高壓帶電作業(yè)機(jī)器人絕緣系統(tǒng)的研究*

趙玉良 ，王興光 ，戚 暉 ，李 健 ，李運(yùn)廠

（1.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250002；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250002）

我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展、人民生活質(zhì)量不斷提高，配電網(wǎng)絡(luò)要實(shí)現(xiàn)不間斷輸電，就必須開(kāi)展帶電作業(yè)。人工帶電作業(yè)有其困難與局限性，因此研制具有更強(qiáng)的安全性和適應(yīng)性的高壓帶電作業(yè)機(jī)器人，克服人工帶電作業(yè)的困難和局限性，代替人進(jìn)行帶電作業(yè)非常必要，而且符合時(shí)代的要求。從上世紀(jì)80年代起許多國(guó)家都先后開(kāi)展了帶電作業(yè)機(jī)器人的研究，如日本、西班牙、美國(guó)、加拿大、法國(guó)等國(guó)家[1]。山東電力研究院進(jìn)行了兩代的高壓帶電作業(yè)機(jī)器人研究：第一代高壓帶電作業(yè)機(jī)器人，采用兩臺(tái)MOTOMAN機(jī)械臂，操作人員進(jìn)行作業(yè)時(shí)通過(guò)鍵盤(pán)控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)；第二代高壓帶電作業(yè)機(jī)器人，采用兩臺(tái)自主研發(fā)的電機(jī)機(jī)械臂，控制系統(tǒng)采用主從控制方式。操作人員進(jìn)行作業(yè)時(shí)通過(guò)主手和鍵盤(pán)控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人系統(tǒng)的主從/自主控制。

國(guó)外高壓帶電作業(yè)機(jī)器人大部分采用Kraft主從機(jī)械臂和絕緣斗臂車(chē)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。絕緣方法主要包括以下幾部分：（1）系統(tǒng)對(duì)地絕緣：依靠絕緣斗臂車(chē)實(shí)現(xiàn)。（2）操作人員與高壓電場(chǎng)隔離：操作人員站在絕緣斗內(nèi)操控主手作業(yè)，操作人員與機(jī)械臂之間僅通過(guò)光纖通信，操作人員完全與高壓電場(chǎng)隔離。（3）相間短路防護(hù)：主要包括絕緣平臺(tái)防護(hù)、邊相遮蔽、機(jī)械臂絕緣防護(hù)。絕緣平臺(tái)防護(hù)主要防止平臺(tái)作業(yè)時(shí)接觸導(dǎo)線(xiàn)造成相間短路，采用外包絕緣外殼。邊相遮蔽依靠絕緣遮蔽罩。機(jī)械臂的絕緣防護(hù)主要防止機(jī)械臂搭接兩相造成相間短路。機(jī)械臂絕緣設(shè)計(jì)主要有以下三種：（1）加裝絕緣板。優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：需對(duì)機(jī)械臂構(gòu)件加工，同時(shí)由于存在縫隙，爬電距離難以保證，絕緣效果受影響。（2）安裝絕緣端子。優(yōu)點(diǎn)：工藝最簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：需拆卸手爪、加長(zhǎng)油管，同時(shí)如果機(jī)械臂搭接高壓線(xiàn)兩相，會(huì)發(fā)生相間短路。（3）外裝絕緣板、絕緣護(hù)套。優(yōu)點(diǎn)：爬電距離可以保證絕緣效果最好。缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜，護(hù)套需開(kāi)模具。

由于高壓帶電作業(yè)對(duì)人或設(shè)備的危害主要為流過(guò)的電流大小和電場(chǎng)的強(qiáng)弱，因此高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的絕緣問(wèn)題是研究的關(guān)鍵。本文主要研究了高壓帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)地絕緣、高壓線(xiàn)對(duì)人絕緣、相間絕緣防護(hù)方法，滿(mǎn)足了高壓帶電作業(yè)任務(wù)絕緣防護(hù)的要求[2]。

1 機(jī)器人絕緣防護(hù)要求

如圖1所示，機(jī)器人絕緣主要包括以下問(wèn)題：

（1）操作人員的絕緣安全，操作人員位于絕緣斗內(nèi)穿著絕緣服，采用中間電位法作業(yè)，目前機(jī)器人可以保證作業(yè)人員的安全問(wèn)題。

（2）機(jī)器人對(duì)地絕緣問(wèn)題。機(jī)器人采用絕緣斗臂車(chē)進(jìn)行作業(yè)，如機(jī)器人平臺(tái)與地面沒(méi)有電器連接，可以保證對(duì)地絕緣。

