10kV配電網帶電作業機器人及其作業臂絕緣分析

陳振宇 鄒德華 彭沙沙 肖宏峰 蔣智鵬

10kV配電網帶電作業機器人及其作業臂絕緣分析

陳振宇1,2鄒德華1,2彭沙沙1,2肖宏峰1,2蔣智鵬1,2

（1. 智能帶電作業技術及裝備（機器人）湖南省重點實驗室（國網湖南省電力有限公司輸電檢修分公司），湖南 衡陽 420100； 2. 帶電巡檢與智能作業技術國家電網公司實驗室（國網湖南省電力有限公司輸電檢修分公司），湖南 衡陽 420100）

隨著我國電力系統的不斷發展，用戶對于用電的要求越來越高，配電網作為電力系統末端，必須保證其穩定可靠的運行。為實現不停電檢修10kV配電網線路，滿足各種復雜情況下的帶電作業需求，本文設計一種可快速更換作業臂的帶電作業機器人，介紹其整體結構設計，并詳細描述帶電作業機器人整體的絕緣設備，包括絕緣斗、無線傳輸臺及作業臂。為驗證機器人作業臂的絕緣性能，通過ATP-EMTP仿真軟件，建立10kV配電網線路模型，仿真計算帶電作業機器人在線路正常運行情況下，添加絕緣段與未添加絕緣段時作業臂上的電壓與泄漏電流大小。結果表明，在未添加絕緣段時，作業臂上的電壓及泄漏電流會對作業人員安全造成威脅；添加1cm尼龍材料絕緣段后，作業臂上電壓為0.4mV，泄漏電流為0.4mA，遠小于帶電作業的安全規定限值。

配電網；帶電作業；作業臂；ATP-EMTP

0 引言

隨著我國經濟水平的不斷提高，用戶對電能的需求日益增長，這對電網的穩定運行提出了更高的要求。作為電力系統的最后環節，配電網直接將電能輸送到各個用戶處[1-2]，起著不可或缺的作用，其安全穩定的運行，對電力系統至關重要[3-5]。

傳統的配電網檢修、作業都是由人工操作，其工作時間長、效率低[6-8]，并且高壓線路產生的高強度磁場和電場會對作業人員的安全造成巨大的威脅。為提高帶電作業的效率和安全性，減少作業人員的潛在危險，自20世紀80年代開始，許多國家對帶電作業機器人進行研究[9-11]，如美國、日本、加拿大等國家。近年來，國內也有許多學者對帶電作業機器人進行了研究。文獻[12]對帶電作業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，且其具有雙作業末端、易于拓展。文獻[13]設計了一種基于BP神經網絡的四臂移動作業機器人，可通過遠程操作實現引流板螺栓緊固作業，其采用雙臂聯動的控制算法，不僅在Matlab仿真軟件中對其機械手臂進行了多方向的姿態跟蹤分析，而且在實際高壓線路中進行了試驗。文獻[14]詳細介紹了一種全自主巡檢機器人的各項技術原理，研發了具有自主定位、越障、故障診斷和巡檢技術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機器人結構進行分析，介紹一種可快速更換作業末端的帶電作業機器人，并詳細分析其絕緣防護裝置。通過ATP-EMTP仿真軟件，搭建10kV配電網線路模型，仿真計算作業機械臂在帶電作業時的電壓和泄漏電流，并對其結果進行分析。

1 帶電作業機器人整體結構

目前絕大多數的帶電作業機器人整體結構示意圖如圖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、絕緣斗和旋轉器等裝置，在機器人帶電作業的過程中，操作人員必須時刻掌控機器人的整體運行狀態和運行參數。

機器人帶電作業時，應有1～2名操作人員在絕緣斗內，隨機器人一起升至線路作業處，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情況，降低了作業人員的操作難度，提高了機器人帶電作業的效率。

圖1 帶電作業機器人結構及配電網線路

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，傳統作業中都需要作業人員進行手動更換，效率較低，本文所設計的機器人可快速更換作業末端裝置，如圖2所示。

圖2 可快速更換作業末端裝置的機器人

進行作業時，第一步，先將機械臂末端連接套安裝于絕緣操作桿末端，并將各作業末端分別安裝于對應的作業末端連接套下；第二步，通過機械手操控機械臂末端連接套插入作業末端連接套內；第三步，起動動力源，通過傳動機構將動力傳遞至開合元件，使開合元件轉動，鎖緊機械臂末端連接套和作業末端連接套，形成作業裝配體，即可開展作業。作業完成后，操控機械臂使作業裝配回位，再起動動力源，使傳動機構將動力傳遞至開合元件，從而使開合元件反向轉動，將機械臂末端連接套和作業末端連接套分離，即可操控絕緣操作桿回位，準備下一作業，從而實現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，且無需作業人員登高操作，便于實現遙控作業。

2 帶電作業機器人絕緣防護

根據帶電作業安全的規定[15-17]，當操作人員對線路進行帶電作業時，流經人體的電流不得超過1mA并且必須確保作業人員與帶電線路之間有一定的距離，以避免電力系統產生過電壓時造成的閃絡放電危害作業人員安全[18-19]。

2.1 絕緣斗

當帶電作業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高空處，絕緣斗不僅起到承載作業人員的作用，而且能夠防止高壓線路中的大電流侵入機器人的內部系統，因此絕緣斗必須具有很強的絕緣能力。通過對目前相關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見表1。

