CN115348816A - 一种用于电力机器人等电位作业的电磁屏蔽方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种用于电力机器人等电位作业的电磁屏蔽方法，包括以下具体步骤：机器人整体屏蔽处理，通过静电屏蔽原理降低电磁场对机器人系统本体的干扰；机器人局部屏蔽处理，对机械臂、相机通讯线进行单独包裹，实现局部屏蔽；电磁耦合模型仿真及电流计算，通过测量屏蔽后机器人系统的电容、电感值，并根据拟作业的电压等级，计算通过机器人系统的耐受电弧，完成理论分析和计算；机器人电磁兼容性能试验，通过电磁兼容性能试验，验证机器人用于等电位作业的最终效果。本申请在避免外部强电磁场对机器人各子系统造成的干扰同时，可有助于机器人直接接触、抓取设备，实现更直接高效的等电位带电作业。

Description

一种用于电力机器人等电位作业的电磁屏蔽方法
技术领域
本申请涉及电力机器人领域，具体涉及一种用于电力机器人等电位作业的电磁屏蔽方法。
背景技术
目前在机器人带电作业过程中，为避免高压设备的电磁场干扰，一种方案是对机器人末端作业工具进行全绝缘处理，如此会降低作业负载、作业效率和作业精度；另一种方案是制作全金属机器人，但会严重增加机器人重量，从而降低作业效率。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种用于电力机器人等电位作业的电磁屏蔽方法，在避免外部强电磁场对机器人各子系统造成的干扰同时，可有助于机器人直接接触、抓取设备，实现更直接高效的等电位带电作业。
为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
本申请实施例提供一种用于电力机器人等电位作业的电磁屏蔽方法，包括以下具体步骤：
机器人整体屏蔽处理，通过使用导电金属材料进行机器人系统的机械臂子系统、视觉子系统、电源子系统、工装子系统连接，通过静电屏蔽原理降低电磁场对机器人系统本体的干扰；
机器人局部屏蔽处理，对机械臂、相机通讯线进行单独包裹，实现局部屏蔽；
电磁耦合模型仿真及电流计算，通过测量屏蔽后机器人系统的电容、电感值，并根据拟作业的电压等级，计算通过机器人系统的耐受电弧，完成理论分析和计算；
机器人电磁兼容性能试验，通过电磁兼容性能试验，验证机器人用于等电位作业的最终效果。
所述机械臂子系统、视觉子系统、电源子系统、工装子系统外连接有铝合金外壳，机器人系统的机器人本体安装在金属盒内通过使用导磁性能好的铁网进行组合屏蔽。
所述机器人局部屏蔽处理具体包括，单点接地等电位处理、外壳连续屏蔽、信号线路多层屏蔽、高端敏感设备单独处理，所述单点接地等电位处理具体为，机械臂子系统、视觉子系统、电源子系统、工装子系统上设置专用连接端子，连接端子通过导线连接至安装机器人本体的金属盒四角的共用接地点，共用接地点之间导通，实现等电位效果；所述外壳连续屏蔽具体为，在安装机器人本体的金属盒的散热孔出安装金属屏蔽网；所述信号线路多层屏蔽具体为，在高强度的聚酯纤维布上镀镍，沿信号线进行严密包裹形成屏蔽内层，屏蔽内层外侧包裹金属铜箔形成屏蔽外层；所述高端敏感设备单独处理具体为，摄像头和路由器的供电线进行单独通断，实现设备的重启，用于系统恢复；机械臂各关节需要通过金属3D打印技术，进行关节包裹，最大程度减弱电磁场对机械臂这类高端敏感设备的影响。
所述机器人电磁兼容性能试验包括建立与机器人实际应用工况相同的模拟高压试验对象，进行强电磁场环境下远程控制与通讯技术的实验验证，实验包括运行电压考核实验以及电弧放电考核实验。
所述运行电压考核实验具体为，
稳固连接试验加压导线，按照最高运行电压，试验电压值为63.5kV，时间为10min，观察机器人系统在运行电压下，机器人系统的电机、摄像头、控制系统、信息传输系统被测元器件是否能够正常工作，每次升压过程中，每10kV停留1 min，记录被试品状态。
