输电线路带电作业机器人的电磁分析与防护设计_陈富国.pdf
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1、输电线路带电作业机器人的电磁分析与防护设计陈富国1,2,赵盼盼1,牛博3,蔡杰2,李中旗2,袁欢1,杨爱军1,王小华1(1.西安交通大学电气工程学院,西安710049;2.平高集团有限公司,河南 平顶山467000;3.陕西省电力公司科学研究院,西安710054)摘要:输电线路带电作业机器人的应用是提高输电线路检修效率、降低人工作业事故发生率、建设智能电网的有效途径。机器人工作时处于高强度电磁场环境中,且控制箱内有许多电磁敏感元件,极易被电磁环境影响。目前的电磁防护以定性的经验设计为主,在复杂电磁环境下的定量分析是现阶段的研究重点。为了实现机器人带电作业的安全,文中选择加装引流棒实现机器人等电
2、位作业,对机器人到达作业位置附近时,导线及机器人机械臂附近电场分布随机器人位置的变化规律进行分析,对机器人平台的设计与工作姿态提出了建议。为了实现对机器人控制箱的电磁防护,对影响控制箱机箱电磁屏蔽性能的各因素开展仿真分析,提出机箱采用双层屏蔽,孔洞开在背离辐射源的箱体面上,使用多个小直径的圆孔替代大孔洞等方式来提高机箱的屏蔽效果。该工作为带电作业机器人的电磁分析与防护设计提供了依据,并为机器人正常工作提供了稳固保障。关键词:等电位;带电作业;机器人Electromagnetic Analysis and Protection Design of Live Working Robot onTra
3、nsmission LineCHEN Fuguo1,2,ZHAO Panpan1,NIU Bo3,CAI Jie2,LI Zhongqi2,YUAN Huan1,YANG Aijun1,WANG Xiaohua1(1.School of Electrical Engineering,Xi an Jiaotong University,Xi an 710049,China;2.Pinggao Group Co.,Ltd.,HenanPingdingshan 467000,China;3.Scientific Research Institute of Shaanxi Electric Power
4、 Company,Xi an 710054,China)Abstract:The application of live working robots on transmission lines is an effective way to improve the maintenance efficiency of transmission lines,reduce the accident rate of manual operation and construct a smart grid.Therobot is,in case of operation,in a highintensit
5、y electromagnetic field environment and many electromagnetic sensitive elements in the control box are prone to be affected by the electromagnetic environment.The current electromagnetic protection is mainly based on qualitative experience design,and quantitative analysis under complex electromagnet
6、ic environment is the focus of research at this stage.In order to achieve the safety of the robot s live operation,the drainage rod is selected and installed to achieve the robot s isopotential operation.In case of the robot reaching the operation position nearby,the variation of the electric field
7、distribution near the wire and the robot arm withthe variation of robot position is analyzed and the suggestions for the design and working attitude of the robot platformare proposed.In order to realize the electromagnetic protection of the robot control box,the simulation analysis of various factor
8、s affecting the electromagnetic shielding performance of the control box is carried out.It is proposed thatthe case adopts doublelayer shielding,the holes are opened on the surface of the box facing away from the radiationsource,and multiple smalldiameter round holes are used to replace the large ho
