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★國家電網上海市電力公司浦東供電公司劉沁怡

關鍵詞：高壓斷路器；電氣試驗機器人；接線裝置

高壓斷路器的電氣試驗包括斷路器特性試驗、回路電阻試驗和絕緣耐壓試驗，其中短路試驗是檢驗高壓斷路器能否正常分、合閘以及分合閘時間的，而絕緣耐壓測試則是檢驗高壓斷路器的絕緣性能的^[1]。傳統的高壓斷路器電氣試驗需要工作人員手動進行操作，勞動強度大，并且存在安全隱患。機器人的出現改變了這一現狀。隨著電力系統對高壓斷路器質量要求的提高，高壓斷路器電氣試驗逐漸采用機器人進行。本文所研究的10kV高壓斷路器電氣試驗機器人采用模塊化設計，包含機械結構、控制系統等。

1　10kV高壓斷路器電氣試驗機器人的概述

1.1　機械結構

機構的主體是一個機械手，它可以進行6個自由度的運動，包括水平旋轉自由度、俯仰轉動自由度、左旋轉動自由度、右旋轉動自由度和旋轉電機驅動的正逆轉，以及X、Y、Z向移動和沿導軌移動的自由度。這六個自由度中，有三個是直線的，三個是轉動的，一般直線的都是用加速度計來測量，而轉動的則是用陀螺來測量。6個自由度，其中，2個轉軸可單獨設定，但兩個轉軸的轉角應相互配合，且二者的間距應保持在允許的范圍之內。左右轉軸間的轉角為1，這是在允許的范圍之內。利用螺桿螺母機構，可調節水平轉動軸線的角度，以及俯仰轉動軸線的角度。此外，在左右旋轉軸間加裝一個轉動馬達，并通過馬達驅動螺桿螺母機構，可實現對俯仰轉軸轉角的調節。該機器人的截面由高強度鋼材構成，并假定其為均勻等向分布的材料。

該鉸鏈由一個連接桿和一個球狀鉸鏈構成，可在水平方向上進行運動，并用把手來操縱連接件的動作，這就要求有一種能把豎直移動轉換成水平移動的設備，使該關節能在空間中完成運動，并能在空間中完成運動。該機器人具有良好的空間定位能力，但是若要與周圍的對象進行互動，就必須要對對象進行三維位姿的估算。鉸鏈通過滾珠絲桿完成旋轉，鉸鏈上的軌道為鉸鏈支撐平臺，采用活動軌道和機器主體間的螺栓實現連接。機器人在轉動過程中，就必須要改變其安裝在軌道上的滾珠絲杠螺母機構，從而達到6個自由度的調節。該結構具有非線性、大變形、強耦合等特性，其建模、動力學及振動控制等問題已成為當前的研究熱點。

1.2　控制系統

本文所研究的10kV高壓斷路器電氣測試機器人控制系統，主要包括上位機、下位機和通信接口3個部分。其中，上位機主要完成對機器人的位置、狀態等信息的實時采集，并向下位機傳送；下位機主要完成對機器人的運動和操作，并通過主機的反饋來實現對機械手的控制；通信接口部主要負責通信接口與PC機之間的通訊。最后，在此基礎上，利用減速機將驅動電機驅動至各移動軸，從而實現控制系統對各移動軸的控制。如圖1所示。

圖1 10kV高壓斷路器電氣測試機器人控制系統技術部分

在此基礎上，控制系統利用TCP/IP協議實現了對移動機器人的實時控制。在上位機上，主要有三個接口：任務管理接口、數據顯示接口和軌跡顯示接口。其中，任務管理接口主要是對操作人員的工作任務和操作人員的工作狀態進行顯示；數據顯示接口主要是對機械手的當前位置、角度和速度進行實時顯示；軌跡顯示接口主要是對機器人的運動軌跡進行顯示，并對各個關節的轉動角度、速度等進行實時測量。控制面板上有定時器（包括設定時間、測試時間、誤差時間，精度為0.01秒）、啟動按鈕和時間顯示開關按鈕。

在PC機上，利用PC機上的可編程軟件，將控制程序編制好后，傳送到下位機。而下位機則是通過PC機所編制的控制程序來實現對機器人手臂的控制。在此基礎上，利用下位機與上位機進行串行通訊，并將所獲得的操作數據傳送到上位機。當這一切都結束后，機器人開始活動，表示它的初始啟動工作已經結束，并且開始不停地向服務器詢問有關任務的信息，以便它能夠在第一時間投入到任務中。連接到云服務器上的機器人，在收到任務指令以后，就會自動進入到任務欄中，并從中提煉出一些關鍵的數據，之后再去處理相關事宜，通過對任務進行分析、處理，將其分成若干個子任務，并將其發送給相應的URLs。

