摘要：为了提高带电作业的自动化水平和安全性，减轻操作人员的劳动强度和强电磁场对操作人员的人身危害，从上世纪80年代起许多国家都开展了带电作业机器人的研究，如日本、西班牙、美国、加拿大、法国等。针对目前我国10kV线路带电作业工艺要求，以及作业环境的特点，研制一台能够最大限度地满足现场作业环境要求的高压带电作业机器人，该机器人可以代替人工完成作业频率较高的带电断线、带电接线等作业任务，减轻作业人员的劳动强度，使作业人员与高压电场完全隔离，最大限度地保证作业人员的安全。
关键词：10kV配网高压线路；带电抢修作业；主从控制机器人
引言
对传统的10kV配电线路抢修作业进行分析可知，其不仅需要全线停电，而且还需人为检查线路故障，在增加维修成本的同时，也为地区人们的生活带来了较大不便。基于此，将10kV配电线路带电抢修作业机器人引入线路的故障处理过程中，确保供电持续性的基础上，提高线路抢修的可靠性和安全性，具体设计如下。
1 配电网带电作业的特点
在配电线路的带电作业中，由于配电网络的高压低，三相导线之间的空间距离小，而且配电设施密集，作业范围窄小，在人体活动范围内很容易触及不同电位的电力设施。因此，作业人员身穿屏蔽服、直接接触带电体的等电位作业方式在配电网的带电作业中不宜采用，其原因如下：（1）可能造成相间短路。当带电体没遮盖或遮盖不全时，身穿屏蔽服的作业人员在相间作业（如修补导线）时，若动作幅度大，就可能同时接触两相带电体，屏蔽服的金属网会导致相间短路，较大的相间短路电流将通过屏蔽服。不仅造成设备短路，而且会因短路电流超过屏蔽服通流容量（J型屏蔽服为5A、||型为30A），直接造成人员伤亡事故；（2）可能造成相对地短路。在线路杆塔上进行更换绝缘子、横担等作业时，若作业人员穿戴全套屏蔽服，采用等电位作业方式，身体的不同部位有可能同时接触带电体和接地体，形成单相接地。尽管6～10kV系统是采用中性点不接地方式，但若线路较长或接有一定长度的电缆，三相电容电流也会超过屏蔽服的通流容量，造成人员伤亡事故。
2 带电抢修机器人系统构成
对带电抢修机器人进行分析可知，其主要包括了整体作业平台、折叠伸缩绝缘手臂以及移动汽车和控制装置等部分，其中，整体作业平台主要由绝缘斗以及机械手臂绝缘子支承和机器人操作系统构成，其功能主要是为抢修人员提供作业平台。折叠伸缩绝缘手臂设定在移动汽车底盘，主要任务将运送机器人作业平台至线路作业的具体位置。移动汽车主要负责运送其他三部分到具体故障地点进行线路抢修，而控制装置则主要由上、下两部分组成，其中，上部控制装置位于机器人作业平台中，具有全方位操作手柄，实现绝缘斗内部的流畅操作，下部控制装置则位于回转塔处，设有上部控制装置切换按钮，实现上下两部分控制装置的功能切换。带电抢修作业机器人是一个复杂的系统，按功能分为四个模块：主从操作液压机械臂、机器人专用升降系统、机器人专用作业工具和绝缘防护系统。
3 10kV配电线路抢修作业机器人专用作业工具
3.1 绝缘防护
绝缘防护是确保机器人能否正常作业的基础和前提。多数情况下，应采用多级绝缘防护系统确保机器人和操作人员的安全，其中，一级防护下，平台由缠有环氧玻璃布的绝缘钢结构支架进行焊接而成，并在底部粘有绝缘环氧玻璃板，并将绝缘套予以外包，避免相间短路情况发生。二级防护下，机器人的带电作业依赖绝缘斗臂车为操作人员提供对绝缘防护，确保操作人员安全；三级防护下，位于绝缘斗中的操作人员对机械臂进行远程操控，使其夹持专业工具进行高压线路作业，确保操作人员的人身安全。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在带电抢修机器人作业方面，2013 年在黑龙江电力公司 10kV 配电线路中进行多次上线运行与下线测试，在现场的多次调试与系统优化后，作业机器人各项功能均得到了良好改善，黑龙江电力公司带电作业班多次应用带电机器人对省内 10kV 高压电线路进行抢修作业，较好地完成了剥皮、加盖遮蔽罩以及接线和断线等工作。
