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★國(guó)家電網(wǎng)上海市電力公司浦東供電公司劉沁怡

關(guān)鍵詞：高壓斷路器；電氣試驗(yàn)機(jī)器人；接線裝置

高壓斷路器的電氣試驗(yàn)包括斷路器特性試驗(yàn)、回路電阻試驗(yàn)和絕緣耐壓試驗(yàn)，其中短路試驗(yàn)是檢驗(yàn)高壓斷路器能否正常分、合閘以及分合閘時(shí)間的，而絕緣耐壓測(cè)試則是檢驗(yàn)高壓斷路器的絕緣性能的^[1]。傳統(tǒng)的高壓斷路器電氣試驗(yàn)需要工作人員手動(dòng)進(jìn)行操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，并且存在安全隱患。機(jī)器人的出現(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀。隨著電力系統(tǒng)對(duì)高壓斷路器質(zhì)量要求的提高，高壓斷路器電氣試驗(yàn)逐漸采用機(jī)器人進(jìn)行。本文所研究的10kV高壓斷路器電氣試驗(yàn)機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，包含機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)等。

1　10kV高壓斷路器電氣試驗(yàn)機(jī)器人的概述

1.1　機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)構(gòu)的主體是一個(gè)機(jī)械手，它可以進(jìn)行6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，包括水平旋轉(zhuǎn)自由度、俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)自由度、左旋轉(zhuǎn)動(dòng)自由度、右旋轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的正逆轉(zhuǎn)，以及X、Y、Z向移動(dòng)和沿導(dǎo)軌移動(dòng)的自由度。這六個(gè)自由度中，有三個(gè)是直線的，三個(gè)是轉(zhuǎn)動(dòng)的，一般直線的都是用加速度計(jì)來測(cè)量，而轉(zhuǎn)動(dòng)的則是用陀螺來測(cè)量。6個(gè)自由度，其中，2個(gè)轉(zhuǎn)軸可單獨(dú)設(shè)定，但兩個(gè)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角應(yīng)相互配合，且二者的間距應(yīng)保持在允許的范圍之內(nèi)。左右轉(zhuǎn)軸間的轉(zhuǎn)角為1，這是在允許的范圍之內(nèi)。利用螺桿螺母機(jī)構(gòu)，可調(diào)節(jié)水平轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的角度，以及俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的角度。此外，在左右旋轉(zhuǎn)軸間加裝一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)，并通過馬達(dá)驅(qū)動(dòng)螺桿螺母機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)俯仰轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角的調(diào)節(jié)。該機(jī)器人的截面由高強(qiáng)度鋼材構(gòu)成，并假定其為均勻等向分布的材料。

該鉸鏈由一個(gè)連接桿和一個(gè)球狀鉸鏈構(gòu)成，可在水平方向上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并用把手來操縱連接件的動(dòng)作，這就要求有一種能把豎直移動(dòng)轉(zhuǎn)換成水平移動(dòng)的設(shè)備，使該關(guān)節(jié)能在空間中完成運(yùn)動(dòng)，并能在空間中完成運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人具有良好的空間定位能力，但是若要與周圍的對(duì)象進(jìn)行互動(dòng)，就必須要對(duì)對(duì)象進(jìn)行三維位姿的估算。鉸鏈通過滾珠絲桿完成旋轉(zhuǎn)，鉸鏈上的軌道為鉸鏈支撐平臺(tái)，采用活動(dòng)軌道和機(jī)器主體間的螺栓實(shí)現(xiàn)連接。機(jī)器人在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，就必須要改變其安裝在軌道上的滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)，從而達(dá)到6個(gè)自由度的調(diào)節(jié)。該結(jié)構(gòu)具有非線性、大變形、強(qiáng)耦合等特性，其建模、動(dòng)力學(xué)及振動(dòng)控制等問題已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

1.2　控制系統(tǒng)

本文所研究的10kV高壓斷路器電氣測(cè)試機(jī)器人控制系統(tǒng)，主要包括上位機(jī)、下位機(jī)和通信接口3個(gè)部分。其中，上位機(jī)主要完成對(duì)機(jī)器人的位置、狀態(tài)等信息的實(shí)時(shí)采集，并向下位機(jī)傳送；下位機(jī)主要完成對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和操作，并通過主機(jī)的反饋來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的控制；通信接口部主要負(fù)責(zé)通信接口與PC機(jī)之間的通訊。最后，在此基礎(chǔ)上，利用減速機(jī)將驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)至各移動(dòng)軸，從而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)各移動(dòng)軸的控制。如圖1所示。

