秦佳鳴 金繼開

國網(wǎng)上海超高壓公司 上海 200063

引言

變電站是輸電和配電的集結點，對電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟運行起著不可或缺的重要作用。隨著社會用電需求越來越大，變電站安全穩(wěn)定運行的壓力也隨之加大。變電設備故障導致的事故在變電站總事故中占有極大比例。只有及時發(fā)現(xiàn)變電設備的缺陷并迅速排除相應故障才能保證變電站的安全穩(wěn)定運行，目前，變電站主要由運維人員巡檢，為了提高變電站巡檢工作效率，變電站自動巡檢機器人部分替代人工巡檢已經(jīng)成為一種趨勢。變電站自動巡檢機器人控制運行方式靈活、巡檢信息記錄及時準確、不受天氣環(huán)境因素影響，無主觀情緒，逐漸被應用到變電站對變電設備進行巡檢工作，輔助運維人員能及時排除故障，防止事故發(fā)生[1]。

現(xiàn)有的移動機器人自動充電技術大多是采用接觸式充電方式，通過調整機器人位置或控制充電臂的位置實現(xiàn)機器人的充電插頭與充電座的對接與斷開[2]，保證插座插拔的精準增加了設計難度。此外，頻繁插拔也容易對系統(tǒng)的可靠性帶來影響，如引起機械磨損，導致接觸松動，不能有效傳輸電能;若在潮濕或存在導電介質的環(huán)境中，也極容易引起電路短路。可見，要使機器人同時滿足高導航精度、高速定位、高可靠性對接的充電要求是十分困難的。因此，需要提出一種通過非接觸方式就能夠對移動機器人進行無線充電的方法[3]。

1 無線充電技術

1.1 無線充電技術概述

無線充電技術主要運用感應傳輸系統(tǒng)，一種能使電能無接觸傳輸?shù)募夹g。它的操作原理類似于通過多級互感線圈在發(fā)射線圈和接收線圈內傳輸電能的互感器。如圖1所示，高頻電源為發(fā)射線圈供電，創(chuàng)建一個交流電磁場，而安裝在機器人底部的接收線圈從建立的磁場中獲取能量，并將其轉換成電流來給電池充電。

圖1 運維巡檢機器人無線充電示意圖

1.2 巡檢機器人無線充電的問題

然而，目前巡檢機器人無線充電的應用還有些技術問題待處理。例如，由于發(fā)射線圈安裝在地面，接收線圈安裝在機器人底座，兩者之間存在氣隙，因此會損失不少能量，造成傳輸效率低。另一方面，若要進一步推進無線巡檢機器人的發(fā)展應用，對其充電時電磁安全性研究十分關鍵。根據(jù)ICNIRP2010，對于3kHz到10MHz的電磁波，在一般公共場所中，其磁場不應超過27.3μT，因此，對于無線充電技術來說，要解決的主要問題是如何在提高傳輸效率的同時，對系統(tǒng)磁場進行屏蔽，保證電磁安全。

2 研究模型

本文研究模型將在一次和二次側各使用一整塊鐵氧體板作為磁芯，其相對磁導率為2000。鐵氧體廣泛用于無線充電設計中，使整個系統(tǒng)的重量和耦合系數(shù)能到達一個平衡，同時使得發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場的磁力線主要集中在磁屏蔽的磁路通過，改變了線圈耦合機構間傳能區(qū)內的空間磁場分布，使磁場強度增強，導致傳輸線圈的自感和互感增大，以此提高系統(tǒng)內部的傳輸效率。同時，本文無線傳輸系統(tǒng)將采用doubleD模型，即雙線圈進行研究，在其他數(shù)據(jù)參數(shù)相同的情況下，doubleD模型比單極線圈模型的傳輸效率高。

2.1 等效電路模型

搭建3.3kW的機器人無線充電裝置來對傳輸、屏蔽效果進行研究。系統(tǒng)根據(jù)美國汽車工程師學會最新的標準SAE-J2954，系統(tǒng)的工作頻率選為85kHz。為了比較不同屏蔽板參數(shù)的屏蔽效果，這里假設輸出的電壓和電流是恒定的。

考慮兩個線圈之間的電磁耦合關系，本文搭建等效模型如圖2所示。其中電源電壓為、電源內阻為、發(fā)射端、接收端的諧振電容分別為，發(fā)射線圈的電感量為，電阻為，接收線圈的電感量為，電阻為，負載阻抗為，兩線圈間互感為。

圖2 等效電路圖

2.2 傳輸效率P與耦合系數(shù)K的關系論述

3 屏蔽效能分析方法

本文的仿真模型如圖3所示，橘色部分為doubleD型銅制線圈，發(fā)射側尺寸為300×450×4mm3，接收側尺寸為200×300×4mm3。藍色部分為鐵氧體板，一次側鐵氧體尺寸為640×496×8mm3，二次側鐵氧體尺寸為480×352×8mm3。

圖3 基于Maxwell仿真模型

在屏蔽板材料的選擇上，為了讓磁通不要在原邊閉合，而經(jīng)過氣隙產(chǎn)生耦合磁通。磁通選擇閉合路徑的原因為，從磁阻最低的那條磁路閉合。因此為增大磁路上的磁阻，以減小經(jīng)由原邊磁芯背部直接閉合的磁通，首先要保證原邊不能有高磁導率的介質加入導致原邊出現(xiàn)低磁阻磁路，故屏蔽層不能采用鐵磁類屏蔽材料，對此，可以添加磁導率低的材料，進行電磁屏蔽[4]。電磁場的屏蔽材料選擇產(chǎn)量較足的鋁金屬，且在眾多常用導電金屬中，鋁的密度為（2.7g·cm-3）最輕，因此本文采用鋁板，加在鐵氧體外。

接下來的實驗方向是研究：①屏蔽氣隙對屏蔽效能的影響。②屏蔽厚度對屏蔽效能的影響。

屏蔽氣隙即鐵氧體與鋁板之間的距離，保持發(fā)射側和接收側的線圈及鐵氧體的位置不變，改變鋁板的垂直位置。研究僅初級帶屏蔽氣隙，僅次級帶屏蔽氣隙和兩側均帶屏蔽氣隙對屏蔽效能的影響。

確認好最優(yōu)的屏蔽板安裝方式及間距后，研究鋁板厚度對系統(tǒng)屏蔽效果的影響。維持最優(yōu)氣隙距離，改變鋁板厚度，研究厚度對屏蔽系統(tǒng)的影響。首先看厚度的整體趨勢，觀察厚度變化對系統(tǒng)耦合系數(shù)的影響。

找出最優(yōu)的鋁板氣隙和鋁板厚度有助于降低鋁板損耗，提高系統(tǒng)效率，同時能提高系統(tǒng)的屏蔽效能，提高使用安全。

4 結束語

本文從結構原理、傳輸結構及系統(tǒng)建模三個方面，闡述了變電站巡檢機器人無線充電技術當下成果和未來研究方向。關于變電站巡檢機器人無線充電技術，目前仍有很多關鍵技術有待解決，這些問題將成為未來巡檢機器人無線充電技術研究的主要熱點。