（3）線(xiàn)路相間絕緣。金屬機(jī)械臂同時(shí)接觸兩相線(xiàn)路或從兩相中穿過(guò)都有可能造成相間短路。機(jī)械臂絕緣或邊相安裝遮蔽罩可以防止相間短路。

圖1 機(jī)器人絕緣防護(hù)要求

2 長(zhǎng)治高壓帶電作業(yè)機(jī)器人絕緣系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)對(duì)地絕緣

方法：依靠絕緣斗臂車(chē)。絕緣斗臂車(chē)廠家選用北京三興車(chē)輛有限公司；整車(chē)耐電壓（工作斗與大地之間）：105 kV/1 min；泄露電流測(cè)試：70 kV/1 min（泄露電流≤0.5 mA）。

2.2 操作人員與高壓電場(chǎng)絕緣

操作人員站在絕緣斗內(nèi)操控主手作業(yè)，操作人員與機(jī)械臂之間僅通過(guò)光纖通信，操作人員完全與高壓電場(chǎng)隔離。這是高壓帶電作業(yè)機(jī)器人作業(yè)最為突出的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 相間短路絕緣

在相-相之間，空氣間隙和絕緣平臺(tái)起主絕緣作用，絕緣遮蔽罩形成相間后備防護(hù)，因作業(yè)機(jī)械臂等電位作業(yè)，機(jī)械臂外包絕緣材料，形成最后一道防線(xiàn)，以防止機(jī)械臂偶然觸及兩相導(dǎo)線(xiàn)造成短路。

（1）機(jī)械臂絕緣

采用硅橡膠開(kāi)模具，耐壓20 kV，厚度3 mm，內(nèi)外表面光滑，無(wú)毛刺，無(wú)氣泡，密實(shí)程度好。由機(jī)械臂各構(gòu)件尺寸建立模型，根據(jù)各關(guān)節(jié)活動(dòng)的范圍，設(shè)計(jì)絕緣外殼的形狀，防止發(fā)生干涉。

（2）平臺(tái)絕緣

絕緣斗尺寸為610 mm×610 mm×1 066 mm；兩機(jī)械臂底座之間大于500 mm；為了防止高壓線(xiàn)磁場(chǎng)對(duì)機(jī)械臂伺服系統(tǒng)電源、主手電源、逆變器、OCU電源干擾，都采用絕緣材料封裝；兩機(jī)械臂伺服系統(tǒng)電源、主手電源的開(kāi)關(guān)、充電接頭、低電壓顯示、虧電顯示之間的安全距離為0.4 m；為了防止高壓電場(chǎng)對(duì)人的干擾，人與機(jī)械臂底座之間安全距離為0.4 m[3]。

絕緣平臺(tái)布置如圖2所示，主要防止平臺(tái)作業(yè)時(shí)接觸導(dǎo)線(xiàn)造成相間短路。支架采用鋼材，鋼結(jié)構(gòu)支架纏繞環(huán)氧玻璃布，平臺(tái)底面粘合環(huán)氧玻璃板。為了防止相間短路，兩機(jī)械臂都通過(guò)絕緣子與平臺(tái)連接。絕緣子耐受電壓為40 kV。

圖2 絕緣平臺(tái)布置圖

（3）邊相遮蔽

無(wú)論采用何種方式，帶電作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)中相作業(yè)時(shí)必須對(duì)邊相遮蔽。絕緣遮蔽罩是軟質(zhì)導(dǎo)線(xiàn)遮蔽罩，特點(diǎn)是在寒冷氣候下仍然能夠保持良好的柔軟性，并能抗紫外線(xiàn)及臭氧的損害[4]。

3 試驗(yàn)方法

3.1 絕緣斗臂車(chē)試驗(yàn)

（1）斗臂車(chē)絕緣臂試驗(yàn)