圖1 10kV高壓斷路器電氣測(cè)試機(jī)器人控制系統(tǒng)技術(shù)部分

在此基礎(chǔ)上，控制系統(tǒng)利用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制。在上位機(jī)上，主要有三個(gè)接口：任務(wù)管理接口、數(shù)據(jù)顯示接口和軌跡顯示接口。其中，任務(wù)管理接口主要是對(duì)操作人員的工作任務(wù)和操作人員的工作狀態(tài)進(jìn)行顯示；數(shù)據(jù)顯示接口主要是對(duì)機(jī)械手的當(dāng)前位置、角度和速度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；軌跡顯示接口主要是對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行顯示，并對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。控制面板上有定時(shí)器（包括設(shè)定時(shí)間、測(cè)試時(shí)間、誤差時(shí)間，精度為0.01秒）、啟動(dòng)按鈕和時(shí)間顯示開關(guān)按鈕。

在PC機(jī)上，利用PC機(jī)上的可編程軟件，將控制程序編制好后，傳送到下位機(jī)。而下位機(jī)則是通過PC機(jī)所編制的控制程序來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人手臂的控制。在此基礎(chǔ)上，利用下位機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行串行通訊，并將所獲得的操作數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。當(dāng)這一切都結(jié)束后，機(jī)器人開始活動(dòng)，表示它的初始啟動(dòng)工作已經(jīng)結(jié)束，并且開始不停地向服務(wù)器詢問有關(guān)任務(wù)的信息，以便它能夠在第一時(shí)間投入到任務(wù)中。連接到云服務(wù)器上的機(jī)器人，在收到任務(wù)指令以后，就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入到任務(wù)欄中，并從中提煉出一些關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，之后再去處理相關(guān)事宜，通過對(duì)任務(wù)進(jìn)行分析、處理，將其分成若干個(gè)子任務(wù)，并將其發(fā)送給相應(yīng)的URLs。

2　10kV高壓斷路器電氣試驗(yàn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

本文針對(duì)10kV高壓斷路器電力測(cè)試的特點(diǎn)及需要，研制了10kV高壓斷路器電力測(cè)試機(jī)器人^[2]，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型的測(cè)試機(jī)器人。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)變形、位移、加載等全過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，并可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互及自診斷，具有多功能、大范圍、高精度等特點(diǎn)。

2.1　機(jī)器人機(jī)械臂部分

試驗(yàn)機(jī)器人的機(jī)械手主要包括兩只機(jī)械手和一只轉(zhuǎn)盤。一只機(jī)械手是腔鏡的手臂，另外一只機(jī)械手是工作器械，轉(zhuǎn)盤是工作器械上的牽引，打開工作視野，讓工作器械移動(dòng)。其中，前臂為六節(jié)，后臂為四節(jié)。第一個(gè)六肢式機(jī)械手是與控制裝置相連接的，可360度轉(zhuǎn)動(dòng)；第二個(gè)六自由度機(jī)械手為旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，與控制裝置相連接，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手0度、60度、90度、180度的轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)為可伸縮式旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，其旋轉(zhuǎn)角度可隨時(shí)間變化而變化。該旋轉(zhuǎn)平臺(tái)有很好的柔韌性，既能確保機(jī)械手臂不會(huì)受到撞擊或損傷，又有很好的剛度。該轉(zhuǎn)臺(tái)可使多個(gè)零件以多種不同的角度轉(zhuǎn)動(dòng)，以適應(yīng)開關(guān)電器測(cè)試中多種零件的轉(zhuǎn)角變化的需要。該機(jī)構(gòu)利用模塊化設(shè)計(jì)思想，把各個(gè)模塊分別裝在一個(gè)轉(zhuǎn)盤上，由馬達(dá)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤來完成機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)。該轉(zhuǎn)盤能360度轉(zhuǎn)動(dòng)，能滿足斷路器在測(cè)試過程中各元件間的夾角變化的需要。本機(jī)將其外形與工作臺(tái)相配合，以達(dá)到自動(dòng)操作的目的，能很好地滿足不同行業(yè)的需要。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于電控－分控轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子控制方法，從而減少了轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和重量，提高了轉(zhuǎn)子的可靠性。