9、les so to improve the shielding effect第59卷第2期:008100882023年2月16日High Voltage ApparatusVol.59,No.2:00810088Feb.16,2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.02.011_收稿日期:20220805;修回日期:20221013基金项目:国家自然科学基金(U2166214)。Project Supported by National Natural Science Foundation of China(U2166214).2023年2月第59卷第2期0引
10、言中国电力系统在不断的建设与发展,2020年末,电网10 kV以上输电线路总里程达到616.79万千米1。输电线路基本建设在室外,长期遭受太阳曝晒、雨淋风吹、电闪雷击、鸟类干扰等自然环境因素的影响,极易导致绝缘子闪络、金具破裂、导线破损、螺栓松动等隐患问题,严重影响输电线路的运行2-4。进而可能诱发导线断裂、支撑杆塔倒塌等更加严重的后果,导致大规模的地区停电,造成经济上的重大损失。2020年全国电力可靠性年度报告指出,2020年导线、绝缘子、金具是引起220 kV及以上架空线路非计划停运次数较多的前三位部件因素。架空线路因自然因素非计划停运在众多原因中占比第一,达34.33%5。因此,输电线路
11、的检修工作对维持电力系统的可靠运行至关重要。输电线路的检修分为停电检修与带电检修两种方式,主要以人工作业的形式开展6-8。停电检修即先切断待作业输电线路上的电流,这种方式更加安全,但频繁停电会降低电力系统的稳定性。带电检修有等电位作业、地电位作业、中间电位作业3种方式9-11。等电位作业前,需先靠近待作业输电线路,接着迅速将等电位杆靠在导线上,使其自身电位与导线相同,而后开始作业。地电位作业时作业人员电位与地面相同。中间电位作业时作业人员电位处于导线电位与地电位之间。与停电检修相比,带电检修能实现检修工作的可靠与高效,显著提高电力系统稳定性,但对检修人员的生命安全造成了严重威胁。带电检修的安全
12、性问题制约着带电检修的实际应用,使用输电线路带电作业机器人替代人工是解决这一问题的最佳方案,近年来带电作业机器人也因此成为了国际上的研究热点12-16。带电作业机器人在作业过程中需要在输电线路上移动,其电位显然与地电位不相同。若使机器人电位处于中间电位,则其与输电线路不能直接接触,如何实现机器人与导线的隔离目前仍是一个难题。因此,等电位作业是最适合带电作业机器人的作业方式。输电线路带电作业机器人在靠近和远离输电线路的过程中,会影响导线及机器人机械臂周围电磁场的分布,同时其控制箱内有许多电磁敏感元件,因此在具有复杂电磁环境的输电线路上维持机器人稳定工作需要重点研究17。1机器人等电位设计带电作业
13、机器人等电位带电作业过程中,需保证机器人与输电线路保持良好接触,始终处于等电位状态。而在达到等电位前,机器人逐渐靠近导线,二者间的电场强度逐渐增大,甚至会发生放电现象,对机器人部件造成严重损伤。为了保证机器人等电位作业过程中,机器人不被高强度电场破坏,文中选择在机器人平台上加装引流棒。当引流棒与导线接触时,机器人与导线的距离较大,二者间感应电荷也相对减小,放电电流也变小,从而降低在等电位瞬间放电电流对机器人的影响。引流棒材料为铜,为圆柱体结构,半径较小。通过弹簧与伺服丝杆电机相连接,在短时间内可承受高强度电场。机器人平台上升到达一定位置时,上平台的其中一根引流棒快速移动并且碰到和压紧母线,做到
14、机械操作部件和母线的等电位。等电位完成后,紧跟着第二根引流棒也快速移动并且碰到和压紧母线。由两根定位杆的角度偏差和位置偏差计算出上平台和母线的水平倾角,并且发送角度指令给下平台以到达矫正角度偏差的目的。引流棒示意图见图1。图1引流棒示意图Fig.1Schematic diagram of the drainage rod2上机械臂不同位置时的电场分布当机器人平台上升到一定位置开始工作时,引流棒靠在导线上,此时二者电位相同,因此在仿真过程中可以在机器人上设置与导线相同的激励18。机器人在输电线路上工作时有位于导线的A相、Bof the case.This work provides not on
15、ly the basis for the electromagnetic analysis and protection design of the liveworking robot,but also a stable guarantee for the normal operation of the robot.Key words:isopotential;live work;robots82相和C相附近3种可能,当其位于A相导线附近时对距离较远的C相导线附近电场影响不大,位于C相导线附近时同理,而当其位于B相导线附近时,对A、B、C三相导线附近电场均有影响,更能反应出机器人工作时对整体电
16、场的影响,因此以机器人位于B相导线附近为例对电场进行仿真分析。在Ansys Maxwell中建立3D模型见图2,三相导线间距1.1 m,内通110 kV交流电压,选取机器人工作过程中机械臂的3种不同位置,分析机器人带电作业过程中母线和机械臂附近的电场分布情况。机器人均位于B、C相导线之间,具体位置见表1。作竖直剖面同时穿过机械臂和母线,用于观察机械臂和母线附近的电场分布情况。图2机器人带电作业过程仿真模型Fig.2Simulation model of robot liveworking process表1机械臂位置设置情况Table 1Position settings of the rob
17、otic arm位置位置1位置2位置3机械臂两臂夹角/()6090180下机械臂与隔板夹角/()454590仿真结果见图3,从仿真结果中可以发现:1)无论机器人处于何种位置,导线周围始终电场强度最大。2)机械臂肘关节靠近C相导线时,肘关节与C相导线之间区域电场强度较大。随着机械臂尾部远离B相导线、逐渐靠近C相导线,机械臂尾部附近电场强度逐渐增大。3)在尖锐的物体表面,电场强度较大。在带电作业机器人作业过程中,由于引流棒靠在作业母线上,机器人作业平台与待作业母线等电位,但与相邻母线间的电场强度随着二者间距离的减小而增大。因此,带电作业机器人工作过程中首先应避免与相邻母线距离过近;其次,由于母线间
