高壓開關柜遠程局放試驗可操作機器人設計

張言鋮　狄啟飛　王秀境　黃浩

摘要：高壓開關柜是輸變電系統的重要設備，其安全穩定運行對變電管理工作產生深遠影響。本文首先分析高壓開關柜中傳統局放測試存在的缺點，其次提出設計可操作機器人的技術方案，通過硬件與軟件部分的結合使用，對機器人系統中機器臂與視覺定位模塊進行優化，使得機器人能夠高效完成局放測試工作。最后項目取得顯著成果，對高壓開關柜的安全測試提供了技術保障。

關鍵詞：高壓開關柜;遠程局放試驗;可操作系統;機器人設計

前言：

現階段，在10kV、35kV高壓開關柜局放試驗中，多使用人工手持超聲波探測儀方案。然而，該種方案經過證實具有一定危險性，會造成人員意外傷亡。隨著人工智能技術發展，可設計機器人遠程操作系統，以機器人技術代替人工，確保局放試驗工作具有較高的安全性與可控性。本文對局放機器人系統設計進行研究，基于ROS機器人操作系統，對遠程控制方案進行完善，相關內容如下：

1項目提出的背景

開關柜是重要電氣設備，其中包括儀表、自控、磁力開關、各種接觸器等，分為高壓室開關柜與低壓室開關柜。其主要作用是控制與保護電力系統中的設備。在高壓開關柜的具體運行中，會存在局部放電現象，對絕緣介質的性能造成不良影響。目前，在高壓開關柜局部放電測試中采取的方案是人工操作，其主要缺陷是勞動強度大和安全系數低。針對開關柜局放測試中存在的主要問題，本項目研發了機器人遠程操作系統。

2機器人遠程系統的主要設計思路

2.1系統主要構成與功能實現

本設計方案中，對機器人硬件部分進行了優化設計，通過機器人元件、相機、微機、無線AP、控制器與外接設備之間的配合應用，為控制目標實現提供了支持。通過對上述硬件部分的合理連接和配合使用，機器人系統操作更加穩定，能夠做好局放試驗作業。系統硬件詳細情況見表1：

根據表1，在遠程控制機器人設計中，以TurtleBot 3 Burger作為系統的主體部分，其中機器人主體能夠承受的最大重量為15Kg。在具體設計方案中，相關人員在主體平臺上設計了十字型滑臺，在滑臺結構的頂端設計有局放儀夾具。該種設計方案能夠確保局放儀探頭結構朝向X軸或Y軸方向移動，而在z軸方向的移動主要依靠機器人主體。

機器人遠程控制系統的軟件部分包括操作系統、機器人系統、視覺系統、深度相機SDK與交互系統。其中操作系統為Ubuntu 16.04;機器人系統為ROS Kinetic;視覺系統使用了OpenCV-2.4.13;交互系統版本是OpenNI 2.2.0。此外，在機器人的主體結構中設計了無線AP、機載小型微機和深度相機，相關部分的設計主要是為無線設備的連接提供技術支持，通過相關硬件部分的配合，實現遠程控制目標。

2.2機器臂與視覺定位

在項目測試中，為確保機器臂末端能夠到達開關柜指定位置，將機器人手臂設計了2個自由度，確保下半臂中心位置與開關柜中心對齊，同時優化長度參數。為確保操作定位準確，本系統設計中也使用了柔性連接裝置，實現對機器人定位偏差的合理糾正。項目開發了帶有5個自由度的機器人裝置，在其控制單元上增加了機器臂運動軌跡算法，同時采用了C+ +開發語言，使得機器人運動軌跡更加合理，完成局放測試工作。

為確保機器人能夠準確到達放電測試點，首先需要對機器臂的坐標進行設計，對測試工作中的三維坐標進行分析，并利用無線射頻識別和磁導航裝置，提高機器人定位精準度。在具體測試環節，通常情況下，需要將定位誤差控制1cm之內。但是，在對開關柜的縫隙進行定位時，系統要求的精確度更高。為滿足最新要求，相關人員需要利用雙目視覺定位技術，通過與傳感裝置的配合，完成對機器人停靠誤差的合理補充。

本次系統設計中，對高壓開關柜局部放電檢測的主要方法是超聲波，由于不同廠家生產的超聲波獨立傳感裝置的規格存在不同，在使用過程中，需要做好監測端與數據處理端的集成化設計，使得內部傳感器結構更加合理，為后期安裝與使用提供便利。

2.3機器人應用測試

傳統模式下，高壓開關柜的局放故障的測試方式為人工，檢測人員需要手持專業檢測設備完成這一工作。為確保檢測結果準確性，相關人員需要在正式工作前對設備進行校正處理，并做好各種安全防護。實際工作中，相關人員需要做好總體檢測與局部測試，使得局部放電問題被及時發現。這一檢測方式對人工產生的依賴較為嚴重，需要相關人員具有較強的專業技能與豐富經驗，并且檢測時間較長，無法滿足目前高壓開關柜的測試要求。

本項目開發設計了遠程控制的機器人系統，完成對15個試點開關柜的測試工作。在具體測試環節，相關人員在擬定路徑內側約6cm的位置安裝了無線射頻識別標識，將其作為機器人停靠位置。同時根據不同開關柜的測試要求，設計了多個停靠點與充電區。技術人員將超聲波掃描軌跡與地點波檢測點布設在開關柜上，將機器人行進速度調整到30cm/S，確保其有效完成測試任務。當測試作業完成后，機器人進入到充電區。本次測試結果顯示，每臺開關柜的測試時間為3min，測試任務完成花費了1小時15分鐘。與人工測試比較，機器人工作效率明顯提升，并且檢測工作更加安全可靠。

結束語：

本文研究了高壓開關柜局部放電測試相關內容，設計了可操作機器人，用于解決傳統人工測試存在的弊端。遠程可操作機器人使用后，局放測試工作開展更加快速安全，為線路檢修工作提供了便利。機器人系統應用后，也能夠在早期識別絕緣子安全隱患，對減少高壓開關柜故障產生了有益影響。

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