輸電線路帶電作業(yè)機器人的電磁分析與防護設(shè)計

李濤　程旭　趙建輝

【摘? 要】輸電線路帶電作業(yè)機器人內(nèi)有許多的電磁敏感元件，在具有復(fù)雜電磁環(huán)境的輸電線路上無法穩(wěn)定工作，因此對輸電線路帶電作業(yè)機器人進行電磁分析與防護設(shè)計是保證機器人可靠工作的必要條件。

【關(guān)鍵詞】輸電線路;帶電作業(yè)機器人;電磁分析;防護設(shè)計

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外帶電作業(yè)機器人主要采用兩種模式：一是操作員隨絕緣斗在空中直接在電纜旁操作機器臂完成帶電作業(yè);二是操作員在地面，機器臂隨高空云臺升入作業(yè)現(xiàn)場，操作員通過監(jiān)視器觀察高空現(xiàn)場情況，操控機器臂進行帶電作業(yè)。由于第一種模式操作員仍然需要在空中電纜旁進行操作，存在觸電風(fēng)險;目前的帶電機器人研發(fā)主要集中在第二種模式，即操作員在地面對空中的機器臂進行遙操作的方式。

2輸電線路帶電作業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)

高壓輸電線路由架空地線、輸電導(dǎo)線、絕緣子串、防振錘等金具組成。架空地線一般位于桿塔的最上方，起到整個輸電線路的避雷作用。輸電線路長期在露天環(huán)境下不間斷運行，受暴風(fēng)、雨雪、烈日等各種極端天氣的侵蝕，極易導(dǎo)致耐張線夾處螺栓松動，輸電線路疲勞損傷的線路問題，影響供電可靠性。根據(jù)輸電線路作業(yè)環(huán)境，本實驗團隊對輸電線路機器人整體機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，得到機器人三維本體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。機器人主要包括機器人箱體，夾爪，機械臂，行走輪，作業(yè)末端等部件。通過兩個行走輪在輸電線上行走，為保證機器人在輸電線路上平穩(wěn)運行，每個行走輪處都裝配夾爪。

3機箱的電磁防護設(shè)計

3.1電磁場防護標準

查閱資料發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外尚未有關(guān)于帶電作業(yè)機器人電磁場防護的標準，只有一些國家和國際組織針對工頻電磁場公眾暴露建立了自己的限值。我國提出的以4kV/m電場強度和0.1mT磁感應(yīng)強度作為公眾、職業(yè)暴露限值比國外同類標準的要求要高，因此參照其作為機器人電磁場防護的限值。

3.2機箱的屏蔽

屏蔽是用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧蠈⑿枰雷o的區(qū)域封閉起來，以抑制電磁場由一個區(qū)域?qū)α硪粋€區(qū)域的感應(yīng)和輻射，即切斷電磁波輻射和場禍合的傳輸途徑。電磁屏蔽按照屏蔽原理可分為電場屏蔽，磁場屏蔽和電磁場屏蔽。電場的高阻抗作用和磁場的低阻抗作用將分別對待。在屏蔽殼表面上的電場和磁場分布將根據(jù)散射理論或者簡單的準靜態(tài)場原理來處理。一旦外部場的分布求得，內(nèi)部場的解就能計算出來。由于輸電線路的工頻電磁場很強，采用單個屏蔽體無法達到好的屏蔽效果，因此采用雙層屏蔽結(jié)構(gòu)。工程上常用屏蔽效能來表示屏蔽體對電磁騷擾的屏蔽能力，屏蔽效能的表達式如式1、2所示：

E1：被測設(shè)備未進行屏蔽時測得的電場強度，kV/m;

E2：被測設(shè)備采取屏蔽措施后測得的電場強度，kV/m;

SE：電場屏蔽效能，dB;

H1：被測設(shè)備未進行屏蔽時測得的磁場強度，A/m;

H2：被測設(shè)備采取屏蔽措施后測得的磁場強度，A/m;