18、距固定,为了增大机器人作业平台与母线间的距离,机器人作业平台应尽可能的紧凑;同时,为了避免机器人作业平台上的部件表面场强过大,平台上的部件需要避免尖锐的棱角。3控制箱机箱对电场的屏蔽作用输电线路附近既有高强度的工频电磁场,又有复杂的高频电磁分量。如果将机器人直接暴露在输电线路附近,机器人控制箱内电磁敏感原件将受到严重干扰,机器人将无法可靠工作。屏蔽干扰源是电磁防护中最简单有效的方法19。在控制系统外加装机箱即为屏蔽干扰源的有效途径,是机器人弱电部分电磁防护的第一道屏障,因此控制箱的电磁防护问题是需要着重考虑的内容。三相导线间距1.1 m,内通110 kV交流电压,机图3机械臂位置不同时电场垂直
19、剖面图Fig.3Vertical crosssectional view of the electric fieldwhen the position of the manipulator is different研究与分析陈富国,赵盼盼,牛 博,等.输电线路带电作业机器人的电磁分析与防护设计832023年2月第59卷第2期器人位于位置2,机箱上方表面与导线所在平面间距离为0.86 m,假设控制箱上无孔缝,机器人正常工作时,控制箱内部电场强度见图4(a)。从图4(a)中可以看出,控制箱内的电场强度小于1 V/m,说明控制箱箱体对电场的屏蔽作用很强。加装机箱,能有效降低电场对控制箱内部件的干扰。
20、图4正常作业情况下的电场垂直剖面图Fig.4Vertical profile of electric field under normaloperating conditions但实际情况下,机箱的屏蔽效能并不能达到理想状态,因为箱体本身会存在一些孔缝,比如盖板上的裂缝,通风孔,指示灯、按键、电源线等必需的开孔等。这些孔缝会带来机箱内部和外部区域的电磁场耦合,影响甚至破坏箱体的屏蔽效果20。在控制箱一侧开一个半径为40 mm的圆孔,其他条件保持不变,从图4(b)可以看出,此时控制箱内孔洞附近的电场强度在10150 V/m左右。与控制箱不开孔时相比,控制箱内的电场强度增大了上百倍。这说明控制箱箱
21、体上是否开孔,对控制箱内电场强度影响很大,箱体开孔对控制箱内电磁场分布情况及强度大小的影响需要进一步研究。4控制箱开孔特性对电磁信号的影响4.1 控制箱开孔位置对电磁信号影响仿真模型见图5,控制箱的长宽高为895 mm500 mm205 mm,厚度为2 mm,材料为铝。B相导线位于控制箱正上方,与控制箱顶端平面相距170 mm,A、C两相导线分布在B相导线左右两边,与B相导线间距110 mm。三相导线所在平面与控制箱顶端平面平行,半径为25 mm,长度为1 000 mm。分别在控制箱前方和下方设置一个半径为40 mm的圆孔。穿过孔洞中心位置分别向后和向上作一个矩形平面,来查看控制箱内的电磁场强
22、度。图5控制箱不同开孔位置仿真模型图Fig.5Simulation model diagram of different holepositions of the control box仿真得到的控制箱内电场分布情况见图6,从仿真结果中可以发现:控制箱内孔洞附近电场强度最大,随着距离孔洞越来越远,电场强度逐渐减小;当孔洞位于控制箱前方时,控制箱内的电场强度较大,孔洞附近电场强度可达 4.88104V/m;孔洞位于控制箱下方时,控制箱内的电场强度大大降低,最大电场强度仅90 V/m,控制箱内大部分区域电场强度在10 V/m以下。图6控制箱不同开孔位置电场垂直剖面图Fig.6Vertical se
23、ction view of the electric field at differenthole positions of the control box因此,控制箱开孔方向对控制箱内电场强度有很大影响,孔洞应尽量开在与电磁干扰源相反的方向,易受电磁信号影响的器件应放置在控制箱内距离孔洞较远的位置。将控制箱材料设置为坡莫合金,其他仿真条件不变,仿真得到的控制箱内磁场分布情况见图7。84从仿真结果中可以发现,磁场变化规律与电场相似,孔洞开在远离电磁干扰源的方向,能有效降低控制箱内磁场强度。图7控制箱不同开孔位置磁场垂直剖面图Fig.7Vertical section view of the m
24、agnetic field atdifferent hole positions of the control box4.2控制箱开孔尺寸对电磁信号影响仿真模型见图8,控制箱与导线的参数设置与4.1节相同。孔洞开在控制箱上方,设置孔洞半径分别为20、40、60、80 mm。穿过孔洞所在位置向下作一个矩形平面,来查看控制箱内的电磁场强度。图8控制箱不同开孔尺寸仿真模型图Fig.8Simulation model diagram of different hole sizesof control box仿真得到的控制箱内电场分布情况见图9,随着孔洞尺寸增大,控制箱内电场强度随之增大。孔洞半径为20
25、 mm时,控制箱内洞口处的电场强度最大值为2.74103V/m,其余区域电场强度低于2.50102V/m;孔洞半径为40 mm时,控制箱内洞口处的电场强度最大值为3.44104V/m,远离洞口区域电场强度低于1.00103V/m;孔洞半径为60 mm时,控制箱内洞口处的电场强度最大值为1.99105V/m,远离洞口区域电场强度低于2.71103V/m;孔洞半径为80 mm时,控制箱内洞口处的电场强度最大值为2.67105V/m,远离洞口区域电场强度低于6.70103V/m。图9控制箱不同开孔尺寸电场垂直剖面图Fig.9Vertical section view of the electric
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