所述电弧放电考核实验具体为，虚接试验加压导线，按照最高运行电压，试验电压值为63.5kV，时间为3min，在最小系统状态下，在实验加压导线与试品间预留间隙以在实验中产生电弧；在装上机械臂后，无线远程控制机械臂反复靠近与离开高压源，观察机器人系统在电弧放电工况下，其电机、摄像头、控制系统、信息传输系统被测元器件是否能够正常工作。
与现有技术相比，本申请的有益效果是：相比在机械臂末端增加绝缘杆的作业方式，本电磁屏蔽方法可使得带电作业机器人直接去抓取设备作业，从而有效地提高机器人作业负载、作业效率和作业精度；相比制作全金属机器人的方案，本方案只需使用多层组合材料，对机器人进行二次屏蔽，在不大量增加机器人重量的同时，可有效避免高电压设备电磁场对机器人本体及各传感器造成的干扰或损坏。整体来说，本申请提供了一种用于电力机器人等电位作业的电磁屏蔽方法，具备更低的生产成本、可更有效地提高带电作业机器人的控制及作业效率，因此更具有实际应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例电力机器人结构示意图；
图2为本申请实施例电力机器人静电屏蔽示意图；
图3为本申请实施例电力机器人磁场屏蔽示意图；
图4为本申请实施例电力机器人等电位处理示意图；
图5为本申请实施例电力机器人空腔内部电容耦合示意图；
图6为本申请实施例电力机器人空腔内部电容耦合等效电路图；
图7为本申请实施例电力机器人电容耦合示意图；
图8为本申请实施例电力机器人空腔电感耦合示意图；
图9为本申请实施例电力机器人空腔电感耦合等效电路图；
图10为本申请实施例电力机器人电感耦合示意图；
图11为本申请实施例方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
如图1，电力机器人包括机器人本体、机械臂子系统、视觉子系统、工装子系统，所述机器人本体包括电源子系统以及路由器，视觉子系统包括摄像头，
一种用于电力机器人等电位作业的电磁屏蔽方法，包括以下具体步骤：
机器人整体屏蔽处理，通过使用导电金属材料进行机器人系统的机械臂子系统、视觉子系统、电源子系统、工装子系统连接，通过静电屏蔽原理降低电磁场对机器人系统本体的干扰；
机器人局部屏蔽处理，对机械臂、相机通讯线进行单独包裹，实现局部屏蔽；
电磁耦合模型仿真及电流计算，通过测量屏蔽后机器人系统的电容、电感值，并根据拟作业的电压等级，计算通过机器人系统的耐受电弧，完成理论分析和计算；
机器人电磁兼容性能试验，通过电磁兼容性能试验，验证机器人用于等电位作业的最终效果。
机器人整体屏蔽处理
带电作业机器人系统在带电作业过程中，会受到工频电磁场干扰、电晕放电干扰、高频弧光放电干扰。其中，工频电磁场干扰主要来源于变电、配网设备正常运行情况下产生的50Hz电磁辐射波，该种工频电磁场干扰长期存在，并且在变电、配网现场几乎无处不在；其次是电晕放电干扰，在一些情况下，设备表面可能会出现电晕放电，产生间歇脉冲干扰；最后是机器人进、出等电位过程中将引发的弧光放电干扰，其是一种高频电磁波辐射，造成尖峰脉冲式干扰，虽然持续时间短，但幅值高、辐射能量大。
针对上述三类干扰，本申请提供了如下的整体屏蔽处理方法：在机器人各子系统，包括机械臂、视觉子系统、电源子系统、工装子系统之间使用高强度、低密度的导电金属材料（如铝合金）进行连接。通过静电屏蔽原理来最大程度降低电场对机器人系统的干扰。其静电屏蔽过程如图2所示，
如图2所示，电场从机器人金属外壳屏蔽导体的一侧进入，从另一侧出来，进出的电力线数目相等。因感应的正负电荷数目相等，所以不需要外部补充电荷，内部便不存在电场，不发生电荷转移，因此不会影响机器人内部电路系统。
之后使用导磁性能好的薄铁网进行组合屏蔽，以减少磁场对机器人系统内部电机、磁力计等设备的干扰。两者的组合可有效降低电磁耦合电容，从而减少电晕、弧光放电干扰。具体效果如图3所示，
如图3所示，在对机器人系统进行磁耦合干扰屏蔽时，需使用高磁导率的金属材料。此时磁性物质构成的磁屏蔽的磁阻小，大部分磁力线会通过磁屏蔽层，因而磁屏蔽层内部的机器人电路、传感器设备便不会受到外界磁场的干扰，从而起到了磁屏蔽作用。