2.2　傳感器部分

傳感器部分由電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器組成。機(jī)器人手臂上設(shè)置了電流、電壓、溫度等傳感器，這些傳感器可對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)通訊網(wǎng)絡(luò)傳送給控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對(duì)傳感器測(cè)量到的溫度進(jìn)行自動(dòng)采集、保存，并將其傳送到微機(jī)進(jìn)行處理，從而獲得原始數(shù)據(jù)。采用一根電線連接到機(jī)器人手臂上，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在機(jī)械手內(nèi)部裝有一個(gè)溫度傳感器，用來監(jiān)控機(jī)械手內(nèi)部的溫度變化。開關(guān)在開、關(guān)過程中，由于開關(guān)內(nèi)部溫度的改變，使開關(guān)系統(tǒng)產(chǎn)生溫升。在傳感器收集到了溫度信號(hào)之后，再通過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)其進(jìn)行處理，把它轉(zhuǎn)化為與接口要求相一致的數(shù)字信號(hào)。之后，再通過數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)上載，由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)展開分析、處理、判斷，并按照預(yù)定的約束條件，向執(zhí)行終端發(fā)送控制命令。這種方式使用了閉環(huán)控制方式，從而提高了系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。該系統(tǒng)可對(duì)斷路器內(nèi)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。斷路器的工作環(huán)境惡劣，極易引起非正常的溫度升高，為了確保其正常工作，必須對(duì)其進(jìn)行定期的檢測(cè)。斷路器是一種高電壓裝置，在運(yùn)行過程中，其內(nèi)的金屬元器件可能會(huì)由于電流渦流的存在而形成過熱，并由此導(dǎo)致不正常的室溫升高。為此，人們研究了一款電阻溫度傳感器（如圖2所示），其核心部件為一個(gè)平面形式的Hotdisk探頭。該探頭既可作為電阻熱也可作為水質(zhì)傳感器，當(dāng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，在探頭上裝入一穩(wěn)恒電流，隨著探頭電流的變化，將會(huì)在探頭兩端形成電壓差。

圖2 鉑熱電阻溫度傳感器

3　10kV高壓斷路器電氣試驗(yàn)機(jī)器人接線

裝置的實(shí)現(xiàn)本文提出的10kV高壓斷路器電氣試驗(yàn)機(jī)器人接線裝置，采用了機(jī)器人技術(shù)和PLC控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下高壓斷路器電氣試驗(yàn)過程的自動(dòng)化^[3]。

根據(jù)10kV及以下等級(jí)斷路器電氣試驗(yàn)要求，本文提出了一種適用于10kV及以下等級(jí)斷路器電氣試驗(yàn)的機(jī)器人接線裝置，包括傳感器、電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、通信接口和電源模塊等。其中，傳感器主要用于監(jiān)測(cè)斷路器本體的電壓和電流信號(hào)，為后續(xù)的PLC控制提供數(shù)據(jù)支撐；電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊主要將傳感器采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)；通信接口模塊用于接收機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)送來的指令，并將采集到的電壓信號(hào)傳送給PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；電源模塊用于為整個(gè)系統(tǒng)提供電能。

該接線裝置使用一種PLC控制系統(tǒng)作為系統(tǒng)核心，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、響應(yīng)速度快、易于維護(hù)等特點(diǎn)。機(jī)器人接線裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，具有較高的通用性和可擴(kuò)展性。采用PLC控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓斷路器電氣試驗(yàn)過程的自動(dòng)化控制。

3.1　電壓電流模塊

高壓斷路器本體的電壓和電流信號(hào)是整個(gè)接線裝置的關(guān)鍵信號(hào)。傳統(tǒng)的高壓斷路器電氣試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)人員需要穿著絕緣靴，通過絕緣拉桿將斷路器本體固定在相應(yīng)的位置上，連接數(shù)條試驗(yàn)接線，操作各種復(fù)雜的試驗(yàn)儀器，再進(jìn)行高壓試驗(yàn)得到試驗(yàn)結(jié)果。這種方法需要進(jìn)行多次絕緣測(cè)試，且操作復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)。在接線裝置中，由于試驗(yàn)過程中高壓斷路器本體不接觸地，只接觸絕緣靴和絕緣拉桿，因此采用傳感器對(duì)高壓斷路器本體的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為保證試驗(yàn)過程的安全性，傳感器采用兩路獨(dú)立電源供電的方式：一路用于監(jiān)測(cè)高壓斷路器本體電壓和電流信號(hào)，另一路用于監(jiān)測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)。

3.2　電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊

在電纜線路中，信號(hào)的衰減以及信號(hào)的延遲，都會(huì)影響遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)男ЧＤ壳埃h(yuǎn)距離傳輸技術(shù)主要有兩種，分別是光纖傳輸和無線通信傳輸。