表1 絕緣斗材料參數

2.2 無線傳輸臺

在作業人員與機器人對高壓線路進行帶電作業時，為全面確保作業人員的人身安全，會采用無線數據傳輸臺實時監測機器人作業過程中的動態，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。無線數據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，能夠保障整個系統的穩定運行及作業人員的安全。

2.3 機器人作業臂

在機器人進行高壓電路帶電作業時，機器人作業末端會安裝夾具，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臂侵入整個系統，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，其結構如圖4所示。在實際的作業過程中，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。每個懸臂上都會安裝相應的夾具，為避免在帶電作業過程中不同懸臂間產生相電壓，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 機器人作業臂運行

圖4 導線剝皮裝置

3 計算參數及模型

3.1 線路參數及桿塔模型

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，其具體線路參數見表2。

表2 10kV配電網線路具體參數

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配電網線路桿塔通常不會高于20m，且多數為無拉線鋼筋混凝土單桿，故在仿真計算時，應選擇集中參數電感模型。

3.2 絕緣子模型

在搭建10kV配電網線路模型時，可使用ATP- EMTP軟件中的TACS壓控開關來替代絕緣子，通過調整開關的關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，大多數配電網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 作業臂及模型搭建

帶電作業機器人作業臂主要由金屬器具與絕緣材料構成，本文僅對作業臂在配電線路帶電運行下的絕緣性能進行分析，故僅計算其在線路運行時的電流與電壓。通過式（1）可計算得到一定長度下尼龍材料的電阻值。

在ATP-EMTP中用等效電阻進行仿真計算，尼龍材料特性見表3。模型中，共建立10基桿塔進行仿真計算，配電網線路單基桿塔模型如圖5所示。

表3 尼龍材料特性

圖5 配電網線路單基桿塔模型

4 作業臂絕緣仿真計算

作業人員在進行帶電作業時，可能會接觸到作業臂的首端，為確保作業臂的絕緣段長度能夠將侵入的泄漏電流限制在1mA以下以保證作業人員的安全，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臂電壓值。大量數據分析證明，人體的等效電阻值為2 000W左右，在仿真計算中通常取1 700W作為理論值。對于絕緣材料，本文選用電阻率為1012W·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。交流電壓值計算結果如圖6所示。

圖6 交流電壓值計算結果

通過仿真計算可以發現，當作業臂沒有添加絕緣段時，在對帶電運行的配電網線路進行作業時，會在人體等效電阻上產生453V左右的電壓，遠遠高于人體的安全電壓限值36V，且其數值沒有明顯的變化，較為穩定；當在作業臂上添加阻值為1010W的絕緣段后，帶電作業時作業臂上的電壓僅為0.4mV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

分別計算作業臂在對10kV配電網線路進行帶電作業時，無絕緣段和添加絕緣段情況下的泄漏電流。為確保作業臂絕緣長度的可靠性，使作業人員接觸作業臂時，不會存在電流侵入的危險，須對作業臂帶電作業時的泄漏電流進行仿真計算。國網帶電作業規定，侵入人體的電流值必須小于0.1mA。泄漏電流計算結果如圖7所示。

圖7 泄漏電流計算結果

通過計算結果可以發現，若沒有添加絕緣段，在作業臂對10kV線路進行帶電作業時，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1010W的尼龍材料作為絕緣段，可以將作業臂帶電作業時的泄漏電流限制在0.4mA左右，足以保證作業人員的安全。

5 結論

為應對10kV配電網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末端的帶電作業機器人，并詳細描述了其絕緣保護設備，以確保帶電作業時作業人員的安全。

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，其作業臂無絕緣段時，會產生453V的電壓和4.53A的泄漏電流，嚴重威脅作業人員安全。當在作業臂上添加長度為1cm的尼龍材料時，作業臂上的電壓值和泄漏電流值都遠小于人體安全規定的限值。本文所設計的機器人作業臂絕緣長度為5cm，可使作業臂的絕緣性能滿足帶電作業的安全規定。

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Insulation analysis of live working robot and its working arm in 10kV distribution network

CHEN Zhenyu1,2ZOU Dehua1,2PENG Shasha1,2XIAO Hongfeng1,2JIANG Zhipeng1,2

(1. Intelligent Live Operation Technology and Equipment (Robot) Hu’nan Provincial Key Laboratory (State Grid Hu’nan Transmission Maintenance Company), Hengyang, Hu’nan 420100; 2. Live Inspection and Intelligent Operation Technology State Grid Corporation Laboratory (State Grid Hu’nan Transmission Maintenance Company), Hengyang, Hu’nan 420100)

With the continuous development of China’s power system, the user’s demand for electricity is higher and higher. As the terminal of power system, the distribution network must ensure its stable and reliable operation. In order to realize the maintenance of 10kV distribution network lines without power cut and meet the requirements of live working under various complicated conditions, this paper proposes a live working robot which can quickly replace the working arm, introduces its overall structure design, and describes the overall insulation equipment of the live working robot in detail, including insulating bucket, wireless transmission platform and working arm. In order to verify the insulation performance of the robot arm, a 10kV distribution network line model is established by using ATP-EMTP simulation software. The voltage and leakage current of the live working robot with and without insulation section are simulated and calculated under the normal operation of the line. The resultsshow that the voltage and leakage current on the working arm will cause danger to the safety of operators when the insulation section is not added; the voltage on the working arm is 0.4mV and the leakage current is 0.4mA after adding 1cm nylon material, which is far less than the safety limit of live working.

distribution network; live working; working arm; ATP-EMTP

2021-03-05

2021-03-30

陳振宇（1990—），男，湖南省長沙市人，本科，助理工程師，研究方向為輸配電運檢技術及工器具研究。