机器人局部屏蔽处理
整体屏蔽主要用于机器人机箱屏蔽，但实际的机器人系统往往包括机箱外的机械臂、相机及通讯线、工装电机及通讯线等。因此，需要进行局部屏蔽处理，主要包括四个方面：单点接地等电位处理、元器件外壳连续屏蔽设计、多层屏蔽技术以及高端敏感设备单独处理方案。通过以上途径将噪声传输通道的耦合作用最小化，使得机器人电子系统对干扰噪声不敏感。
单点接地等电位处理
为抑制电磁场噪声在各子系统的传播，保证电子电气设备正常、稳定和可靠地工作，带电作业机器人的作业平台需采用“悬空”的接地方式，作业平台整体实现等电位并对地绝缘。本单点接地等电位处理的步骤如下：在工控机、视觉子系统、机械臂、作业工装等各元器件上均设有专用接地端子，并通过导线连接至平台四角的共用接地点（各共用接地点之间导通），实现等电位效果，完成单点接地处理，避免产生电位差噪声，如图4所示。
元器件外壳连续屏蔽设计
在机器人设计过程中，为避免尖端放电，首先，元器件设计需要保持边角圆润，不出现尖角。其次，零件的配合与衔接尽量做到紧密，尽量不留缝隙，减少由开孔和接缝造成的漏场。由于铝合金具有重量轻、电阻率低、抗磁性好、易加工等特点，所以金属壳采用铝合金材料，厚度在3—6mm，表面进行烤漆处理。
在对金属盒设计中，由于考虑到电源和工控机在工作过程中会产生热量，需要通风散热等原因，所以在金属盒两侧进行开孔处理，并在通风孔内部，安装铁质金属网，以达到屏蔽效果。其中，金属网孔半径在2mm以内，漏磁较少，屏蔽效果受影响较小。
多层屏蔽技术方案
由于磁场能够穿透很多种导电材料，因此磁场引起的干扰要比电场引起的干扰更难消除。常用高磁导率的磁屏蔽材料在较低磁场强度下即会达到饱和，因此易在高磁场强度下失去屏蔽效果。为解决该问题，本申请对金属箱体外的各类信号线路采用非铁磁性材料与高磁导率材料的双层组合屏蔽方案，消除电场容性耦合干扰、磁场互感耦合干扰、进出等电位弧光高频干扰等不同类型噪声的耦合途径，提高机器人整机电磁兼容水平。
具体来说，多层屏蔽材料中，“内层”采用低电阻率、高磁导率的铁磁性纤维类材料，在高强度的聚酯纤维布上镀镍，保持纺织品原有的柔软性、耐弯曲、耐折叠等特性，可沿信号线路进行严密包裹。“外层”采用低电阻率、低磁导率的非铁磁性敷层型材料金属铜箔。通过多层屏蔽，增加对外部噪声干扰的吸收损耗和反射损耗，经过外层屏蔽的衰减后，到达内层屏蔽的磁场强度已较低，不会使其饱和，利用内层屏蔽的高磁导率，可以将干扰磁场的影响消除。
高端敏感设备单独处理
机器人系统中，摄像头、路由器天线等敏感设备正常工作时，不能被多层屏蔽材料覆盖，否则视野会丢失，天线信号被遮挡。此时存在漏磁，外部电磁场仍然会对摄像头、路由器这类设备造成小范围的影响，如画面丢失，设备识别失败等等。在此情况下，本申请中，摄像头和路由器的供电线进行单独通断，实现设备的重启，用于系统恢复；其次，机械臂各关节需要通过金属3D打印技术，进行关节包裹，最大程度减弱电磁场对机械臂这类高端敏感设备的影响。
电磁耦合模型分析及电流计算
本步骤主要包括三步骤：电场耦合模型分析、磁场耦合模型分析、电流计算。机械臂在带电作业过程中受到的电磁干扰主要为电场耦合干扰和磁场耦合干扰。为最大程度验证仿真模型，首先需进行电场、磁场耦合干扰模型仿真分析，防止后期的带电作业对设备的硬件损坏。
电场耦合干扰模型分析
任何电子元器件之间都存在分布电容，通过这些分布电容，干扰源和被干扰设备之间就会发生耦合，形成传导型干扰的电容耦合图5所示为机器人机箱内部空腔形成耦合电容的简化图。
图5中，C12为机器人空腔间的分布电容；C1G是机器人空腔面1对地的分布电容；V1是机器人空腔面1对地的电位；C2G是机器人空腔面2对地的分布电容。
根据等效图6可推导出机器人空腔面1的电位V1在机器人空腔面2上的产生干扰电压VN。
Figure 950324DEST_PATH_IMAGE001
(1.1)
式中，ω是电源V1的角频率。
当干扰源电压V1频率较低时，R 比分布电容C12和电容C2G的阻抗小得多，即：