斗臂車(chē)絕緣臂交流耐壓試驗(yàn)采用連續(xù)升壓法升壓，檢測(cè)電極固定安裝在主絕緣臂外表面，試驗(yàn)應(yīng)在有效絕緣區(qū)內(nèi)進(jìn)行。斗臂車(chē)絕緣臂的電氣絕緣性能的試驗(yàn)電壓和持續(xù)時(shí)間如表1所示，試驗(yàn)過(guò)程中不應(yīng)有擊穿、閃絡(luò)和嚴(yán)重過(guò)熱現(xiàn)象發(fā)生。試驗(yàn)電極一般采用12.7 mm的導(dǎo)電膠帶，施加的工頻交流電壓值、沿面距離及泄露值如表2所示。

表1 斗臂車(chē)絕緣臂的交流耐壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 斗臂車(chē)絕緣臂交流泄露電流試驗(yàn)數(shù)據(jù)

（2）斗臂車(chē)整車(chē)

除對(duì)斗臂車(chē)絕緣臂外，還具有承受帶電作業(yè)電壓的膠皮管、液壓油、光纜、平衡拉桿等的作業(yè)車(chē)，整車(chē)應(yīng)進(jìn)行交流泄露試驗(yàn)，其交流泄露值應(yīng)不大于 500 μA。 所加電壓如表3所示。

表3 整車(chē)絕緣要求

3.2 絕緣機(jī)械臂試驗(yàn)

（1）交流耐壓試驗(yàn)

兩絕緣機(jī)械臂交流耐壓試驗(yàn)加壓方法為一個(gè)機(jī)械臂末端施加工頻交流電壓，另外一個(gè)機(jī)械臂末端接地。施加的交流電壓值見(jiàn)表4。機(jī)械臂和平臺(tái)之間的交流耐壓試驗(yàn)，機(jī)械臂末端施加工頻交流電壓，平臺(tái)接地[5]。施加的工頻交流電壓如表4所示。

表4 機(jī)械臂絕緣試驗(yàn)

（2）泄露電流試驗(yàn)

兩機(jī)械臂在進(jìn)行交流泄露試驗(yàn)時(shí)，其試驗(yàn)電極采用12.7 mm的導(dǎo)電膠帶設(shè)置，施加的工頻交流電壓值及泄露值見(jiàn)表4。機(jī)械臂和絕緣平臺(tái)之間進(jìn)行交流泄露試驗(yàn)時(shí)，其試驗(yàn)電極采用12.7 mm的導(dǎo)電膠帶設(shè)置，施加的工頻交流電壓值及泄露值見(jiàn)表4。

3.3 絕緣平臺(tái)試驗(yàn)

絕緣平臺(tái)交流耐壓試驗(yàn)在絕緣平臺(tái)的上下側(cè)貼錫箔紙，錫箔紙與平臺(tái)邊沿距離h不大于150 mm。絕緣平臺(tái)在進(jìn)行交流泄露試驗(yàn)時(shí)，其試驗(yàn)電極采用12.7 mm的導(dǎo)電膠帶設(shè)置，施加的工頻交流電壓值、沿面距離h及泄露值如表5所示。絕緣平臺(tái)的表面應(yīng)平整、光潔、無(wú)凹坑、無(wú)麻面現(xiàn)象和憎水。

表5 絕緣平臺(tái)外表面絕緣性能

4 試驗(yàn)結(jié)果

泄露電流試驗(yàn)要求如表6所示，交流耐壓試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表6 絕緣平臺(tái)泄露電流要求

表7 絕緣平臺(tái)交流耐壓要求

為了適應(yīng)高壓帶電作業(yè)機(jī)器人10 kV配電線(xiàn)路絕緣防護(hù)的要求，研究了機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)地絕緣、高壓線(xiàn)對(duì)人絕緣、相間絕緣方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)絕緣防護(hù)方法的可行性。在交流耐壓試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有擊穿、閃絡(luò)和嚴(yán)重過(guò)熱現(xiàn)象發(fā)生。交流泄露電流試驗(yàn)的泄漏電流都小于500 μA。整個(gè)絕緣防護(hù)方法設(shè)計(jì)合理，防護(hù)性能可靠，操作簡(jiǎn)單方便。具有很大的實(shí)用價(jià)值。

[1]戚暉.高壓帶電作業(yè)機(jī)器人絕緣防護(hù)技術(shù)研究[J].高電壓技術(shù)，2003（5）.

[2]孫迪生.機(jī)器人控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[3]嚴(yán)璋.高電壓絕緣技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[4]上海市電力公司.10KV架空配電線(xiàn)路帶電作業(yè)指導(dǎo)書(shū)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[5]邱昌容.電氣絕緣測(cè)試技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.