★国家电网上海市电力公司浦东供电公司刘沁怡

关键词：高压断路器；电气试验机器人；接线装置

高压断路器的电气试验包括断路器特性试验、回路电阻试验和绝缘耐压试验，其中短路试验是检验高压断路器能否正常分、合闸以及分合闸时间的，而绝缘耐压测试则是检验高压断路器的绝缘性能的^[1]。传统的高压断路器电气试验需要工作人员手动进行操作，劳动强度大，并且存在安全隐患。机器人的出现改变了这一现状。随着电力系统对高压断路器质量要求的提高，高压断路器电气试验逐渐采用机器人进行。本文所研究的10kV高压断路器电气试验机器人采用模块化设计，包含机械结构、控制系统等。

1　10kV高压断路器电气试验机器人的概述

1.1　机械结构

机构的主体是一个机械手，它可以进行6个自由度的运动，包括水平旋转自由度、俯仰转动自由度、左旋转动自由度、右旋转动自由度和旋转电机驱动的正逆转，以及X、Y、Z向移动和沿导轨移动的自由度。这六个自由度中，有三个是直线的，三个是转动的，一般直线的都是用加速度计来测量，而转动的则是用陀螺来测量。6个自由度，其中，2个转轴可单独设定，但两个转轴的转角应相互配合，且二者的间距应保持在允许的范围之内。左右转轴间的转角为1，这是在允许的范围之内。利用螺杆螺母机构，可调节水平转动轴线的角度，以及俯仰转动轴线的角度。此外，在左右旋转轴间加装一个转动马达，并通过马达驱动螺杆螺母机构，可实现对俯仰转轴转角的调节。该机器人的截面由高强度钢材构成，并假定其为均匀等向分布的材料。

该铰链由一个连接杆和一个球状铰链构成，可在水平方向上进行运动，并用把手来操纵连接件的动作，这就要求有一种能把竖直移动转换成水平移动的设备，使该关节能在空间中完成运动，并能在空间中完成运动。该机器人具有良好的空间定位能力，但是若要与周围的对象进行互动，就必须要对对象进行三维位姿的估算。铰链通过滚珠丝杆完成旋转，铰链上的轨道为铰链支撑平台，采用活动轨道和机器主体间的螺栓实现连接。机器人在转动过程中，就必须要改变其安装在轨道上的滚珠丝杠螺母机构，从而达到6个自由度的调节。该结构具有非线性、大变形、强耦合等特性，其建模、动力学及振动控制等问题已成为当前的研究热点。

1.2　控制系统

本文所研究的10kV高压断路器电气测试机器人控制系统，主要包括上位机、下位机和通信接口3个部分。其中，上位机主要完成对机器人的位置、状态等信息的实时采集，并向下位机传送；下位机主要完成对机器人的运动和操作，并通过主机的反馈来实现对机械手的控制；通信接口部主要负责通信接口与PC机之间的通讯。最后，在此基础上，利用减速机将驱动电机驱动至各移动轴，从而实现控制系统对各移动轴的控制。如图1所示。

图1 10kV高压断路器电气测试机器人控制系统技术部分

在此基础上，控制系统利用TCP/IP协议实现了对移动机器人的实时控制。在上位机上，主要有三个接口：任务管理接口、数据显示接口和轨迹显示接口。其中，任务管理接口主要是对操作人员的工作任务和操作人员的工作状态进行显示；数据显示接口主要是对机械手的当前位置、角度和速度进行实时显示；轨迹显示接口主要是对机器人的运动轨迹进行显示，并对各个关节的转动角度、速度等进行实时测量。控制面板上有定时器（包括设定时间、测试时间、误差时间，精度为0.01秒）、启动按钮和时间显示开关按钮。

在PC机上，利用PC机上的可编程软件，将控制程序编制好后，传送到下位机。而下位机则是通过PC机所编制的控制程序来实现对机器人手臂的控制。在此基础上，利用下位机与上位机进行串行通讯，并将所获得的操作数据传送到上位机。当这一切都结束后，机器人开始活动，表示它的初始启动工作已经结束，并且开始不停地向服务器询问有关任务的信息，以便它能够在第一时间投入到任务中。连接到云服务器上的机器人，在收到任务指令以后，就会自动进入到任务栏中，并从中提炼出一些关键的数据，之后再去处理相关事宜，通过对任务进行分析、处理，将其分成若干个子任务，并将其发送给相应的URLs。

2　10kV高压断路器电气试验机器人的设计

本文针对10kV高压断路器电力测试的特点及需要，研制了10kV高压断路器电力测试机器人^[2]，并在此基础上设计了一种新型的测试机器人。该系统可实现变形、位移、加载等全过程的实时监测与控制，并可实现人机交互及自诊断，具有多功能、大范围、高精度等特点。