Figure 805672DEST_PATH_IMAGE002
(1.2)
故公式（1.1）可简化为：
Figure 606006DEST_PATH_IMAGE003
(1.3)
公式（1.3）表明，干扰电压与干扰源频率、被干扰回路的对地电阻、机器人空腔间的分布电容C12及干扰源电压幅值成正比，电容耦合的物理含义相当于接在被干扰回路与地之间的一个电流源，其幅值为
Figure 670914DEST_PATH_IMAGE004
，其示意图如图7所示。
根据式（1.3）可知，干扰源的频率与幅度是不可控的，被干扰设备的输入电阻也是不可控的，所以要减小干扰，需减小机器人空腔的分布电容C12。通过调整机器人空腔的大小以及增加屏蔽层等均可降低耦合电容。
磁场耦合干扰
当电流流过导体时，会产生一个正比于电流的磁通Φ。根据楞次定律，磁通的变化会引起感应电动势，当另一个回路与产生磁通的回路很近时，只要有磁通通过另一回路，必将在另一回路产生感应电动势，这就是磁场耦合干扰。图8所示为机器人空腔两面间的磁场耦合，也称电感耦合，图9是其等效电路，其感应电压为：
Figure 725458DEST_PATH_IMAGE005
（1.4）
式中，M 是空腔面1与空腔面2之间的互感；I1是经过空腔面1的电流。
公式（1.4）表明，干扰电压与干扰源频率、机器人空腔间的互感、干扰源的电流幅值成正比。根据公式（1.4）可知，电感耦合的物理含义相当于串在被干扰回路之间的一个电压源，其幅值为
Figure 420882DEST_PATH_IMAGE006
，其示意图如图10所示。
根据公式1.4可知，干扰源的频率与幅度是不可控的。要减小干扰，需减小机器人空腔两面的互感。调整机器人空腔间的相对位置以及空腔加屏蔽等均可减小互感。
强拉弧过程电流参数计算
在机器人进行作业过程中，当机械臂进出等电位过程中，会产生电弧，其中在开展锁卸螺栓作业、断接空载引线作业过程中拉弧最为强烈。为评估电弧电流的影响，进行电弧电流估算。
锁卸螺栓作业、断接空载引线作业的拉弧过程为机器人作业平台充放电过程。在拆卸引流线作业中，出等电位工况下的拉弧电流最大，因为此时电容负载最大，包括了作业平台对地电容以及空载引线对地电容（包括母线至隔离开关引流线、隔离开关等）。此电容电流可按下式计算：
Figure 993333DEST_PATH_IMAGE007
（1.5）
式中：
w——角频率；
Figure 534036DEST_PATH_IMAGE008
——相导线平均对地电容，
Figure 505403DEST_PATH_IMAGE009
；
L——引流线导线长度，m；
C——机器人作业平台对地电容，
Figure 902886DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure 694125DEST_PATH_IMAGE011
——额定电压，V。
相导线平均对地电容
Figure 38518DEST_PATH_IMAGE008
一般取
Figure 598813DEST_PATH_IMAGE012
，母线至隔离开关引流线的长度L一般不超过10m，机器人作业平台对地电容C经测量约为1500pF，算得电容电流
Figure 888236DEST_PATH_IMAGE013
为0.40A，电容电流较小，不会对机械臂等元器件或引流线夹等设备部件造成烧蚀影响。
此外，通过合理设计机械臂等电位爪、夹爪等工装，安装引弧触头，可避免电弧灼烧机械臂本体或溅射至其他位置。
机器人电磁兼容性能试验
为验证本方法所提出的电磁屏蔽技术措施在真实电磁环境下的有效性，需建立与机器人实际应用工况相同的模拟高压试验对象，进行强电磁场环境下远程控制与通讯技术的实验验证。
试验需要依据相关试验检测规范进行，如：T/CSEE 0006-2016 输变电设备带电检修机器人试验检测规范。试验过程包括两部分：