3.2 机器人自动剥皮工具设计
架空导线长期裸露在外面，受外界恶劣环境的影响，外层绝缘层很难被剥除，这给高压带电作业带来很大困难，也增加了作业不安全因素。现有高压带电作业所用剥皮器大都是手动操作，绝缘防护差、效率低，对操作者仍然存在极大的不安全因素。因此，设计适合高压带电作业机器人操作得自动剥皮器，要求结构简单、便于机器人操作、作业效率高等特点。电动剥皮工具主要由直流减速电机、曲柄、连杆、摇杆、棘爪、棘轮、刀头等几部分组成。在国家电网电力机器人实验室搭设架空导线，现场模拟实现自动剥皮功能。试验证明，该机器人自动剥皮器便于机械手夹持操作、压线牢固可靠，能够实现自动剥皮功能，剥皮速度遥控可调，剥皮效果良好，完全符合高压带电作业机器人作业要求。
3.3 机器人工具系统设计
电动剥皮器主要由直流减速电机、曲柄、连杆、摇杆、棘爪、棘轮、刀头等几部分组成。系统特点如下：直流减速电机驱动曲柄，通过连杆带动摇杆和棘爪一起运动，棘爪拨动棘轮和刀头完成刀具的圆周运动。双弹簧保证棘爪在传动位置/开口位置保持同一姿态；工具轴向进给力由机械臂提供；凸轮机构将压线与压刀动作合二为一，由另一个机械手完成；工具采用无线遥控，嵌入式控制系统控制工具正反转及加减速；考虑工具瞬时过载，对电源要求较高，采用12 V电动扳手电池，电路设计反接、过流保护；工具控制器与遥控电动扳手可互换，工具颜色与电动扳手基本一致，便于今后工具系列化。电动扳手、电动破螺母工具、电动断线钳是高压带电作业机器人重要的专用作业工具，其主要功能是安装、拆卸需要检修的高压带电作业绝缘子及其他接续工具。目前应用的工具多是手动控制，为了适应高压带电作业机器人应用的要求，研制了一套以Atmega128作为主控制器的新型无线控制工具，满足了高压带电作业任务的要求。
3.4 自动破螺母与电动断线钳
对于 10kV 高压线路中已生锈或是无法拆卸的螺母，应以电动破螺母为主要工具进行操作，其主要由电动机、传功机构以及工作头、电源开关和外壳、手柄、电池等相关部件构成。电动破螺母将高能量电池作为其主要动力来源，不仅重量较轻，而且对于输配电杆塔的高空作业也具有较强的适应性。通常，自动破螺母工具设计较为紧凑，且使用较为便利能够对破螺母的大小予以调节，从而以360°可旋转工作头支持机器人不同破螺母作业角度的运转。在电动断线钳方面，其主要由电动机、传功机构以及工作头、电源开关和外壳、手柄等部分构成，电动断线钳的使用应以夹持操纵的便利性为主，并在断线钳工具中设计专门的机械手夹持机构，并将控制盒置于电动断线钳传统部分的尾部，从而实现断线钳的远程遥控。
结束语
10kV配电线路带电抢修作业机器人的研制成功，不仅对我国配电线路作业方式产生积极变革作用，而且证实了在我国配电线路上利用高压带电作业机器人进行带电作业是完全切实可行的，更为高压带电作业机器人项目今后进一步的开发、产品化推广奠定了坚实的理论和试验基础，积累了宝贵的设计和工艺经验。文章通过对带电抢修机器人系统构成进行阐述，并对带电抢修作业机器人液压机械臂构成及其控制系统原理予以说明，分别从自动剥皮、自动电动扳手、自动破螺母与电动断线钳和绝缘防护等方面对10kV配电线路抢修作业机器人专用作业工具做出了系统探究。研究结果表明，10kV配电线路抢修作业机器人能够较好地实现对10kV线路的各类优化作业，具有良好的使用和推广价值。
参考文献：
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论文作者:任立军
论文发表刊物:《电力设备》2017年第20期
论文发表时间:2017/11/14
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