探討變電站巡檢機器人無線充電關鍵技術

黃建力

摘要：變電站巡檢機器人智能化程度高、檢測精度高，對環境適應性強。它在變電站設備檢測中的應用越來越廣泛。現有的變電站巡檢機器人一般采用接觸式充電方式，存在很多安全隱患。然而，變電站巡檢機器人無線充電技術具有無電氣連接、無泄漏接口、無接觸火花和磨損老化問題。本文就變電站巡檢機器人無線充電關鍵技術進行了分析。

關鍵詞：變電站;巡檢機器人;無線充電

電站巡檢是保證設備安全穩定運行，提高電力系統供電可靠性的有效途徑。隨著變電站數量、規模和智能化水平的提高，人工巡檢方式越來越難以滿足要求。變電站巡檢機器人以其智能、準確的檢測方法和較強的環境適應性，逐漸開始取代人工檢測方法，成為變電站設備檢測的常用手段。

一、變電站巡檢機器人概述

目前，人工巡檢仍是變電站巡檢的主要方式，但變電站數量和規模的不斷增加，使得巡檢工作越來越繁重，對變電站運行安全穩定的要求也越來越高。特別是國家電網公司“三集五大”戰略實施后，變電站的智能化水平逐步提高，開始向無人值班變電站轉變，變電站巡檢機器人以其獨特的優勢開始進入實際應用階段。變電站巡檢機器人的巡檢對象主要是固定區域內的線路和設備，大多工作在露天。接觸式充電方式充電接口的磨損和老化容易導致充電連接失效，特別是在惡劣的天氣條件下，更容易帶來安全隱患，而無線充電技術不存在上述問題。

二、變電站巡檢機器人無線充電關鍵技術

（一）磁場屏蔽技術優化分析

鋁制外殼配合鐵氧體磁芯屏蔽作為無線充電系統的主要屏蔽方式，能夠屏蔽掉大部分的漏磁通，但是在鋁制外殼下部以及安裝孔處，仍有較大的漏磁通，尤其是機器人鋁殼下方、安裝孔和輪子等局部漏磁通較為嚴重，仍然會對系統帶來干擾以及安全隱患，影響變電站巡檢機器人無線充電的正常進行。

變電站巡檢機器人采用磁耦合諧振式無線充電技術進行能量傳遞，為了避免系統高頻漏磁通對充電穩定性的影響，要重點關注和加強磁場屏蔽方法的研究，解決變電站巡檢機器人無線充電系統的電磁干擾問題。

由于鋁制材料體現出高強度、低密度的特性，具有良好的導電性、導熱性、抗腐蝕性和抗氧化性，因而可以采用機器人鋁制外殼的屏蔽方式，在渦流效應下形成反向磁場，沖抵無線充電系統周邊的漏磁場，實現磁場有效屏蔽。同時，還搭配應用鐵氧體磁芯，提高發射和接收線圈間的耦合系數，將磁場約束在發射線圈和接收線圈之間，減少磁場能量在鋁制外殼的輻射損失，提高系統輸出功率。

對于機器人鋁制外殼下部及安裝孔處的漏磁通干擾，可以采用諧振式無功線圈屏蔽的輔助屏蔽方法，無須添加額外的電源，削減局部定點的漏磁通。通過調整串入電容值的大小，實現對屏蔽線圈阻抗值的調整。諧振式無功線圈輔助屏蔽方式能夠實現對局部定點的漏磁通的有效屏蔽，并對離屏蔽線圈越近的位置屏蔽效果越好，而對距離諧振式無功線圈較遠位置的屏蔽效果較差，可以采用移相器進行相位調整，提升和改善屏蔽效果。

（二）BP神經網絡金屬異物檢測優化技術分析

磁耦合共振無線充電技術以其安全、穩定、經濟等優點，在變電站巡檢機器人等領域得到了廣泛的應用。充電過程中，金屬雜質混入充電區會產生渦流效應，影響系統充電效率，帶來安全隱患。因此，及時檢測金屬雜質的混入是非常重要的。當無線充電技術應用于變電站的巡檢機器人等設備時，其運行狀態會受到周圍環境的影響。這是因為除了發射線圈和接收線圈之間的耦合外，系統還將與周圍的磁性介質產生耦合效應，從而影響系統的工作狀態。金屬異物與系統線圈之間的耦合會影響線圈間的磁場分布和系統的工作參數，進而對系統的能量傳輸效率和穩定性產生負面影響。

對無線充電的影響金屬異物的混入會對系統線圈間的耦合作用產生較大的影響，使線圈間的磁場分布及工作參數發生改變，降低系統能量傳輸效率和穩定性。由于無線充電系統正常工作時會在線圈間產生高頻磁場，而金屬異物的混入會產生渦流效應，增大系統發射線圈的等效電阻，降低系統發射線圈的等效電感，降低線圈間的耦合系數和傳輸效率。

可行性分析變電站巡檢機器人無線充電系統的充電過程工作狀態：（1）充電對位過程。在變電站巡檢機器人充電對位的過程中，如果有金屬異物混入則會導致發射端的電流、頻率出現變化。（2）充電過程。在變電站巡檢機器人的調頻、恒流充電、恒壓充電、涓流充電等階段中，如果存在金屬異物的混入，則會導致發射端的電流、頻率出現變化。可以引入BP神經網絡方法，對變電站巡檢機器人無線充電的不同過程進行檢測、計算和描述，通過若干個隱含層和線性輸出層處理復雜多樣的非線性問題，體現出較強的自學習、自適應、容錯性和并行計算能力。

（三）線圈優化技術分析

磁耦合諧振式無線充電利用系統電路諧振發射和接收線圈之間的強磁耦合方式，進行高效、遠距離的傳輸，可以通過控制發射端高頻逆變器開關元件的開關速度實現系統調頻，進行輸出功率大小的調節控制，無須直流斬波模塊，降低系統應用的復雜性。在應用變電站巡檢機器人的無線充電技術中，要重點考慮接收線圈和發射線圈之間的精準定位，避免兩線圈中心點不重合對系統傳輸效率的影響，發射線圈可以采用最優化參數的分束型線圈結構，優化各個線圈束包含的線圈匝數和內徑修正值，較好地改善充電區域磁場的分布狀態，減小線圈對位偏移的影響。

三、結束語

綜上所述，變電站巡檢機器人無線充電的關鍵技術主要從線圈優化、磁場屏蔽、金屬異物檢測三個技術入手進行分析，避免無線充電過程中線圈對位偏移的低效性問題，規避漏磁通對巡檢機器人正常充電的干擾和影響，并采用BP神經網絡進行金屬異物的充電檢測。后續還要進一步研究修正屏蔽線圈的抵消磁場和漏磁場之間相位差的問題，要采用移相器進行相位調整，提高屏蔽效果。

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