（1）运行电压考核实验。以110kV变电设备为例，稳固连接试验加压导线，按照最高运行电压，试验电压值为63.5kV，时间为10min。观察机器人系统在运行电压下，其电机、摄像头、控制系统、信息传输系统等被测元器件是否能够正常工作。每次升压过程中，每10kV停留一段时间，记录被试品状态。
（2）电弧放电考核实验。虚接试验加压导线。按照最高运行电压，试验电压值为63.5kV，时间为3min。在最小系统状态下，在试验加压导线与试品间预留一定间隙以在试验中产生电弧；在装用机械臂后，无线远程控制机械臂反复靠近与离开高压源。观察机器人系统在电弧放电工况下，其电机、摄像头、控制系统、信息传输系统等被测元器件是否能够正常工作。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于电力机器人等电位作业的电磁屏蔽方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
机器人整体屏蔽处理，通过使用导电金属材料进行机器人系统的机械臂子系统、视觉子系统、电源子系统、工装子系统连接，通过静电屏蔽原理降低电磁场对机器人系统本体的干扰；
机器人局部屏蔽处理，对机械臂、相机通讯线进行单独包裹，实现局部屏蔽；
电磁耦合模型仿真及电流计算，通过测量屏蔽后机器人系统的电容、电感值，并根据拟作业的电压等级，计算通过机器人系统的耐受电弧，完成理论分析和计算；
机器人电磁兼容性能试验，通过电磁兼容性能试验，验证机器人用于等电位作业的最终效果。
2.根据权利要求1所述的一种用于电力机器人等电位作业的电磁屏蔽方法，其特征在于，所述机械臂子系统、视觉子系统、电源子系统、工装子系统外连接有铝合金外壳，机器人系统的机器人本体安装在金属盒内通过使用导磁性能好的铁网进行组合屏蔽。
3.根据权利要求1所述的一种用于电力机器人等电位作业的电磁屏蔽方法，其特征在于，所述机器人局部屏蔽处理具体包括，单点接地等电位处理、外壳连续屏蔽、信号线路多层屏蔽、高端敏感设备单独处理，所述单点接地等电位处理具体为，机械臂子系统、视觉子系统、电源子系统、工装子系统上设置专用连接端子，连接端子通过导线连接至安装机器人本体的金属盒四角的共用接地点，共用接地点之间导通，实现等电位效果；所述外壳连续屏蔽具体为，在安装机器人本体的金属盒的散热孔出安装金属屏蔽网；所述信号线路多层屏蔽具体为，在高强度的聚酯纤维布上镀镍，沿信号线进行严密包裹形成屏蔽内层，屏蔽内层外侧包裹金属铜箔形成屏蔽外层；所述高端敏感设备单独处理具体为，摄像头和路由器的供电线进行单独通断，实现设备的重启，用于系统恢复；机械臂各关节需要通过金属3D打印技术，进行关节包裹，最大程度减弱电磁场对机械臂这类高端敏感设备的影响。
4.根据权利要求1所述的一种用于电力机器人等电位作业的电磁屏蔽方法，其特征在于，所述机器人电磁兼容性能试验包括建立与机器人实际应用工况相同的模拟高压试验对象，进行强电磁场环境下远程控制与通讯技术的实验验证，实验包括运行电压考核实验以及电弧放电考核实验。
5.根据权利要求4所述的一种用于电力机器人等电位作业的电磁屏蔽方法，其特征在于，所述运行电压考核实验具体为，
稳固连接试验加压导线，按照最高运行电压，试验电压值为63.5kV，时间为10min，观察机器人系统在运行电压下，机器人系统的电机、摄像头、控制系统、信息传输系统被测元器件是否能够正常工作，每次升压过程中，每10kV停留1 min，记录被试品状态。
6.根据权利要求4所述的一种用于电力机器人等电位作业的电磁屏蔽方法，其特征在于，所述电弧放电考核实验具体为，虚接试验加压导线，按照最高运行电压，试验电压值为63.5kV，时间为3min，在最小系统状态下，在实验加压导线与试品间预留间隙以在实验中产生电弧；在装上机械臂后，无线远程控制机械臂反复靠近与离开高压源，观察机器人系统在电弧放电工况下，其电机、摄像头、控制系统、信息传输系统被测元器件是否能够正常工作。
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