趙玉良 ，王興光 ，戚 暉 ，李 健 ，李運廠

（1.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250002；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250002）

我國社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展、人民生活質(zhì)量不斷提高，配電網(wǎng)絡(luò)要實現(xiàn)不間斷輸電，就必須開展帶電作業(yè)。人工帶電作業(yè)有其困難與局限性，因此研制具有更強的安全性和適應(yīng)性的高壓帶電作業(yè)機器人，克服人工帶電作業(yè)的困難和局限性，代替人進(jìn)行帶電作業(yè)非常必要，而且符合時代的要求。從上世紀(jì)80年代起許多國家都先后開展了帶電作業(yè)機器人的研究，如日本、西班牙、美國、加拿大、法國等國家[1]。山東電力研究院進(jìn)行了兩代的高壓帶電作業(yè)機器人研究：第一代高壓帶電作業(yè)機器人，采用兩臺MOTOMAN機械臂，操作人員進(jìn)行作業(yè)時通過鍵盤控制機械臂運動；第二代高壓帶電作業(yè)機器人，采用兩臺自主研發(fā)的電機機械臂，控制系統(tǒng)采用主從控制方式。操作人員進(jìn)行作業(yè)時通過主手和鍵盤控制機械臂運動，實現(xiàn)了機器人系統(tǒng)的主從/自主控制。

國外高壓帶電作業(yè)機器人大部分采用Kraft主從機械臂和絕緣斗臂車進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。絕緣方法主要包括以下幾部分：（1）系統(tǒng)對地絕緣：依靠絕緣斗臂車實現(xiàn)。（2）操作人員與高壓電場隔離：操作人員站在絕緣斗內(nèi)操控主手作業(yè)，操作人員與機械臂之間僅通過光纖通信，操作人員完全與高壓電場隔離。（3）相間短路防護(hù)：主要包括絕緣平臺防護(hù)、邊相遮蔽、機械臂絕緣防護(hù)。絕緣平臺防護(hù)主要防止平臺作業(yè)時接觸導(dǎo)線造成相間短路，采用外包絕緣外殼。邊相遮蔽依靠絕緣遮蔽罩。機械臂的絕緣防護(hù)主要防止機械臂搭接兩相造成相間短路。機械臂絕緣設(shè)計主要有以下三種：（1）加裝絕緣板。優(yōu)點：工藝簡單。缺點：需對機械臂構(gòu)件加工，同時由于存在縫隙，爬電距離難以保證，絕緣效果受影響。（2）安裝絕緣端子。優(yōu)點：工藝最簡單。缺點：需拆卸手爪、加長油管，同時如果機械臂搭接高壓線兩相，會發(fā)生相間短路。（3）外裝絕緣板、絕緣護(hù)套。優(yōu)點：爬電距離可以保證絕緣效果最好。缺點：工藝復(fù)雜，護(hù)套需開模具。

由于高壓帶電作業(yè)對人或設(shè)備的危害主要為流過的電流大小和電場的強弱，因此高壓帶電作業(yè)機器人的絕緣問題是研究的關(guān)鍵。本文主要研究了高壓帶電作業(yè)機器人系統(tǒng)對地絕緣、高壓線對人絕緣、相間絕緣防護(hù)方法，滿足了高壓帶電作業(yè)任務(wù)絕緣防護(hù)的要求[2]。

1 機器人絕緣防護(hù)要求

如圖1所示，機器人絕緣主要包括以下問題：

（1）操作人員的絕緣安全，操作人員位于絕緣斗內(nèi)穿著絕緣服，采用中間電位法作業(yè)，目前機器人可以保證作業(yè)人員的安全問題。

（2）機器人對地絕緣問題。機器人采用絕緣斗臂車進(jìn)行作業(yè)，如機器人平臺與地面沒有電器連接，可以保證對地絕緣。

（3）線路相間絕緣。金屬機械臂同時接觸兩相線路或從兩相中穿過都有可能造成相間短路。機械臂絕緣或邊相安裝遮蔽罩可以防止相間短路。

圖1 機器人絕緣防護(hù)要求

2 長治高壓帶電作業(yè)機器人絕緣系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)對地絕緣

方法：依靠絕緣斗臂車。絕緣斗臂車廠家選用北京三興車輛有限公司；整車耐電壓（工作斗與大地之間）：105 kV/1 min；泄露電流測試：70 kV/1 min（泄露電流≤0.5 mA）。

2.2 操作人員與高壓電場絕緣

操作人員站在絕緣斗內(nèi)操控主手作業(yè)，操作人員與機械臂之間僅通過光纖通信，操作人員完全與高壓電場隔離。這是高壓帶電作業(yè)機器人作業(yè)最為突出的優(yōu)點。

2.3 相間短路絕緣

在相-相之間，空氣間隙和絕緣平臺起主絕緣作用，絕緣遮蔽罩形成相間后備防護(hù)，因作業(yè)機械臂等電位作業(yè)，機械臂外包絕緣材料，形成最后一道防線，以防止機械臂偶然觸及兩相導(dǎo)線造成短路。

（1）機械臂絕緣

采用硅橡膠開模具，耐壓20 kV，厚度3 mm，內(nèi)外表面光滑，無毛刺，無氣泡，密實程度好。由機械臂各構(gòu)件尺寸建立模型，根據(jù)各關(guān)節(jié)活動的范圍，設(shè)計絕緣外殼的形狀，防止發(fā)生干涉。

