輸電線路帶電作業機器人的電磁分析與防護設計

李濤　程旭　趙建輝

【摘? 要】輸電線路帶電作業機器人內有許多的電磁敏感元件，在具有復雜電磁環境的輸電線路上無法穩定工作，因此對輸電線路帶電作業機器人進行電磁分析與防護設計是保證機器人可靠工作的必要條件。

【關鍵詞】輸電線路;帶電作業機器人;電磁分析;防護設計

1國內外研究現狀

目前國內外帶電作業機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器臂完成帶電作業;二是操作員在地面，機器臂隨高空云臺升入作業現場，操作員通過監視器觀察高空現場情況，操控機器臂進行帶電作業。由于第一種模式操作員仍然需要在空中電纜旁進行操作，存在觸電風險;目前的帶電機器人研發主要集中在第二種模式，即操作員在地面對空中的機器臂進行遙操作的方式。

2輸電線路帶電作業機器人本體結構

高壓輸電線路由架空地線、輸電導線、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，起到整個輸電線路的避雷作用。輸電線路長期在露天環境下不間斷運行，受暴風、雨雪、烈日等各種極端天氣的侵蝕，極易導致耐張線夾處螺栓松動，輸電線路疲勞損傷的線路問題，影響供電可靠性。根據輸電線路作業環境，本實驗團隊對輸電線路機器人整體機械結構進行設計，得到機器人三維本體結構圖如圖1所示。機器人主要包括機器人箱體，夾爪，機械臂，行走輪，作業末端等部件。通過兩個行走輪在輸電線上行走，為保證機器人在輸電線路上平穩運行，每個行走輪處都裝配夾爪。

3機箱的電磁防護設計

3.1電磁場防護標準

查閱資料發現國內外尚未有關于帶電作業機器人電磁場防護的標準，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電場強度和0.1mT磁感應強度作為公眾、職業暴露限值比國外同類標準的要求要高，因此參照其作為機器人電磁場防護的限值。

3.2機箱的屏蔽

屏蔽是用導電或導磁材料將需要防護的區域封閉起來，以抑制電磁場由一個區域對另一個區域的感應和輻射，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散射理論或者簡單的準靜態場原理來處理。一旦外部場的分布求得，內部場的解就能計算出來。由于輸電線路的工頻電磁場很強，采用單個屏蔽體無法達到好的屏蔽效果，因此采用雙層屏蔽結構。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，屏蔽效能的表達式如式1、2所示：

E1：被測設備未進行屏蔽時測得的電場強度，kV/m;

E2：被測設備采取屏蔽措施后測得的電場強度，kV/m;

SE：電場屏蔽效能，dB;

H1：被測設備未進行屏蔽時測得的磁場強度，A/m;

H2：被測設備采取屏蔽措施后測得的磁場強度，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。假設有一電磁波射向厚度為d的金屬導體表面，當電磁波到達金屬導體的第一個表面時，由于阻抗的變化，部分電磁波被導體反射，剩下的部分電磁波會進入導體，在金屬導體內進行傳播時，能量會不斷地衰減，當電磁波到達第二個表面時，又會發生反射，只有小部分的電磁波會穿過第二表面進入被屏蔽物體內。在第二表面上被反射的電磁波再次回到第一表面時將又會產生反射，如此反復循環，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入導體時被金屬導體第一個表面反射電磁波能量的反射損耗R、在金屬導體內外兩個表面之間產生多次反射的多次反射損耗B、在金屬良導體內傳播衰減時產生的吸收損耗A。當屏蔽體的金屬較厚或電磁波頻率較高時，當A>10dB時，導體的吸收損耗遠大于多次反射損耗，多次反射損耗可忽略不計。

4控制系統的電磁防護設計

4.1CAN總線抗干擾

提高CAN總線抗干擾能力，保證CAN信號的質量的方法有：（1）為避免地回流燒毀電路板、限制干擾的幅度，保護控制器不被燒毀，需在CAN接口處設置隔離并添加浪涌保護電路。致遠電子的CTM8251AT模塊不僅具有可以將CAN控制器的邏輯電平轉換為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DC2500V，并在CAN總線上設有防浪涌保護電路，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，否則受到的干擾強度就不一樣，就會導致差分信號受到干擾。通常雙絞線只有33絞/米，而在強干擾場合，要超過55絞/米才能達到較好的抗干擾效果。

4.2無線網橋抗干擾措施

提高無線網橋抗干擾的措施有：（1）無線網橋的通信頻段為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。由于機器人處在強電磁場環境，天線上感應禍合的能量會很強，有可能會超過網橋自帶濾波器的承載功率，使其燒毀。本文采取在網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物圖。（2）天線的饋線直接穿過了機箱與無線網橋連接，為提高機箱的屏蔽效率，減少饋線與外部強電磁場的感應禍合，選用具有雙屏蔽層衰減系數小的饋線，并用錫箔紙包裹饋線，使其與機箱連成一體;（3）為防止電源干擾，在網橋的電源輸入端添加電源濾波器。

5結束語

為保證機器人穩定工作，本文以輸電線路為例，首先分析了輸電線路帶電作業機器人的作業方式，然后基于等電位作業方式，從電磁干擾的三個要素出發，分析并計算了輸電線路電磁干擾源的情況，通過機箱的屏蔽來抑制干擾的禍合路徑，基于控制系統方面來提高機器人控制系統敏感源的抗干擾能力，僅供參考。

參考文獻：

[1]吳軻，張建偉，華棟，崔佩儀.高壓帶電作業機器人的現狀和發展[J].電子技術與軟件工程，2018，09：97-98.