輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人的電磁分析與防護(hù)設(shè)計(jì)

李濤　程旭　趙建輝

【摘? 要】輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人內(nèi)有許多的電磁敏感元件，在具有復(fù)雜電磁環(huán)境的輸電線路上無(wú)法穩(wěn)定工作，因此對(duì)輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人進(jìn)行電磁分析與防護(hù)設(shè)計(jì)是保證機(jī)器人可靠工作的必要條件。

【關(guān)鍵詞】輸電線路;帶電作業(yè)機(jī)器人;電磁分析;防護(hù)設(shè)計(jì)

1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外帶電作業(yè)機(jī)器人主要采用兩種模式：一是操作員隨絕緣斗在空中直接在電纜旁操作機(jī)器臂完成帶電作業(yè);二是操作員在地面，機(jī)器臂隨高空云臺(tái)升入作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，操作員通過(guò)監(jiān)視器觀察高空現(xiàn)場(chǎng)情況，操控機(jī)器臂進(jìn)行帶電作業(yè)。由于第一種模式操作員仍然需要在空中電纜旁進(jìn)行操作，存在觸電風(fēng)險(xiǎn);目前的帶電機(jī)器人研發(fā)主要集中在第二種模式，即操作員在地面對(duì)空中的機(jī)器臂進(jìn)行遙操作的方式。

2輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)

高壓輸電線路由架空地線、輸電導(dǎo)線、絕緣子串、防振錘等金具組成。架空地線一般位于桿塔的最上方，起到整個(gè)輸電線路的避雷作用。輸電線路長(zhǎng)期在露天環(huán)境下不間斷運(yùn)行，受暴風(fēng)、雨雪、烈日等各種極端天氣的侵蝕，極易導(dǎo)致耐張線夾處螺栓松動(dòng)，輸電線路疲勞損傷的線路問(wèn)題，影響供電可靠性。根據(jù)輸電線路作業(yè)環(huán)境，本實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)對(duì)輸電線路機(jī)器人整體機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到機(jī)器人三維本體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。機(jī)器人主要包括機(jī)器人箱體，夾爪，機(jī)械臂，行走輪，作業(yè)末端等部件。通過(guò)兩個(gè)行走輪在輸電線上行走，為保證機(jī)器人在輸電線路上平穩(wěn)運(yùn)行，每個(gè)行走輪處都裝配夾爪。

3機(jī)箱的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)

3.1電磁場(chǎng)防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

查閱資料發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外尚未有關(guān)于帶電作業(yè)機(jī)器人電磁場(chǎng)防護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)，只有一些國(guó)家和國(guó)際組織針對(duì)工頻電磁場(chǎng)公眾暴露建立了自己的限值。我國(guó)提出的以4kV/m電場(chǎng)強(qiáng)度和0.1mT磁感應(yīng)強(qiáng)度作為公眾、職業(yè)暴露限值比國(guó)外同類標(biāo)準(zhǔn)的要求要高，因此參照其作為機(jī)器人電磁場(chǎng)防護(hù)的限值。

3.2機(jī)箱的屏蔽

屏蔽是用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧蠈⑿枰雷o(hù)的區(qū)域封閉起來(lái)，以抑制電磁場(chǎng)由一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)區(qū)域的感應(yīng)和輻射，即切斷電磁波輻射和場(chǎng)禍合的傳輸途徑。電磁屏蔽按照屏蔽原理可分為電場(chǎng)屏蔽，磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽。電場(chǎng)的高阻抗作用和磁場(chǎng)的低阻抗作用將分別對(duì)待。在屏蔽殼表面上的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布將根據(jù)散射理論或者簡(jiǎn)單的準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)原理來(lái)處理。一旦外部場(chǎng)的分布求得，內(nèi)部場(chǎng)的解就能計(jì)算出來(lái)。由于輸電線路的工頻電磁場(chǎng)很強(qiáng)，采用單個(gè)屏蔽體無(wú)法達(dá)到好的屏蔽效果，因此采用雙層屏蔽結(jié)構(gòu)。工程上常用屏蔽效能來(lái)表示屏蔽體對(duì)電磁騷擾的屏蔽能力，屏蔽效能的表達(dá)式如式1、2所示：

E1：被測(cè)設(shè)備未進(jìn)行屏蔽時(shí)測(cè)得的電場(chǎng)強(qiáng)度，kV/m;

E2：被測(cè)設(shè)備采取屏蔽措施后測(cè)得的電場(chǎng)強(qiáng)度，kV/m;

SE：電場(chǎng)屏蔽效能，dB;

H1：被測(cè)設(shè)備未進(jìn)行屏蔽時(shí)測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m;

H2：被測(cè)設(shè)備采取屏蔽措施后測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m;