SH：磁場屏蔽效能，dB。

用傳輸線理論來解釋電磁場屏蔽的原理。假設(shè)有一電磁波射向厚度為d的金屬導(dǎo)體表面，當(dāng)電磁波到達金屬導(dǎo)體的第一個表面時，由于阻抗的變化，部分電磁波被導(dǎo)體反射，剩下的部分電磁波會進入導(dǎo)體，在金屬導(dǎo)體內(nèi)進行傳播時，能量會不斷地衰減，當(dāng)電磁波到達第二個表面時，又會發(fā)生反射，只有小部分的電磁波會穿過第二表面進入被屏蔽物體內(nèi)。在第二表面上被反射的電磁波再次回到第一表面時將又會產(chǎn)生反射，如此反復(fù)循環(huán)，直到所有能量耗盡。由此可見，金屬屏蔽體對電磁波的屏蔽效果包括剛進入導(dǎo)體時被金屬導(dǎo)體第一個表面反射電磁波能量的反射損耗R、在金屬導(dǎo)體內(nèi)外兩個表面之間產(chǎn)生多次反射的多次反射損耗B、在金屬良導(dǎo)體內(nèi)傳播衰減時產(chǎn)生的吸收損耗A。當(dāng)屏蔽體的金屬較厚或電磁波頻率較高時，當(dāng)A>10dB時，導(dǎo)體的吸收損耗遠大于多次反射損耗，多次反射損耗可忽略不計。

4控制系統(tǒng)的電磁防護設(shè)計

4.1CAN總線抗干擾

提高CAN總線抗干擾能力，保證CAN信號的質(zhì)量的方法有：（1）為避免地回流燒毀電路板、限制干擾的幅度，保護控制器不被燒毀，需在CAN接口處設(shè)置隔離并添加浪涌保護電路。致遠電子的CTM8251AT模塊不僅具有可以將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線差分電平的功能，還能將CAN控制器與CAN總線之間隔離開來，隔離電壓達DC2500V，并在CAN總線上設(shè)有防浪涌保護電路，因此選擇該芯片作為CAN通信的芯片。（2）CAN總線為了提高抗干擾能力，采用CAN-H和CAN-L差分傳輸，即使遇到干擾，CAN-H與CAN-L由于受到的干擾相同，CAN-H與CAN-L的差值仍保持不變。為了保證CAN-H與CAN-L受到的干擾相同，必須使得CAN-H和CAN-L要緊密地靠在一起，否則受到的干擾強度就不一樣，就會導(dǎo)致差分信號受到干擾。通常雙絞線只有33絞/米，而在強干擾場合，要超過55絞/米才能達到較好的抗干擾效果。

4.2無線網(wǎng)橋抗干擾措施

提高無線網(wǎng)橋抗干擾的措施有：（1）無線網(wǎng)橋的通信頻段為2.4G。輸電線路上的頻譜主耍在50Hz-4MHz之間，屬于非同頻干擾，影響較小。由于機器人處在強電磁場環(huán)境，天線上感應(yīng)禍合的能量會很強，有可能會超過網(wǎng)橋自帶濾波器的承載功率，使其燒毀。本文采取在網(wǎng)橋的信號端添加大承載功率的帶通濾波器方式來解決該問題。帶通濾波器的通頻帶為2400-2500MHz，最大承載功率為10W，可有效濾除帶外信號、降低噪聲，如圖2所示為帶通濾波器實物圖。（2）天線的饋線直接穿過了機箱與無線網(wǎng)橋連接，為提高機箱的屏蔽效率，減少饋線與外部強電磁場的感應(yīng)禍合，選用具有雙屏蔽層衰減系數(shù)小的饋線，并用錫箔紙包裹饋線，使其與機箱連成一體;（3）為防止電源干擾，在網(wǎng)橋的電源輸入端添加電源濾波器。

5結(jié)束語

為保證機器人穩(wěn)定工作，本文以輸電線路為例，首先分析了輸電線路帶電作業(yè)機器人的作業(yè)方式，然后基于等電位作業(yè)方式，從電磁干擾的三個要素出發(fā)，分析并計算了輸電線路電磁干擾源的情況，通過機箱的屏蔽來抑制干擾的禍合路徑，基于控制系統(tǒng)方面來提高機器人控制系統(tǒng)敏感源的抗干擾能力，僅供參考。

參考文獻：

[1]吳軻，張建偉，華棟，崔佩儀.高壓帶電作業(yè)機器人的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018，09：97-98.