高壓互感器自動化檢測系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計與實現(xiàn)

穆小星，陳 剛，郭家豪,歐陽曾愷，田正其

(1．國網(wǎng)江蘇營銷服務(wù)中心,江蘇 南京210019； 2．國家電網(wǎng)公司電能計量重點實驗室，江蘇 南京 210019)

0 引言

電力互感器是將電網(wǎng)一次高電壓、大電流變?yōu)榈碗妷骸⑿‰娏鞑崿F(xiàn)電氣絕緣隔離的重要電氣測量設(shè)備，對電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行與貿(mào)易公平結(jié)算至關(guān)重要，故被列為國家強制性檢定計量器具。在產(chǎn)品出廠、安裝投運前、例行檢修期都需要檢測，以確保其可靠性、準確性。隨著電力與國民經(jīng)濟的發(fā)展，互感器需求與日俱增，檢測工作異常繁重。目前，高壓互感器檢測普遍采用原始的人工作業(yè)方式，電氣接線、試驗操作等都通過手工方式完成。該方式操作復(fù)雜，檢測效率低，易出錯，安全風(fēng)險大，勞動成本高；測試數(shù)據(jù)受人員、檢測條件影響大。為此，無論生產(chǎn)商或電力用戶,都在積極尋求高壓互感器自動化檢測手段。

目前，對于低壓互感器，許多電力檢測機構(gòu)或企業(yè)都陸續(xù)建立了自動化檢測流水線[1-2]。但對于高壓互感器，由于其體積大、品規(guī)雜、試驗電壓高，實現(xiàn)自動化檢測存在諸多技術(shù)困難。尤其對于電氣接線自動化，由于其品規(guī)多而雜、外形及接線端子型式千差萬別而成為自動化檢測的難題。為此，開展高壓互感器自動檢測關(guān)鍵技術(shù)研究，研發(fā)自動接線關(guān)鍵設(shè)備，進行檢測流水線的優(yōu)化設(shè)計，從而建立相應(yīng)自動化檢測系統(tǒng)(流水線)，對緩解當(dāng)前高壓互感器檢測矛盾具有重要意義。

高壓互感器自動檢測系統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)6～35 kV互感器的自動檢測[3]。其基本思路是借鑒低壓電流互感器檢測系統(tǒng)。兩者的工件物流輸送及檢測流程基本相同，區(qū)別主要在于試驗裝備、工裝托盤、自動接線方式等方面。

1 自動化檢測系統(tǒng)工裝托盤設(shè)計

互感器工裝托盤是互感器物流承載的基本裝置。由于高壓互感器質(zhì)量重、外形差異大，不宜采用機械手或機器人搬運，在上流水線、檢測、入庫及后續(xù)倉儲等各個環(huán)節(jié)，應(yīng)實現(xiàn)托盤與互感器全程一體化，避免互感器接駁。

托盤大小應(yīng)與目前標(biāo)準化輸送機、流水線標(biāo)準化周轉(zhuǎn)箱尺寸相協(xié)調(diào)；托盤應(yīng)能適應(yīng)多種互感器，具有一定通用性。托盤外型尺寸參照現(xiàn)用周轉(zhuǎn)箱尺寸?；ジ衅骷捌渫斜P結(jié)構(gòu)如圖1所示。其采用POM材質(zhì)制作主框架與金屬托板相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。每個托盤上可放置2只10 kV或1只35 kV互感器。

圖1 互感器及其托盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of transformer and its tray structure

托盤不僅是互感器載體，同時也是互感器檢測接線的定位裝置。為適應(yīng)不同規(guī)格互感器，托盤上設(shè)計定位“臺階”，以實現(xiàn)互感器的定位約束?？梢酝ㄟ^不同“臺階”實現(xiàn)同類型、不同型式的互感器的定位。

2 互感器自動接線裝置設(shè)計

互感器型式標(biāo)準化是實現(xiàn)自動化、流水線檢測的基本措施。為此，通過互感器型式及端子標(biāo)準化、系列化，最大程度統(tǒng)一互感器型式結(jié)構(gòu)。對標(biāo)準化互感器，采用記憶式自動定位技術(shù)，通過三維機械手模擬人工接線。該方案可提高接線效率、降低設(shè)備成本，更加適合流水線作業(yè)；而對于無法統(tǒng)一的非標(biāo)互感器，則運用視覺定位與多維感知技術(shù)，通過智能機器人模擬人工接線，實現(xiàn)互感器檢測柔性自動接線。

