一種配電網高低壓開關操作機器人的研制及應用

牛景光 李國成 馮忠奎 顏炳輝 郭杰婷

（國網山東省電力公司淄博供電公司，山東淄博255000）

0 引言

分合斷路器或負荷開關是配網停電檢修工作中最危險的環節，根據當前狀態檢修和供電可靠性要求，停電檢修時間被壓縮，運行人員難以掌握開關的健康狀況。但是，配網中不帶遠方遙控功能的設備仍占絕大多數，分合此類設備時只能依靠就地操作方式。配網設備停電檢修、新設備投運時，無論是使用電動操作按鈕，還是手動操作把手，就地操作配電設備的斷路器（配電室高壓斷路器、配電變壓器低壓總斷路器、環網柜斷路器）、負荷開關（環網柜、電纜分支箱）、隔離開關、接地刀閘時，容易引起開關爆炸，電弧傷人的事故時有發生[1-2]。

目前，運行人員在操作開關前尚不能準確判斷柜內開關的健康狀況，一旦發生開關爆炸事故，只能依賴柜門保護人員的人身安全，但是瞬間爆轟的電弧往往會引燃運行人員，造成人身傷亡事故。另外，開關設備母線或者進線電纜頭帶電，一旦操作過程中發生了接地故障，工作人員距離設備僅1 m左右，小于《國家電網公司電力安全工作規程（配電部分）》規定的距離，易引發人員觸電事故。目前遙控機器人在輸變電領域已有應用[3]，國內外對配電網高低壓開關操作機器人也進行了部分研究，但是它屬于專用設備，僅針對某一類型開關柜，適用范圍小[4-6]。因此，研制一種具有普適性的輔助操作工具，代替工作人員執行分合開關操作，保護運行人員的人身安全十分必要。

本文研制了一種配電網高低壓開關操作機器人，針對目前配網檢修中的分合開關過程，可以代替運行人員執行柜前操作，保證人身安全，實現斷路器（負荷開關）、隔離開關、接地刀閘的分合操作（旋轉一定的角度）和搖入、搖出小車開關的操作，能夠匹配多種類型的操作把手操作多類型設備，通過現場試驗驗證了機器人的可靠性和安全性。

1 高低壓開關操作機器人結構與原理

1.1 機器人結構

該機器人集就地電動操作和就地手動操作功能于一體，具備過流保護功能，由遙控模塊、電源模塊、電動操作模塊、手動操作模塊四部分組成，總體結構如圖1所示。

圖1 機器人結構

該機器人操作采用無線遙控方式，使用遙控器控制電源模塊的通斷。電源模塊由24 V直流電源、無線接收元件、雙限流元件串聯組成，其中限流元件采用自恢復式熔斷器。電動操作模塊由開關、電磁鐵基座、萬向臂和電動按鈕組成。電動按鈕與電源模塊連接，在電路連通時動作，用以按壓配電設備的電動操作按鈕；萬向臂兩端各自連接電動按鈕和電磁鐵基座，可以360°旋轉；開關控制電磁鐵基座的磁性。機器人各模塊的實體圖如圖2所示。

圖2 機器人各模塊實體圖

1.2 就地電動操作原理

電動操作原理即遙控機器人電動按鈕完成按壓動作，代替工作人員按壓設備的分合閘按鈕；使用電動模塊開關控制電磁鐵基座磁性，使之可以穩定吸附在柜體表面；將萬向臂調整至合適位置，使得電動按鈕正對分合閘按鈕，使用遙控器開關控制電源通斷，從而控制電動按鈕完成操作過程。

1.3 就地手動操作原理

就地操作原理即遙控機器人轉動部分帶動設備操作把手旋轉，代替工作人員完成開關分合操作。三足支架提供支撐，并能夠調節高度適應不同位置的開關；直流步進電機提供旋轉動力，通過減速器輸出，轉動旋轉桿，每次連通電路時自動旋轉180°；旋轉桿可以匹配多種操作把手，以完成不同類型開關的操作；同時附有限位器，固定限位器至合適角度，當旋轉桿旋轉角度超過180°自動斷開電源。