光纖傳輸具有抗干擾能力強(qiáng)、距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但是存在價(jià)格昂貴、施工難度大和維護(hù)困難等問題。無線通信技術(shù)具有成本低、速度快、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是存在安裝維護(hù)不便和布線困難等問題。

本文提出了一種采用無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)姆桨浮o線通信技術(shù)主要包括Wi-Fi技術(shù)和ZigBee技術(shù)兩種類型。Wi-Fi技術(shù)是一種基于IEEE802.11協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是：支持網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、多設(shè)備支持、支持快速反應(yīng)和無線連接；ZigBee技術(shù)是一種基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的低功耗無線局域網(wǎng)協(xié)議，其特點(diǎn)是：低功耗、低成本、高可靠性和高效率。該裝置采用Wi-Fi作為無線通信方式，ZigBee作為無線通信方式。ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持自組織組網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)。該裝置采用了一個(gè)基于ZigBee協(xié)議的控制器和多個(gè)傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器本體的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行采集和控制。

3.3　通信接口模塊

通信接口模塊的主要功能是將采集到的電壓信號(hào)傳送給PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)接收PLC發(fā)出的指令，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集和處理^[4]。

通信接口模塊采用了RS485總線傳輸方式。PLC接收到上位機(jī)發(fā)送來的指令后，先將指令轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再將數(shù)字量通過RS485總線發(fā)送給PLC的A/D模塊；在A/D模塊中對(duì)采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行處理后，再通過RS485總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC；PLC接收到A/D模塊傳輸來的數(shù)字量后，先進(jìn)行存儲(chǔ)操作，然后根據(jù)存儲(chǔ)結(jié)果確定是否繼續(xù)下一步操作；如果繼續(xù)下一步操作，則由PLC發(fā)出指令進(jìn)行下一步操作。PLC接收到上位機(jī)發(fā)送來的指令后，先將數(shù)字量通過RS485總線發(fā)送給上位機(jī)，然后將采集到的電壓信號(hào)通過RS485總線發(fā)送給上位機(jī)。在通信過程中，RS485總線和A/D模塊之間使用了屏蔽雙絞線進(jìn)行通訊連接。該通信接口模塊能有效提高通信可靠性和抗干擾能力。

3.4　電源模塊

電源模塊是整個(gè)裝置的核心，采用開關(guān)電源方式為整個(gè)裝置供電，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。該電源模塊采用雙路交流輸入，分別輸出220V、24V和5V的電壓，其中220V的輸入電壓可以直接連接到斷路器本體。

雙路交流輸入的基本原理，就是分兩路輸出。一條電路輸出220V的交流電壓，另起一條電路輸出24V的交流電壓，用于為整個(gè)裝置提供用電。為了提高斷路器本體試驗(yàn)時(shí)的安全性，需要對(duì)斷路器本體進(jìn)行控制和保護(hù)。通常情況下采用斷路器本體上安裝繼電器等保護(hù)裝置，但由于斷路器本體是基于開關(guān)方式工作的，不能保證其完全不受開關(guān)動(dòng)作影響。因此需要在B路和C路經(jīng)PLC控制后輸出的直流電源中接入相應(yīng)的保護(hù)電路。

4　結(jié)論

高壓斷路器作為電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其電氣試驗(yàn)具有危險(xiǎn)性高、難度大等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的人工試驗(yàn)方法無法滿足高壓斷路器電氣試驗(yàn)的需要。本文提出了一種10kV及以下等級(jí)高壓斷路器電氣試驗(yàn)機(jī)器人接線裝置，該裝置具有自動(dòng)化程度高、現(xiàn)場(chǎng)安裝便捷、接線簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，能有效提高試驗(yàn)效率和準(zhǔn)確性。隨著技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)高壓斷路器電氣試驗(yàn)需求的增加，機(jī)器人技術(shù)必將在高壓斷路器電氣試驗(yàn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，將有效提高高壓斷路器電氣試驗(yàn)效率和準(zhǔn)確性，為國(guó)內(nèi)電氣試驗(yàn)機(jī)器人接線產(chǎn)業(yè)帶來了廣泛的應(yīng)用前景。

作者簡(jiǎn)介：

劉沁怡（1988-），女，廣東中山人，中級(jí)工程師，本科，現(xiàn)就職于國(guó)家電網(wǎng)上海市電力公司浦東供電公司，研究方向是電氣試驗(yàn)。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年3月刊