（2）平臺絕緣

絕緣斗尺寸為610 mm×610 mm×1 066 mm；兩機械臂底座之間大于500 mm；為了防止高壓線磁場對機械臂伺服系統(tǒng)電源、主手電源、逆變器、OCU電源干擾，都采用絕緣材料封裝；兩機械臂伺服系統(tǒng)電源、主手電源的開關(guān)、充電接頭、低電壓顯示、虧電顯示之間的安全距離為0.4 m；為了防止高壓電場對人的干擾，人與機械臂底座之間安全距離為0.4 m[3]。

絕緣平臺布置如圖2所示，主要防止平臺作業(yè)時接觸導(dǎo)線造成相間短路。支架采用鋼材，鋼結(jié)構(gòu)支架纏繞環(huán)氧玻璃布，平臺底面粘合環(huán)氧玻璃板。為了防止相間短路，兩機械臂都通過絕緣子與平臺連接。絕緣子耐受電壓為40 kV。

圖2 絕緣平臺布置圖

（3）邊相遮蔽

無論采用何種方式，帶電作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對中相作業(yè)時必須對邊相遮蔽。絕緣遮蔽罩是軟質(zhì)導(dǎo)線遮蔽罩，特點是在寒冷氣候下仍然能夠保持良好的柔軟性，并能抗紫外線及臭氧的損害[4]。

3 試驗方法

3.1 絕緣斗臂車試驗

（1）斗臂車絕緣臂試驗

斗臂車絕緣臂交流耐壓試驗采用連續(xù)升壓法升壓，檢測電極固定安裝在主絕緣臂外表面，試驗應(yīng)在有效絕緣區(qū)內(nèi)進(jìn)行。斗臂車絕緣臂的電氣絕緣性能的試驗電壓和持續(xù)時間如表1所示，試驗過程中不應(yīng)有擊穿、閃絡(luò)和嚴(yán)重過熱現(xiàn)象發(fā)生。試驗電極一般采用12.7 mm的導(dǎo)電膠帶，施加的工頻交流電壓值、沿面距離及泄露值如表2所示。

表1 斗臂車絕緣臂的交流耐壓試驗數(shù)據(jù)

表2 斗臂車絕緣臂交流泄露電流試驗數(shù)據(jù)

（2）斗臂車整車

除對斗臂車絕緣臂外，還具有承受帶電作業(yè)電壓的膠皮管、液壓油、光纜、平衡拉桿等的作業(yè)車，整車應(yīng)進(jìn)行交流泄露試驗，其交流泄露值應(yīng)不大于 500 μA。 所加電壓如表3所示。

表3 整車絕緣要求

3.2 絕緣機械臂試驗

（1）交流耐壓試驗

兩絕緣機械臂交流耐壓試驗加壓方法為一個機械臂末端施加工頻交流電壓，另外一個機械臂末端接地。施加的交流電壓值見表4。機械臂和平臺之間的交流耐壓試驗，機械臂末端施加工頻交流電壓，平臺接地[5]。施加的工頻交流電壓如表4所示。

表4 機械臂絕緣試驗

（2）泄露電流試驗

兩機械臂在進(jìn)行交流泄露試驗時，其試驗電極采用12.7 mm的導(dǎo)電膠帶設(shè)置，施加的工頻交流電壓值及泄露值見表4。機械臂和絕緣平臺之間進(jìn)行交流泄露試驗時，其試驗電極采用12.7 mm的導(dǎo)電膠帶設(shè)置，施加的工頻交流電壓值及泄露值見表4。

3.3 絕緣平臺試驗

絕緣平臺交流耐壓試驗在絕緣平臺的上下側(cè)貼錫箔紙，錫箔紙與平臺邊沿距離h不大于150 mm。絕緣平臺在進(jìn)行交流泄露試驗時，其試驗電極采用12.7 mm的導(dǎo)電膠帶設(shè)置，施加的工頻交流電壓值、沿面距離h及泄露值如表5所示。絕緣平臺的表面應(yīng)平整、光潔、無凹坑、無麻面現(xiàn)象和憎水。

表5 絕緣平臺外表面絕緣性能

4 試驗結(jié)果

泄露電流試驗要求如表6所示，交流耐壓試驗結(jié)果如表7所示。

表6 絕緣平臺泄露電流要求

表7 絕緣平臺交流耐壓要求

為了適應(yīng)高壓帶電作業(yè)機器人10 kV配電線路絕緣防護(hù)的要求，研究了機器人系統(tǒng)對地絕緣、高壓線對人絕緣、相間絕緣方法，并進(jìn)行了試驗以驗證所設(shè)計絕緣防護(hù)方法的可行性。在交流耐壓試驗過程中沒有擊穿、閃絡(luò)和嚴(yán)重過熱現(xiàn)象發(fā)生。交流泄露電流試驗的泄漏電流都小于500 μA。整個絕緣防護(hù)方法設(shè)計合理，防護(hù)性能可靠，操作簡單方便。具有很大的實用價值。

[1]戚暉.高壓帶電作業(yè)機器人絕緣防護(hù)技術(shù)研究[J].高電壓技術(shù)，2003（5）.

[2]孫迪生.機器人控制技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[3]嚴(yán)璋.高電壓絕緣技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2007.

[4]上海市電力公司.10KV架空配電線路帶電作業(yè)指導(dǎo)書[M].北京：中國電力出版社，2007.

[5]邱昌容.電氣絕緣測試技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2008.