SH：磁場(chǎng)屏蔽效能，dB。

用傳輸線理論來(lái)解釋電磁場(chǎng)屏蔽的原理。假設(shè)有一電磁波射向厚度為d的金屬導(dǎo)體表面，當(dāng)電磁波到達(dá)金屬導(dǎo)體的第一個(gè)表面時(shí)，由于阻抗的變化，部分電磁波被導(dǎo)體反射，剩下的部分電磁波會(huì)進(jìn)入導(dǎo)體，在金屬導(dǎo)體內(nèi)進(jìn)行傳播時(shí)，能量會(huì)不斷地衰減，當(dāng)電磁波到達(dá)第二個(gè)表面時(shí)，又會(huì)發(fā)生反射，只有小部分的電磁波會(huì)穿過(guò)第二表面進(jìn)入被屏蔽物體內(nèi)。在第二表面上被反射的電磁波再次回到第一表面時(shí)將又會(huì)產(chǎn)生反射，如此反復(fù)循環(huán)，直到所有能量耗盡。由此可見(jiàn)，金屬屏蔽體對(duì)電磁波的屏蔽效果包括剛進(jìn)入導(dǎo)體時(shí)被金屬導(dǎo)體第一個(gè)表面反射電磁波能量的反射損耗R、在金屬導(dǎo)體內(nèi)外兩個(gè)表面之間產(chǎn)生多次反射的多次反射損耗B、在金屬良導(dǎo)體內(nèi)傳播衰減時(shí)產(chǎn)生的吸收損耗A。當(dāng)屏蔽體的金屬較厚或電磁波頻率較高時(shí)，當(dāng)A>10dB時(shí)，導(dǎo)體的吸收損耗遠(yuǎn)大于多次反射損耗，多次反射損耗可忽略不計(jì)。

4控制系統(tǒng)的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)

4.1CAN總線抗干擾

提高CAN總線抗干擾能力，保證CAN信號(hào)的質(zhì)量的方法有：（1）為避免地回流燒毀電路板、限制干擾的幅度，保護(hù)控制器不被燒毀，需在CAN接口處設(shè)置隔離并添加浪涌保護(hù)電路。致遠(yuǎn)電子的CTM8251AT模塊不僅具有可以將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線差分電平的功能，還能將CAN控制器與CAN總線之間隔離開(kāi)來(lái)，隔離電壓達(dá)DC2500V，并在CAN總線上設(shè)有防浪涌保護(hù)電路，因此選擇該芯片作為CAN通信的芯片。（2）CAN總線為了提高抗干擾能力，采用CAN-H和CAN-L差分傳輸，即使遇到干擾，CAN-H與CAN-L由于受到的干擾相同，CAN-H與CAN-L的差值仍保持不變。為了保證CAN-H與CAN-L受到的干擾相同，必須使得CAN-H和CAN-L要緊密地靠在一起，否則受到的干擾強(qiáng)度就不一樣，就會(huì)導(dǎo)致差分信號(hào)受到干擾。通常雙絞線只有33絞/米，而在強(qiáng)干擾場(chǎng)合，要超過(guò)55絞/米才能達(dá)到較好的抗干擾效果。

4.2無(wú)線網(wǎng)橋抗干擾措施

提高無(wú)線網(wǎng)橋抗干擾的措施有：（1）無(wú)線網(wǎng)橋的通信頻段為2.4G。輸電線路上的頻譜主耍在50Hz-4MHz之間，屬于非同頻干擾，影響較小。由于機(jī)器人處在強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境，天線上感應(yīng)禍合的能量會(huì)很強(qiáng)，有可能會(huì)超過(guò)網(wǎng)橋自帶濾波器的承載功率，使其燒毀。本文采取在網(wǎng)橋的信號(hào)端添加大承載功率的帶通濾波器方式來(lái)解決該問(wèn)題。帶通濾波器的通頻帶為2400-2500MHz，最大承載功率為10W，可有效濾除帶外信號(hào)、降低噪聲，如圖2所示為帶通濾波器實(shí)物圖。（2）天線的饋線直接穿過(guò)了機(jī)箱與無(wú)線網(wǎng)橋連接，為提高機(jī)箱的屏蔽效率，減少饋線與外部強(qiáng)電磁場(chǎng)的感應(yīng)禍合，選用具有雙屏蔽層衰減系數(shù)小的饋線，并用錫箔紙包裹饋線，使其與機(jī)箱連成一體;（3）為防止電源干擾，在網(wǎng)橋的電源輸入端添加電源濾波器。

5結(jié)束語(yǔ)

為保證機(jī)器人穩(wěn)定工作，本文以輸電線路為例，首先分析了輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人的作業(yè)方式，然后基于等電位作業(yè)方式，從電磁干擾的三個(gè)要素出發(fā)，分析并計(jì)算了輸電線路電磁干擾源的情況，通過(guò)機(jī)箱的屏蔽來(lái)抑制干擾的禍合路徑，基于控制系統(tǒng)方面來(lái)提高機(jī)器人控制系統(tǒng)敏感源的抗干擾能力，僅供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳軻，張建偉，華棟，崔佩儀.高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018，09：97-98.