张言铖　狄啟飞　王秀境　黄浩

摘要：高压开关柜是输变电系统的重要设备，其安全稳定运行对变电管理工作产生深远影响。本文首先分析高压开关柜中传统局放测试存在的缺点，其次提出设计可操作机器人的技术方案，通过硬件与软件部分的结合使用，对机器人系统中机器臂与视觉定位模块进行优化，使得机器人能够高效完成局放测试工作。最后项目取得显著成果，对高压开关柜的安全测试提供了技术保障。

关键词：高压开关柜;远程局放试验;可操作系统;机器人设计

前言：

现阶段，在10kV、35kV高压开关柜局放试验中，多使用人工手持超声波探测仪方案。然而，该种方案经过证实具有一定危险性，会造成人员意外伤亡。随着人工智能技術发展，可设计机器人远程操作系统，以机器人技术代替人工，确保局放试验工作具有较高的安全性与可控性。本文对局放机器人系统设计进行研究，基于ROS机器人操作系统，对远程控制方案进行完善，相关内容如下：

1项目提出的背景

开关柜是重要电气设备，其中包括仪表、自控、磁力开关、各种接触器等，分为高压室开关柜与低压室开关柜。其主要作用是控制与保护电力系统中的设备。在高压开关柜的具体运行中，会存在局部放电现象，对绝缘介质的性能造成不良影响。目前，在高压开关柜局部放电测试中采取的方案是人工操作，其主要缺陷是劳动强度大和安全系数低。针对开关柜局放测试中存在的主要问题，本项目研发了机器人远程操作系统。

2机器人远程系统的主要设计思路

2.1系统主要构成与功能实现

本设计方案中，对机器人硬件部分进行了优化设计，通过机器人元件、相机、微机、无线AP、控制器与外接设备之间的配合应用，为控制目标实现提供了支持。通过对上述硬件部分的合理连接和配合使用，机器人系统操作更加稳定，能够做好局放试验作业。系统硬件详细情况见表1：

根据表1，在远程控制机器人设计中，以TurtleBot 3 Burger作为系统的主体部分，其中机器人主体能够承受的最大重量为15Kg。在具体设计方案中，相关人员在主体平台上设计了十字型滑台，在滑台结构的顶端设计有局放仪夹具。该种设计方案能够确保局放仪探头结构朝向X轴或Y轴方向移动，而在z轴方向的移动主要依靠机器人主体。

机器人远程控制系统的软件部分包括操作系统、机器人系统、视觉系统、深度相机SDK与交互系统。其中操作系统为Ubuntu 16.04;机器人系统为ROS Kinetic;视觉系统使用了OpenCV-2.4.13;交互系统版本是OpenNI 2.2.0。此外，在机器人的主体结构中设计了无线AP、机载小型微机和深度相机，相关部分的设计主要是为无线设备的连接提供技术支持，通过相关硬件部分的配合，实现远程控制目标。

2.2机器臂与视觉定位

在项目测试中，为确保机器臂末端能够到达开关柜指定位置，将机器人手臂设计了2个自由度，确保下半臂中心位置与开关柜中心对齐，同时优化长度参数。为确保操作定位准确，本系统设计中也使用了柔性连接装置，实现对机器人定位偏差的合理纠正。项目开发了带有5个自由度的机器人装置，在其控制单元上增加了机器臂运动轨迹算法，同时采用了C+ +开发语言，使得机器人运动轨迹更加合理，完成局放测试工作。

为确保机器人能够准确到达放电测试点，首先需要对机器臂的坐标进行设计，对测试工作中的三维坐标进行分析，并利用无线射频识别和磁导航装置，提高机器人定位精准度。在具体测试环节，通常情况下，需要将定位误差控制1cm之内。但是，在对开关柜的缝隙进行定位时，系统要求的精确度更高。为满足最新要求，相关人员需要利用双目视觉定位技术，通过与传感装置的配合，完成对机器人停靠误差的合理补充。

本次系统设计中，对高压开关柜局部放电检测的主要方法是超声波，由于不同厂家生产的超声波独立传感装置的规格存在不同，在使用过程中，需要做好监测端与数据处理端的集成化设计，使得内部传感器结构更加合理，为后期安装与使用提供便利。

2.3机器人应用测试

传统模式下，高压开关柜的局放故障的测试方式为人工，检测人员需要手持专业检测设备完成这一工作。为确保检测结果准确性，相关人员需要在正式工作前对设备进行校正处理，并做好各种安全防护。实际工作中，相关人员需要做好总体检测与局部测试，使得局部放电问题被及时发现。这一检测方式对人工产生的依赖较为严重，需要相关人员具有较强的专业技能与丰富经验，并且检测时间较长，无法满足目前高压开关柜的测试要求。

本项目开发设计了远程控制的机器人系统，完成对15个试点开关柜的测试工作。在具体测试环节，相关人员在拟定路径内侧约6cm的位置安装了无线射频识别标识，将其作为机器人停靠位置。同时根据不同开关柜的测试要求，设计了多个停靠点与充电区。技术人员将超声波扫描轨迹与地点波检测点布设在开关柜上，将机器人行进速度调整到30cm/S，确保其有效完成测试任务。当测试作业完成后，机器人进入到充电区。本次测试结果显示，每台开关柜的测试时间为3min，测试任务完成花费了1小时15分钟。与人工测试比较，机器人工作效率明显提升，并且检测工作更加安全可靠。

结束语：

本文研究了高压开关柜局部放电测试相关内容，设计了可操作机器人，用于解决传统人工测试存在的弊端。远程可操作机器人使用后，局放测试工作开展更加快速安全，为线路检修工作提供了便利。机器人系统应用后，也能够在早期识别绝缘子安全隐患，对减少高压开关柜故障产生了有益影响。

参考文献：

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