賈 娟，吳觀斌， 慕世友，段博濤， 郭 銳，仲 亮， 雍 軍， 唐 賑，程養(yǎng)春

（1.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟南250101；2.國網(wǎng)山東省電力公司，濟南250001；3.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟南250021；4.北京市高電壓與電磁兼容重點實驗室 （華北電力大學(xué)），北京102206；5北京華電天能電力技術(shù)有限公司，北京102206）

一種絕緣子檢測機器人的電場分析及優(yōu)化設(shè)計

賈 娟1，吳觀斌2， 慕世友3，段博濤4， 郭 銳3，仲 亮1， 雍 軍1， 唐 賑5，程養(yǎng)春4

（1.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟南250101；2.國網(wǎng)山東省電力公司，濟南250001；3.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟南250021；4.北京市高電壓與電磁兼容重點實驗室 （華北電力大學(xué)），北京102206；5北京華電天能電力技術(shù)有限公司，北京102206）

基于500 kV交流輸電線路上的雙串懸式瓷絕緣子串，對自主研制的一款超、特高壓絕緣子檢測機器人的典型部件周圍的電場分布進行了仿真計算，分析了部件形狀、尺寸以及所攜帶的電場測量探頭對局部最大電場強度的影響規(guī)律，進而給出了機器人部件形狀、尺寸及電場測量探頭的優(yōu)化設(shè)計。研究結(jié)果表明：機器人導(dǎo)向機構(gòu)金屬支撐桿端部電場較大，非?？赡芤l(fā)放電，采用絕緣材料后，可大大降低其表面最大場強；控制箱進行倒角處理或采用球形結(jié)構(gòu)可大大降低其表面最大場強；電場測量探頭直徑不宜超過10 cm，與絕緣子傘裙間隙應(yīng)大于1 cm。

輸電線路；絕緣子；檢測；機器人；電場

0 引言

絕緣子串檢測機器人能夠運行于超、特高壓輸電線路中懸垂和水平雙聯(lián)絕緣子串，開展光檢測[1-2]、電阻測量[3]、電場測量[4-5]等帶電作業(yè)項目，綜合評價絕緣子的運行狀態(tài)，對于提高帶電作業(yè)自動化水平、保障電網(wǎng)安全具有重要意義[6-7]。開展絕緣子檢測機器人帶電檢測，高電壓等級下的電磁干擾是應(yīng)考慮的問題[8]。

機器人在帶電檢測絕緣子串的過程中，主要遇到的電磁干擾將來自機器人上尖端部位的電暈放電、機器人金屬部件上的感應(yīng)電荷造成的部件之間的懸浮電位放電、機器人與高壓導(dǎo)線和均壓環(huán)之間的電弧放電等。其中，機器人與高壓導(dǎo)線之間的電弧放電造成的電磁干擾最為強烈。這些放電現(xiàn)象可以產(chǎn)生強大的電磁輻射。外界電磁輻射能夠直接降低機器人檢測系統(tǒng)的有效性能和技術(shù)指標(biāo)，增大通信系統(tǒng)的誤碼率和降低信息的可靠性[9－10]。

特別是機器人移動到絕緣子串的高壓端端部時，機器人與高壓金具之間可能會發(fā)生電弧放電。這種放電帶來的強大電磁場輻射和電流沖擊不但影響儀器和設(shè)備的正常工作，而且可能燒毀機器人部件[11－14]。

因此，筆者基于有限元法，仿真分析機器人在500 kV雙串絕緣子串上運動時，典型結(jié)構(gòu)的電場分布情況，給出合適的結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議，降低局部強電場，避免電暈放電、懸浮電位放電、電弧放電等各種放電現(xiàn)象的發(fā)生，提高機器人工作的可靠性和準(zhǔn)確性。

1 絕緣子檢測機器人介紹

作者研制的一款絕緣子檢測機器人，可以用于架空輸電線路瓷絕緣子串的停（帶）電檢測，適用于水平和懸垂布置的瓷絕緣子串，具備電阻測量、電場測量和可見光檢測功能，綜合判斷劣化絕緣子。機器人總體結(jié)構(gòu)見圖1，包括控制箱、導(dǎo)向與抱緊機構(gòu)、移動機構(gòu)、檢測部件等。

圖1 機器人機械結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The mechanical structure of the robot

1.1 控制箱

控制箱內(nèi)部放置了控制電路、電源、電機等部件?？刂葡錇椴焕C鋼長方體箱子，為控制電流和電子部件提供電磁屏蔽保護。

1.2 導(dǎo)向與抱緊機構(gòu)