2.1 機器人自動接線裝置設(shè)計

2.1.1 機器視覺定位系統(tǒng)

為解決非標(biāo)互感器自動接線難題，通過開展互感器機器視覺定位技術(shù)研究，提出了一種移動工業(yè)機器人單點多視角機器視覺定位技術(shù)。通過對非標(biāo)互感器外觀形態(tài)、端子接觸面等進行數(shù)學(xué)建模，利用高壓互感器端子與器身明顯分割線及外形尺寸、互感器參數(shù)等信息，采用邊緣檢測方法，借助曲線擬合技術(shù)，實現(xiàn)對端子的準確、高效定位。該技術(shù)可確保對各種類型高壓互感器一次端子準確、快速定位，定位精度達±0.5 mm，可大大提高機器接線成功率。

視覺定位原理如圖2所示。

圖2 視覺定位原理圖Fig.2 Visual positioning principle

根據(jù)示教拍攝包含互感器特征點的模板圖片被保存在存儲器中。定位時，視覺定位組件對目標(biāo)點拍攝相應(yīng)部位圖片，與模板圖片匹配比較得到X和Y方向的位置初步誤差；再在X、Y、Z軸中的至少一個方向上發(fā)生位移，對互感器端子部位進行拍照。與第一次所攝圖片進行匹配比較，通過對應(yīng)實際距離水平和垂直方向的像素點數(shù)及圖像中特征點偏移的相對關(guān)系，用定位算法不斷調(diào)整機器人接線夾位姿偏差，補償由互感器位置或者外界其他不確定因素帶來的端子位置微小變化[4]。

2.1.2 接線夾具組件

針對高壓互感器一次接線端子型式、規(guī)格的多樣化，為減少接線復(fù)雜度，提出一種標(biāo)準化夾具理念，設(shè)計一套系列化標(biāo)準接線裝置。夾具組件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 夾具組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of fixture assembly structure

夾具組件包括夾具及夾具架[5]。一次接線夾具為獨立的接插件型式，一端為與互感器端子形狀兼容的內(nèi)含高彈性夾具觸片彈性插孔，與一次端子連接；另一端為可與香蕉插頭匹配的標(biāo)準測試孔，與測試線插頭實現(xiàn)插拔式連接。夾具觸片具有良好的導(dǎo)電性、高彈性及抗變形能力,可避免電接觸不良產(chǎn)生的放電問題，保障檢測安全性。通過接線夾具標(biāo)準化、系列化，非標(biāo)互感器可實現(xiàn)高效率自動插線。

夾具架用作接線夾具的容納裝置，固定于檢測裝置附近。結(jié)構(gòu)包括一次接線夾具放置槽、二次接線夾具放置孔，分別用于放置一、二次接線夾具，同時可以矯正夾具觸片多次使用后的變形。因一次夾具為系列化標(biāo)準件，其放置槽模具形狀大小并不相同。二次接線夾具與一次接線夾具類同，因互感器二次接線螺絲尺寸相同、接線規(guī)格固定，故與測試線直接連接?？紤]到感器繞組數(shù)量，夾具架設(shè)置8個內(nèi)徑相等的圓孔，其尺寸與二次接線夾具外徑一致。

2.1.3 自動接線機器人

自動接線機器人結(jié)構(gòu)如圖4所示。其包括機械臂、氣夾和視覺定位組件。通過高精度定位識別，可實現(xiàn)對互感器一次端子和二次端子的自動接線操作[6]。

機械臂末端安裝有小巧、靈活的氣夾，以夾取不同規(guī)格的夾具。柔性機械臂在電氣自動控制下，通過多自由度移動實現(xiàn)不同方位端子的快速接線。

視覺定位組件包括攝像頭、O形光源，實現(xiàn)對互感器端子位置的智能識別，并控制機械臂帶動氣夾準確找到插入位置，實現(xiàn)高精位接線。攝像頭安裝于機械臂末端,O形光源位于攝像頭上，為攝像頭提供恒定光線。

圖4 自動接線機器人結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of automatic wiring robot structure

2.2 三維機械手自動接線裝置的設(shè)計

標(biāo)準化互感器尺寸、端子位置被標(biāo)準化。為提高效率、降低成本[7]，采用記憶式機械自動定位技術(shù)，通過門架式三維機械手實現(xiàn)自動接線。機械手通過精密伺服系統(tǒng)快速、高精度定位[8]。圖5為三維機械手自動接線裝置結(jié)構(gòu)。它包括機架、門架式機械手、夾具機構(gòu)、高壓線拉伸機構(gòu)。

