實現了互感器檢測流水線系統多目標協同優化，為同類產品檢測流水線設計提供了典范。

6 結語

互感器流水檢測線的綜合標準化與優化設計，最大化地提升了相應設備性能，發揮了流水線作業效率優勢，簡化了系統結構，降低了設備投資，提高了系統可靠性，提高了檢測對象的適應性，互感器檢測范圍覆蓋50～3000 A及各種型式互感器。新型互感器檢測流水線與互感器實驗室抽樣檢測綜合自動化裝置的配合[7]，可共同完成互感器抽樣檢測與批檢驗收。低壓互感器自動檢測流水線設計模式同時也為未來中壓互感器自動化檢測系統提供了借鑒[8]。互感器檢測流水線的優化設計成果，為計量檢測機構、生產企業提供了一種程式化、標準化高性價比計量器具/產品自動化檢測裝備，不僅提高了檢測效率也提高了檢測結果的公正性、可靠性，也將助推企業經濟效益的提高。隨著新技術不斷發展，機器視覺定位技術、大數據應用技術的應用[9-10]，今后工業化檢測流水線將賦予更多智能化功能，提高系統的柔性，實現產品檢測流水線“中國智造”的跨越。

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