2 機器人操作方法

高低壓開關操作機器人的現場應用，可以根據現場設備情況選擇相對應的電動操作方式或手動操作方式。連通機器人電路，設備接地之后，兩者操作步驟如下：

電動操作：（1）打開電動操作模塊開關；（2）將基座吸附在需要操作的分合閘按鈕附近；（3）調整萬向臂使得電動按鈕正對分合閘按鈕，擰緊萬向臂螺栓；（4）保持安全距離，按下遙控開關。

手動操作：（1）安裝設備操作把手至旋轉臂；（2）調整支架至合適高度；（3）根據旋轉角度安裝限位器；（4）保持安全距離，按下遙控開關。

3 高低壓開關操作機器人試驗驗證

3.1 可靠性驗證

本文選取4種類型環網柜，2種類型開關柜進行有效性驗證，現場測試如圖3所示。

圖3 機器人現場測試圖

就地電動操作，每種設備測試50次，試驗數據如表1所示。

表1 就地電動操作試驗結果

根據試驗結果可知，電動操作50次全部成功，成功率達100%。

選取不同地點的高壓斷路器、低壓斷路器、負荷開關、隔離開關、接地刀閘進行就地手動操作試驗，每類開關設備測試50次，試驗數據如表2所示。

就地手動操作試驗成功次數在48～50次，成功率均在96%以上。兩輪試驗表明機器人能可靠完成就地操作。

3.2 安全性驗證

本文從3個方面驗證操作機器人的安全性，包括機器人自我保護、人身安全。

表2 就地手動操作試驗結果

3.2.1 機器人自我保護

該機器人電源模塊外殼為液態硅橡膠，具有高耐磨性和絕緣性，可以有效保護電源器件。電路設有10 A和25 A雙限流元件，可在機器出現故障或其他造成電流迅速增大的情況時斷開電路，有效保護機器人組件。本文使用直流電源發生器測試安全性，設置電壓為24 V，設置直流電流10～30 A，分別測試50次，記錄電路斷開結果如表3所示。

表3 電路斷開結果

由表3測試結果可知，電流12.5 A以上時，元件可以100%斷開電路，電流10 A時成功率為90%，分析認為是因電源穩定性和環境溫度引起的差異。設備短路或者旋轉機構卡澀時電流均迅速升高，不會穩定保持在10 A，認為電源可以在過流時自動斷開，保證機器人電路安全。

如果機器人電機失控一直旋轉，不僅損傷機器人本體，也威脅開關設備。因此，設計加入限位器，可以在旋轉臂旋轉超過180°時自動斷開電路，保護機器人和設備安全。

3.2.2 人身安全

機器人操作過程中的人身安全威脅主要來自兩方面：設備爆炸和接地故障。

本文經過對多起事故視頻和案例進行總結分析可知，設備爆炸主要針對柜門方向并且沖擊和火焰衰減明顯，對4 m以外或者側面的人員威脅很小。

根據《國家電網公司電力安全工作規程（配電部分）》規定，室內、室外10 kV設備接地時人員須遠離接地點4 m、8 m以上，可以認為配電設備發生接地時室內和室外人員的安全距離為4 m和8 m以外。機器人遙控模塊采用紅外發射和接收方式，理論最遠遙控距離為15 m。固定電源模塊，設置5～20 m不同的遙控距離測試機器人動作成功率，結果如圖4所示。

圖4 不同遙控距離測試的機器人動作成功率

由圖4測試結果可知，12 m內機器人遙控成功率達100%，在室外安全距離以外，可以認為機器人操作能保證工作人員的人身安全。

4 結語

本文創新性研究了一種適用范圍廣的配電網高低壓開關操作機器人，具有以下創新點：（1）可以遙控分合配電網高低壓開關電動操作按鈕；（2）可以遙控操作手動操作把手分合配電網高低壓斷路器、負荷開關、隔離開關、接地刀閘；（3）可以遙控搖出或搖入高壓開關、低壓總開關。此外，本文試驗驗證了該機器人的安全性和有效性，具備良好的應用前景和推廣價值。