2.1　机器人机械臂部分

试验机器人的机械手主要包括两只机械手和一只转盘。一只机械手是腔镜的手臂，另外一只机械手是工作器械，转盘是工作器械上的牵引，打开工作视野，让工作器械移动。其中，前臂为六节，后臂为四节。第一个六肢式机械手是与控制装置相连接的，可360度转动；第二个六自由度机械手为旋转平台，与控制装置相连接，可实现机械手0度、60度、90度、180度的转动。旋转平台为可伸缩式旋转平台，其旋转角度可随时间变化而变化。该旋转平台有很好的柔韧性，既能确保机械手臂不会受到撞击或损伤，又有很好的刚度。该转台可使多个零件以多种不同的角度转动，以适应开关电器测试中多种零件的转角变化的需要。该机构利用模块化设计思想，把各个模块分别装在一个转盘上，由马达带动转盘来完成机构的转动。该转盘能360度转动，能满足断路器在测试过程中各元件间的夹角变化的需要。本机将其外形与工作台相配合，以达到自动操作的目的，能很好地满足不同行业的需要。在此基础上，本文提出了一种基于电控－分控转子的转子控制方法，从而减少了转子的结构和重量，提高了转子的可靠性。

2.2　传感器部分

传感器部分由电流传感器、电压传感器和温度传感器组成。机器人手臂上设置了电流、电压、温度等传感器，这些传感器可对其进行实时检测，并将检测到的数据经通讯网络传送给控制系统。该系统能对传感器测量到的温度进行自动采集、保存，并将其传送到微机进行处理，从而获得原始数据。采用一根电线连接到机器人手臂上，可实现对机器人手臂运动状态的实时监测。在机械手内部装有一个温度传感器，用来监控机械手内部的温度变化。开关在开、关过程中，由于开关内部温度的改变，使开关系统产生温升。在传感器收集到了温度信号之后，再通过信号调理电路对其进行处理，把它转化为与接口要求相一致的数字信号。之后，再通过数据采集卡将数据上载，由计算机对数据展开分析、处理、判断，并按照预定的约束条件，向执行终端发送控制命令。这种方式使用了闭环控制方式，从而提高了系统的控制精度和响应速度。该系统可对断路器内的温度进行实时监控，并将其转换成电压信号。断路器的工作环境恶劣，极易引起非正常的温度升高，为了确保其正常工作，必须对其进行定期的检测。断路器是一种高电压装置，在运行过程中，其内的金属元器件可能会由于电流涡流的存在而形成过热，并由此导致不正常的室温升高。为此，人们研究了一款电阻温度传感器（如图2所示），其核心部件为一个平面形式的Hotdisk探头。该探头既可作为电阻热也可作为水质传感器，当进行测量时，在探头上装入一稳恒电流，随着探头电流的变化，将会在探头两端形成电压差。

图2 铂热电阻温度传感器

3　10kV高压断路器电气试验机器人接线

装置的实现本文提出的10kV高压断路器电气试验机器人接线装置，采用了机器人技术和PLC控制技术，可以实现现场环境下高压断路器电气试验过程的自动化^[3]。

根据10kV及以下等级断路器电气试验要求，本文提出了一种适用于10kV及以下等级断路器电气试验的机器人接线装置，包括传感器、电压信号转换模块、通信接口和电源模块等。其中，传感器主要用于监测断路器本体的电压和电流信号，为后续的PLC控制提供数据支撑；电压信号转换模块主要将传感器采集到的电压信号转换为标准电压信号；通信接口模块用于接收机器人控制系统发送来的指令，并将采集到的电压信号传送给PLC进行数据处理；电源模块用于为整个系统提供电能。

该接线装置使用一种PLC控制系统作为系统核心，具有结构简单、性能可靠、响应速度快、易于维护等特点。机器人接线装置采用模块化设计，具有较高的通用性和可扩展性。采用PLC控制技术可以实现对高压断路器电气试验过程的自动化控制。

3.1　电压电流模块

高压断路器本体的电压和电流信号是整个接线装置的关键信号。传统的高压断路器电气试验时，试验人员需要穿着绝缘靴，通过绝缘拉杆将断路器本体固定在相应的位置上，连接数条试验接线，操作各种复杂的试验仪器，再进行高压试验得到试验结果。这种方法需要进行多次绝缘测试，且操作复杂、耗时较长。在接线装置中，由于试验过程中高压断路器本体不接触地，只接触绝缘靴和绝缘拉杆，因此采用传感器对高压断路器本体的电压和电流信号进行监测。为保证试验过程的安全性，传感器采用两路独立电源供电的方式：一路用于监测高压断路器本体电压和电流信号，另一路用于监测机器人控制系统发出的指令信号。