導(dǎo)向與抱緊機構(gòu)采用4～5根雪橇狀導(dǎo)向桿導(dǎo)向，使機器人沿絕緣子串軸向移動；導(dǎo)向桿之間有垂直的圓弧狀抱緊機構(gòu)相連，并且采取環(huán)抱的形式將導(dǎo)向桿壓緊在絕緣子串表面。

考慮到機械強度的要求，導(dǎo)向桿中存在鋁合金桿件和尼龍桿件，整體上與絕緣子串軸線平行；抱緊機構(gòu)中存在鋁合金桿件，整體上與絕緣子串軸線垂直。

1.3 移動機構(gòu)

移動機構(gòu)包括驅(qū)動電機和十字支架。驅(qū)動電機為鋼制外殼，位于控制箱內(nèi)部。十字支架為硬鋁合金材質(zhì)，可以繞軸轉(zhuǎn)動。十字支架的末端安裝有尼龍滾輪，與絕緣子接觸。當(dāng)十字支架轉(zhuǎn)動時，尼龍滾輪壓迫絕緣子傘裙，反作用力使之間的軸相對于絕緣子發(fā)生移動，進而帶動機器人移動。

1.4 檢測部件

檢測部件主要包括電場測量探頭、電阻測量探頭和圖像探頭等。其中電場探頭、圖像探頭等部件需要伸出控制箱之外，并另行設(shè)計金屬屏蔽殼為其提供電磁屏蔽保護。

2 仿真模型

基于有限元軟件ANSYS進行仿真分析，以某500 kV線路所用的雙聯(lián)耐張型XWP－210雙傘瓷絕緣子串（2×30個，共計60個）為例，建立了絕緣子串仿真模型。其中絕緣子主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。在絕緣子串高壓端和均壓環(huán)上施加408 kV電壓，在絕緣子串接地端施加0 V電壓，對絕緣子串周圍電場強度進行仿真計算。

表1 絕緣子串主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 main parameters of the insulator strings

由于機器人結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不利于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的仿真分析，故本文不對機器人整體建模，僅將控制箱簡化成長方形金屬殼體，將導(dǎo)向與抱緊機構(gòu)和移動機構(gòu)中的金屬部件和絕緣部件分別簡化成金屬桿和絕緣桿，將檢測部件簡化成球形金屬殼體，并且單獨與絕緣子串模型結(jié)合，依次進行仿真分析。將機器人的部件單獨仿真，排除了各部件之間的相互屏蔽，因而仿真結(jié)果偏于嚴(yán)酷，有利于發(fā)現(xiàn)最嚴(yán)重的局部電場增強現(xiàn)象。由于高壓端導(dǎo)線對機器人各部分結(jié)構(gòu)電場分析影響很小，故沒有建立高壓端導(dǎo)線的模型。這種簡化使得該處電場大于均壓環(huán)電場。仿真模型見圖2。

圖2 仿真模型Fig.2 The simulation model

仿真結(jié)果顯示，在沒有機器人的情況下，高壓導(dǎo)線和均壓環(huán)附近電場強度較大，其中均壓環(huán)上表面最大電場達到3 kV/mm左右。電場分布云圖見圖3。從圖3（a）可知，高壓側(cè)第3片絕緣子離均壓環(huán)導(dǎo)體較近，導(dǎo)致第3片絕緣子與均壓環(huán)之間的空間電場稍微強于其他絕緣子周圍的空間電場。此外，高壓側(cè)第1片絕緣子離高壓端導(dǎo)體較近，周圍空間電場也比較強。因此，本文研究機器人周圍電場時，假設(shè)機器人的典型部件位于第3片絕緣子和第一片絕緣子附近。

圖3 絕緣子串電場分布云圖Fig.3 The electric field cloud graph of the insulator strings

3 仿真結(jié)果與優(yōu)化設(shè)計

3.1 控制箱

控制箱為長方體金屬外殼，存在棱邊和尖角，是局部電場較為集中的一個部件。常用的改善其周圍電場的措施是對棱邊加圓弧倒角，并將尖角處理成圓角。最理想的情況是整個控制箱顯球形。因此，對控制箱建立了3種模型進行仿真對比：1）長200 mm、寬200 mm、厚50 mm的長方體；2）經(jīng)倒角處理的長方體（倒角半徑為10 mm）；3）直徑為200 mm的球體。

圖4顯示了長方體控制箱處于高壓側(cè)第3片絕緣子附近時，控制箱及其鄰近絕緣子表面的3維電場分布矢量圖。其中顏色和箭頭長度均表示電場大小。圖4中為了突出顯示控制箱表面的電場，除了控制箱和絕緣子表面區(qū)域外，其他區(qū)域的電場未做顯示。控制箱的最大電場出現(xiàn)在箱子的右下棱角處。上述3種形狀的控制箱處于不同位置時的表面最大場強見圖5。

