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)境的輸電線路上無法穩(wěn)定工作，因此對輸電線路帶電作業(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國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國內(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，操作員通過監(jiān)視器觀察高空現(xiàn)場情況，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電磁場防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

查閱資料發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外尚未有關(guān)于帶電作業(yè)機(jī)器人電磁場防護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)，只有一些國家和國際組織針對工頻電磁場公眾暴露建立了自己的限值。我國提出的以4kV/m電場強(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，以抑制電磁場由一個(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禍合的傳輸途徑。電磁屏蔽按照屏蔽原理可分為電場屏蔽，磁場屏蔽和電磁場屏蔽。電場的高阻抗作用和磁場的低阻抗作用將分別對待。在屏蔽殼表面上的電場和磁場分布將根據(jù)散射理論或者簡單的準(zhǔn)靜態(tài)場原理來處理。一旦外部場的分布求得，內(nèi)部場的解就能計(jì)算出來。由于輸電線路的工頻電磁場很強(qiáng)，采用單個(gè)屏蔽體無法達(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表示屏蔽體對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：被測設(shè)備未進(jìn)行屏蔽時(shí)測得的電場強(qiáng)度，kV/m;

E2：被測設(shè)備采取屏蔽措施后測得的電場強(qiáng)度，kV/m;

SE：電場屏蔽效能，dB;

H1：被測設(shè)備未進(jìn)行屏蔽時(shí)測得的磁場強(qiáng)度，A/m;

H2：被測設(shè)備采取屏蔽措施后測得的磁場強(qiáng)度，A/m;

SH：磁場屏蔽效能，dB。

用傳輸線理論來解釋電磁場屏蔽的原理。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，金屬屏蔽體對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總線之間隔離開來，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)致差分信號受到干擾。通常雙絞線只有33絞/米，而在強(qiáng)干擾場合，要超過55絞/米才能達(dá)到較好的抗干擾效果。

4.2無線網(wǎng)橋抗干擾措施

提高無線網(wǎng)橋抗干擾的措施有：（1）無線網(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)橋的信號端添加大承載功率的帶通濾波器方式來解決該問題。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、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了機(jī)箱與無線網(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

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，通過機(jī)箱的屏蔽來抑制干擾的禍合路徑，基于控制系統(tǒng)方面來提高機(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.