圖5 三維機械手自動接線裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of three-dimensional manipulator automatic wiring device

機械手及夾具、導(dǎo)線拉伸機構(gòu)如圖6所示。

圖6 機械手及夾具、導(dǎo)線拉伸機構(gòu)示意圖Fig.6 Manipulator,clamp and wire stretching mechanism

夾具機構(gòu)位于機械手下端，它包括氣缸、夾具模塊、金屬接線夾。氣缸固定于機械手移動臂上，兩塊夾具模塊固定于氣缸兩側(cè)的活塞桿組成活動夾具。接線夾尾部與兩塊夾具模塊內(nèi)壁凹槽配合，并在氣缸張合作用力下啟閉。

高壓線拉伸機構(gòu)包括絕緣固定板、彈性卷線盒、線夾桿等部件。彈性卷線盒內(nèi)有轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子、彈簧機構(gòu)等。線體拉伸過程中，線盒內(nèi)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，盒內(nèi)彈簧提供反向動力，確保電線始終處于拉伸狀態(tài)。線夾桿用于平時存放高壓線夾，在完成接線機械時，將接線夾夾在線夾桿上。設(shè)置兩個卷線盒，以滿足電壓電位加電需要。

試驗前，金屬線夾存放在線夾存放位，其尾端高壓線通過導(dǎo)線拉伸機構(gòu)連接到信號源端。試驗時，通過機械手夾具機構(gòu)將接線夾夾至互感器端子。在移動過程中，高壓導(dǎo)線通過拉伸機構(gòu)終保持張緊狀態(tài)，從而與機架保持一定的安全距離。

3 互感器自動檢測流水線布局優(yōu)化設(shè)計

工業(yè)流水線布局的形式根據(jù)設(shè)備布局形狀可以分為四種基本型式：①直線型布局；②U型布局；③環(huán)型布局；④蛇型布局。流水線布局基本方案如圖7所示。

圖7 流水線布局基本方案Fig.7 Basic scheme of assembly line layout

圖7中，G代表設(shè)備或放置設(shè)備的位置。前3種型式適用于多支線多單元組合流水線，最后一種型式選用單一單元，一般為小批量產(chǎn)品流水線。

U型、環(huán)型布局與直線型布局相比，工件入口和出口在同一位置，工位設(shè)備按照工序的順序緊密排列在線體的兩側(cè)或一側(cè)，布局緊湊，設(shè)備容積率低，場地利用率高。而直線型布局工件入口和出口往往相距較遠，占線過長，難以形成系統(tǒng)支線，設(shè)備巡視比較困難[9-10]。

圖8為8單元互感器流水優(yōu)化設(shè)計方案。系統(tǒng)采用環(huán)型與蛇形組合布局。環(huán)型為獨立的檢測循環(huán)流水線單元，檢測工位為架空結(jié)構(gòu)，接線裝置采用機械手接線裝置；試驗互感器在其下移動，完成相應(yīng)檢測工序，在每個單元線周圍布置相應(yīng)輔助設(shè)備。傳輸流水線采用蛇型結(jié)構(gòu)，最大化利用場地面積并保持布局的規(guī)整、滿足物流單向進出需求。8組檢測單元設(shè)計為2區(qū)、每區(qū)4組單元，形成高壓檢測流水線標(biāo)準化方案，滿足不停產(chǎn)檢修及模塊化運行需求。

圖8 8單元互感器流水線優(yōu)化設(shè)計方案Fig.8 Optimization design scheme of 8-unit transformer testing assembly line

4 結(jié)論

本研究為滿足自動化檢測多種方式需求，通過人工智能視覺定位技術(shù)、自動化控制體術(shù)設(shè)計，開發(fā)了機器人與機械手自動接線裝備，組建了互感器檢測流水線。系統(tǒng)運行表明，高壓互感器自動接線裝備及檢測流水線設(shè)計合理、運行可靠，解決了高壓互感器自動化檢測難題，提高了互感器檢測效率與可靠性，降低了檢測成本，保障了人身與設(shè)備及供電安全性。該項目獲得多項科技成果獎，并成功應(yīng)用于多家電網(wǎng)企業(yè)、互感器制造企業(yè)，取得了良好的經(jīng)濟效益。