圖4 長方體控制箱電場分布矢量圖Fig.4 The electric field vector graph of the cubic control box

圖5 不同形狀控制箱表面最大電場Fig.5 The maxim electric field on the surface of control box with different shape and position

結(jié)果顯示，不同形狀的控制箱的電場從大到小依次為長方體、長方體帶倒角、球形。相同形狀的控制箱，位于第3片絕緣子時最大場強大于位于第1片絕緣子時。位于第3片絕緣時，長方體控制箱表面場強最大，達到1.38 kV/mm。鑒于有限元刨分單元尺寸的限制，長方體的尖角可能沒有完全反映出來，因此該數(shù)值比較保守。因此，在該部位，非常有可能發(fā)生電暈或者電弧放電現(xiàn)象。

當(dāng)控制箱帶半徑10 mm的倒角時，最大場強為為1.09 kV/mm。當(dāng)控制箱直徑等于200 mm球形時，電場最大值為0.524 kV/mm，與長方體箱體相比最大電場下降約60%，已遠離空氣的擊穿場強3 kV/mm，不太可能發(fā)生電暈放電。因此，控制箱的棱邊和棱角至少要有半徑10 mm的圓弧倒角，最好為球形。

3.2 導(dǎo)向抱緊機構(gòu)仿真與優(yōu)化

導(dǎo)向抱緊機構(gòu)包含的支撐桿存在明顯的棱邊和尖端，這些突出部位電場比較集中，是另一個需要重點關(guān)注的結(jié)構(gòu)。本文仿真了當(dāng)支撐桿分別位于第1片絕緣子和第3片絕緣子時，橫截面分別為矩形和圓形的兩種支撐桿的電場分布情況。矩形截面的支撐桿長度為400 mm，截面矩形的邊長為10 mm；圓形截面的支撐桿長度為400 mm，截面半徑為10 mm，端部有半徑為10 mm的半球。

圖6顯示了圓截面金屬桿位于第3片絕緣，并且與絕緣子串軸線平行放置時，金屬桿表面的3維電場分布矢量圖（為了突出顯示金屬桿表面的電場，除了金屬桿和絕緣子表面區(qū)域外，其他區(qū)域的電場未做顯示）。支撐桿端部電場較大，與直觀認(rèn)識相符。

圖6 圓截面金屬桿表面電場矢量圖Fig.6 The electric field vector graph on the surface of metal rod with circle cross section

不同結(jié)構(gòu)和材料的支撐桿，以及平行放置（與絕緣子串軸線平行）和垂直放置（與絕緣子串軸線垂直）情況下，支撐桿表面最大場強見表2。當(dāng)支撐桿為金屬桿時，無論是位于第3片絕緣子還是第1片絕緣子，平行放置的支撐桿表面最大場強較大，接近或者超過起暈場強3 kV/mm，很可能發(fā)生放電；垂直放置的支撐桿最大場強較小，不足1 kV/mm。支撐桿位于第1片絕緣子時的最大電場稍小于位于第3片絕緣的最大電場，這是因為均壓環(huán)的屏蔽作用。

綜上，軸向排列的支撐桿表面電場較大，需要重點優(yōu)化設(shè)計該結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用絕緣材料，表面光滑，不能有尖角結(jié)構(gòu)。其截面應(yīng)選用圓形，端部加半球圓弧。

3.3 電場探頭結(jié)構(gòu)仿真與優(yōu)化

以往用于絕緣子串零值檢測的電場測量探頭外形為長方體[4－5]，類似前文對長方體控制箱的分析，這種外形的電場探頭可能在尖角部位發(fā)生放電。球形三維電場探頭不但外形上無尖角，不會形成局部強電場，而且能夠測量非均勻電場的幅值，因此非常適合檢測線路絕緣子串周圍的空間電場。筆者重點分析了球形電場探頭周圍的電場分布情況，用以優(yōu)化探頭的直徑。

表2 不同支撐桿的表面電場對比Table 2 The comparison of the electric field on the surface of different rod

筆者仿真計算金屬球體分別位于第1片絕緣子和第3片絕緣子附近，并且距傘裙邊沿高5 cm時，不同大小球形探頭周圍的電場分布。探頭表面電場矢量圖如圖7所示。探頭表面電場最大值隨探頭直徑的變化規(guī)律見圖8。

圖7 金屬球體表面電場矢量圖Fig.7 The electric field vector graph on the surface of metal sphere

圖8 探頭表面最大電場隨直徑的變化Fig.8 The maxim electric field on the surface of the metal sphere with different diameter