3.2　电压信号转换模块

在电缆线路中，信号的衰减以及信号的延迟，都会影响远距离信号传输的效果。目前，远距离传输技术主要有两种，分别是光纤传输和无线通信传输。

光纤传输具有抗干扰能力强、距离远等优点，但是存在价格昂贵、施工难度大和维护困难等问题。无线通信技术具有成本低、速度快、稳定性高、抗干扰能力强等优点，但是存在安装维护不便和布线困难等问题。

本文提出了一种采用无线通信技术实现远距离信号传输的方案。无线通信技术主要包括Wi-Fi技术和ZigBee技术两种类型。Wi-Fi技术是一种基于IEEE802.11协议的无线网络，其特点是：支持网络互联、多设备支持、支持快速反应和无线连接；ZigBee技术是一种基于IEEE802.11标准的低功耗无线局域网协议，其特点是：低功耗、低成本、高可靠性和高效率。该装置采用Wi-Fi作为无线通信方式，ZigBee作为无线通信方式。ZigBee网络支持多种拓扑结构，支持自组织组网和网状网。该装置采用了一个基于ZigBee协议的控制器和多个传感器，可以实现对断路器本体的电压和电流信号进行采集和控制。

3.3　通信接口模块

通信接口模块的主要功能是将采集到的电压信号传送给PLC进行数据处理，同时接收PLC发出的指令，对电压信号进行采集和处理^[4]。

通信接口模块采用了RS485总线传输方式。PLC接收到上位机发送来的指令后，先将指令转化为数字量，再将数字量通过RS485总线发送给PLC的A/D模块；在A/D模块中对采集到的电压信号进行处理后，再通过RS485总线将数据发送给PLC；PLC接收到A/D模块传输来的数字量后，先进行存储操作，然后根据存储结果确定是否继续下一步操作；如果继续下一步操作，则由PLC发出指令进行下一步操作。PLC接收到上位机发送来的指令后，先将数字量通过RS485总线发送给上位机，然后将采集到的电压信号通过RS485总线发送给上位机。在通信过程中，RS485总线和A/D模块之间使用了屏蔽双绞线进行通讯连接。该通信接口模块能有效提高通信可靠性和抗干扰能力。

3.4　电源模块

电源模块是整个装置的核心，采用开关电源方式为整个装置供电，具有结构简单、成本低、效率高等优点。该电源模块采用双路交流输入，分别输出220V、24V和5V的电压，其中220V的输入电压可以直接连接到断路器本体。

双路交流输入的基本原理，就是分两路输出。一条电路输出220V的交流电压，另起一条电路输出24V的交流电压，用于为整个装置提供用电。为了提高断路器本体试验时的安全性，需要对断路器本体进行控制和保护。通常情况下采用断路器本体上安装继电器等保护装置，但由于断路器本体是基于开关方式工作的，不能保证其完全不受开关动作影响。因此需要在B路和C路经PLC控制后输出的直流电源中接入相应的保护电路。

4　结论

高压断路器作为电力系统中的重要设备，其电气试验具有危险性高、难度大等特点，传统的人工试验方法无法满足高压断路器电气试验的需要。本文提出了一种10kV及以下等级高压断路器电气试验机器人接线装置，该装置具有自动化程度高、现场安装便捷、接线简单等特点，能有效提高试验效率和准确性。随着技术的发展和人们对高压断路器电气试验需求的增加，机器人技术必将在高压断路器电气试验领域得到广泛应用，将有效提高高压断路器电气试验效率和准确性，为国内电气试验机器人接线产业带来了广泛的应用前景。

作者简介：

刘沁怡（1988-），女，广东中山人，中级工程师，本科，现就职于国家电网上海市电力公司浦东供电公司，研究方向是电气试验。

参考文献：

[1] 王俊波, 武利会, 李国伟, 等. 10kV高压断路器电气试验机器人接线装置研究[J]. 高压电器, 2022, 58 (12) : 28 - 36.

[2] 赵小平, 马晟, 马小荣. 10KV真空高压断路器故障特点以及目前常用诊断办法[J]. 电子测试, 2022, 36 (12) : 108 - 110.

[3] 马晟, 赵小平, 马小荣. 10KV真空高压断路器的运行特性及操作机构的动作特点[J].电子测试, 2022, 36 (11) : 59 - 61 + 131.

[4] 佘冰. 10kV高压断路器弹簧机构分合闸线圈烧毁故障原因及处理措施[J]. 技术与市场, 2019, 26 (12) : 74 - 75 + 78.

摘自《自动化博览》2024年3月刊