2　10kV高壓斷路器電氣試驗機器人的設計

本文針對10kV高壓斷路器電力測試的特點及需要，研制了10kV高壓斷路器電力測試機器人^[2]，并在此基礎上設計了一種新型的測試機器人。該系統可實現變形、位移、加載等全過程的實時監測與控制，并可實現人機交互及自診斷，具有多功能、大范圍、高精度等特點。

2.1　機器人機械臂部分

試驗機器人的機械手主要包括兩只機械手和一只轉盤。一只機械手是腔鏡的手臂，另外一只機械手是工作器械，轉盤是工作器械上的牽引，打開工作視野，讓工作器械移動。其中，前臂為六節，后臂為四節。第一個六肢式機械手是與控制裝置相連接的，可360度轉動；第二個六自由度機械手為旋轉平臺，與控制裝置相連接，可實現機械手0度、60度、90度、180度的轉動。旋轉平臺為可伸縮式旋轉平臺，其旋轉角度可隨時間變化而變化。該旋轉平臺有很好的柔韌性，既能確保機械手臂不會受到撞擊或損傷，又有很好的剛度。該轉臺可使多個零件以多種不同的角度轉動，以適應開關電器測試中多種零件的轉角變化的需要。該機構利用模塊化設計思想，把各個模塊分別裝在一個轉盤上，由馬達帶動轉盤來完成機構的轉動。該轉盤能360度轉動，能滿足斷路器在測試過程中各元件間的夾角變化的需要。本機將其外形與工作臺相配合，以達到自動操作的目的，能很好地滿足不同行業的需要。在此基礎上，本文提出了一種基于電控－分控轉子的轉子控制方法，從而減少了轉子的結構和重量，提高了轉子的可靠性。

2.2　傳感器部分

傳感器部分由電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器組成。機器人手臂上設置了電流、電壓、溫度等傳感器，這些傳感器可對其進行實時檢測，并將檢測到的數據經通訊網絡傳送給控制系統。該系統能對傳感器測量到的溫度進行自動采集、保存，并將其傳送到微機進行處理，從而獲得原始數據。采用一根電線連接到機器人手臂上，可實現對機器人手臂運動狀態的實時監測。在機械手內部裝有一個溫度傳感器，用來監控機械手內部的溫度變化。開關在開、關過程中，由于開關內部溫度的改變，使開關系統產生溫升。在傳感器收集到了溫度信號之后，再通過信號調理電路對其進行處理，把它轉化為與接口要求相一致的數字信號。之后，再通過數據采集卡將數據上載，由計算機對數據展開分析、處理、判斷，并按照預定的約束條件，向執行終端發送控制命令。這種方式使用了閉環控制方式，從而提高了系統的控制精度和響應速度。該系統可對斷路器內的溫度進行實時監控，并將其轉換成電壓信號。斷路器的工作環境惡劣，極易引起非正常的溫度升高，為了確保其正常工作，必須對其進行定期的檢測。斷路器是一種高電壓裝置，在運行過程中，其內的金屬元器件可能會由于電流渦流的存在而形成過熱，并由此導致不正常的室溫升高。為此，人們研究了一款電阻溫度傳感器（如圖2所示），其核心部件為一個平面形式的Hotdisk探頭。該探頭既可作為電阻熱也可作為水質傳感器，當進行測量時，在探頭上裝入一穩恒電流，隨著探頭電流的變化，將會在探頭兩端形成電壓差。

圖2 鉑熱電阻溫度傳感器

3　10kV高壓斷路器電氣試驗機器人接線

裝置的實現本文提出的10kV高壓斷路器電氣試驗機器人接線裝置，采用了機器人技術和PLC控制技術，可以實現現場環境下高壓斷路器電氣試驗過程的自動化^[3]。

根據10kV及以下等級斷路器電氣試驗要求，本文提出了一種適用于10kV及以下等級斷路器電氣試驗的機器人接線裝置，包括傳感器、電壓信號轉換模塊、通信接口和電源模塊等。其中，傳感器主要用于監測斷路器本體的電壓和電流信號，為后續的PLC控制提供數據支撐；電壓信號轉換模塊主要將傳感器采集到的電壓信號轉換為標準電壓信號；通信接口模塊用于接收機器人控制系統發送來的指令，并將采集到的電壓信號傳送給PLC進行數據處理；電源模塊用于為整個系統提供電能。

該接線裝置使用一種PLC控制系統作為系統核心，具有結構簡單、性能可靠、響應速度快、易于維護等特點。機器人接線裝置采用模塊化設計，具有較高的通用性和可擴展性。采用PLC控制技術可以實現對高壓斷路器電氣試驗過程的自動化控制。