可見，直徑在5～20 cm探頭的最大電場較小，均小于0.7 kV/mm，不會發(fā)生電暈放電。其中球形探頭位于第3片絕緣子附近時，隨著探頭直徑的增大，最大電場有增大的趨勢，這種變化特點可能是因為探頭直徑較大時，探頭表面距離均壓環(huán)邊緣較近，電場集中程度較大；位于第1片絕緣子時，電場基本不變，這可能與均壓環(huán)的屏蔽作用有關(guān)。綜合考慮，球形電場探頭應(yīng)做的小一點，直徑小于10 cm為宜。

3.4 電場探頭與絕緣子間隙的優(yōu)化

理論上，電場探頭越靠近絕緣子串，檢測零值絕緣子的靈敏度越高。但是，當(dāng)探頭的金屬電極與絕緣子傘裙邊沿之間形成小間隙時，有可能出現(xiàn)懸浮電位放電現(xiàn)象，小間隙被擊穿。為此，仿真研究了直徑10 cm的金屬球形電場探頭與絕緣子傘裙邊沿距離下的電場分布情況。

圖9給出了間隙為2 cm時的電場分布云圖，在靠近絕緣子的球體表面和絕緣子傘裙邊沿電場都比較大。圖10給出了最大電場隨間隙距離的變化情況。隨著間隙的減小，最大場強具有逐漸增大的趨勢。實際情況下，金屬球表面可能不夠光滑，有微小凸起，電場強度可能會超過仿真計算結(jié)果。

圖9 球形探頭與絕緣子間電場分布云圖Fig.9 The electric field distribution between the insulator and the spherical probe

圖10 最大電場與間隙距離的關(guān)系Fig.10 The relationship between the maxim electric field and the distance of the gap

當(dāng)間隙＞1 cm時，其間最大電場小于0.8 kV/mm，數(shù)值較小，在實際中產(chǎn)生放電的可能性很小。當(dāng)間隙為1 mm時，間隙間最大電場在1.4 kV/mm左右，在實際中有可能發(fā)生放電。因此，為了保證不會發(fā)生小間隙放電，電場探頭與絕緣子傘裙間隙不宜小于1 cm。

4 結(jié)論

針對自主研制的一款超、特高壓絕緣子檢測機器人的典型部件結(jié)構(gòu)，基于500 kV雙串絕緣子串，仿真計算了長方體、桿件和球體部件周圍電場分布情況，對部件的形狀提出了優(yōu)化建議。結(jié)論如下：

1）機器人上的長方體控制箱的棱角部位電場較大，邊緣應(yīng)倒角處理 （倒角圓弧半徑宜大于10 mm）甚至可以考慮采用球形結(jié)構(gòu)。

2）金屬桿件端部電場很大，極有可能發(fā)生放電。桿件采用絕緣材料可以大大降低其表面最大場強，并且盡量采用圓形截面和半球形端部結(jié)構(gòu)。

3）直徑在5～20 cm的球形電場測量探頭表面最大電場均小于0.7 kV/mm?？紤]到測量精度，球形探頭應(yīng)當(dāng)做的盡量小，以直徑小于10 cm為宜。

4）電場探頭金屬部件與絕緣子傘裙間隙可能發(fā)生放電現(xiàn)象，不宜小于1 cm。

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The Electric Field Analysis and Optimal design on a Robot for Insulator Detection

JIA Juan1,WU Guanbin2,MU Shiyou3,DUAN Botao4,GUO Rui3,ZHONG Liang1,YONG Jun1,TANG Zhen5，CHENG Yangchun4
（1.Shandong Luneng Intelligence Technology Co.,Ltd.,Jinan 250101,China;2.Stat Grid Shandong Province Electric Power Company,Jinan 250001,China;3.Electric Power Research Institute of Stat Grid Shandong Province Electric Power Company,Jinan 250021,China;4.Beijing key Laboratory of High Voltage and EMC (North China Electric Power University),Beijing 102206,China;5.Beijing Huadian Tianneng Electric Power Technology Co.,Ltd.,Beijing 102206,China）

In this paper,based on the double-string suspension porcelain insulator on a 500 kV transmission line,the electric fields around the typical structures of a self-designed robot are simulated.The influence rules of the formation and the scale of the typical structures on the maxim electric field,and the rule of the electric field probe on the maxim electric field are analyzed.Furthermore,the optimal design of the typical structures is suggested.The results show that the electric field at the terminal of the metal guide rod is very high,even could lead to flashover.The guide rod should be made of insulating material,so that the electric field around it will fall down greatly.The metal control box with smooth edge or spherical structure can greatly reduce the amplitude of the electric field around it.At the same time,the diameter of the electric field probe should not exceed 10 cm,and the gap between the probe and the shed of the insulator should be larger than 1 cm.

transmission line;insulators;detection;Robot;electric field

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.033

2016-01-23

賈娟 (1987—)，女，工程師，研究方向為電力機器人。