3.1　電壓電流模塊

高壓斷路器本體的電壓和電流信號是整個接線裝置的關鍵信號。傳統的高壓斷路器電氣試驗時，試驗人員需要穿著絕緣靴，通過絕緣拉桿將斷路器本體固定在相應的位置上，連接數條試驗接線，操作各種復雜的試驗儀器，再進行高壓試驗得到試驗結果。這種方法需要進行多次絕緣測試，且操作復雜、耗時較長。在接線裝置中，由于試驗過程中高壓斷路器本體不接觸地，只接觸絕緣靴和絕緣拉桿，因此采用傳感器對高壓斷路器本體的電壓和電流信號進行監測。為保證試驗過程的安全性，傳感器采用兩路獨立電源供電的方式：一路用于監測高壓斷路器本體電壓和電流信號，另一路用于監測機器人控制系統發出的指令信號。

3.2　電壓信號轉換模塊

在電纜線路中，信號的衰減以及信號的延遲，都會影響遠距離信號傳輸的效果。目前，遠距離傳輸技術主要有兩種，分別是光纖傳輸和無線通信傳輸。

光纖傳輸具有抗干擾能力強、距離遠等優點，但是存在價格昂貴、施工難度大和維護困難等問題。無線通信技術具有成本低、速度快、穩定性高、抗干擾能力強等優點，但是存在安裝維護不便和布線困難等問題。

本文提出了一種采用無線通信技術實現遠距離信號傳輸的方案。無線通信技術主要包括Wi-Fi技術和ZigBee技術兩種類型。Wi-Fi技術是一種基于IEEE802.11協議的無線網絡，其特點是：支持網絡互聯、多設備支持、支持快速反應和無線連接；ZigBee技術是一種基于IEEE802.11標準的低功耗無線局域網協議，其特點是：低功耗、低成本、高可靠性和高效率。該裝置采用Wi-Fi作為無線通信方式，ZigBee作為無線通信方式。ZigBee網絡支持多種拓撲結構，支持自組織組網和網狀網。該裝置采用了一個基于ZigBee協議的控制器和多個傳感器，可以實現對斷路器本體的電壓和電流信號進行采集和控制。

3.3　通信接口模塊

通信接口模塊的主要功能是將采集到的電壓信號傳送給PLC進行數據處理，同時接收PLC發出的指令，對電壓信號進行采集和處理^[4]。

通信接口模塊采用了RS485總線傳輸方式。PLC接收到上位機發送來的指令后，先將指令轉化為數字量，再將數字量通過RS485總線發送給PLC的A/D模塊；在A/D模塊中對采集到的電壓信號進行處理后，再通過RS485總線將數據發送給PLC；PLC接收到A/D模塊傳輸來的數字量后，先進行存儲操作，然后根據存儲結果確定是否繼續下一步操作；如果繼續下一步操作，則由PLC發出指令進行下一步操作。PLC接收到上位機發送來的指令后，先將數字量通過RS485總線發送給上位機，然后將采集到的電壓信號通過RS485總線發送給上位機。在通信過程中，RS485總線和A/D模塊之間使用了屏蔽雙絞線進行通訊連接。該通信接口模塊能有效提高通信可靠性和抗干擾能力。

3.4　電源模塊

電源模塊是整個裝置的核心，采用開關電源方式為整個裝置供電，具有結構簡單、成本低、效率高等優點。該電源模塊采用雙路交流輸入，分別輸出220V、24V和5V的電壓，其中220V的輸入電壓可以直接連接到斷路器本體。

雙路交流輸入的基本原理，就是分兩路輸出。一條電路輸出220V的交流電壓，另起一條電路輸出24V的交流電壓，用于為整個裝置提供用電。為了提高斷路器本體試驗時的安全性，需要對斷路器本體進行控制和保護。通常情況下采用斷路器本體上安裝繼電器等保護裝置，但由于斷路器本體是基于開關方式工作的，不能保證其完全不受開關動作影響。因此需要在B路和C路經PLC控制后輸出的直流電源中接入相應的保護電路。

4　結論

高壓斷路器作為電力系統中的重要設備，其電氣試驗具有危險性高、難度大等特點，傳統的人工試驗方法無法滿足高壓斷路器電氣試驗的需要。本文提出了一種10kV及以下等級高壓斷路器電氣試驗機器人接線裝置，該裝置具有自動化程度高、現場安裝便捷、接線簡單等特點，能有效提高試驗效率和準確性。隨著技術的發展和人們對高壓斷路器電氣試驗需求的增加，機器人技術必將在高壓斷路器電氣試驗領域得到廣泛應用，將有效提高高壓斷路器電氣試驗效率和準確性，為國內電氣試驗機器人接線產業帶來了廣泛的應用前景。

作者簡介：

劉沁怡（1988-），女，廣東中山人，中級工程師，本科，現就職于國家電網上海市電力公司浦東供電公司，研究方向是電氣試驗。

參考文獻：

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摘自《自動化博覽》2024年3月刊