高压输电线路巡检机器人能源在线补给装置的研制

周风余，温龙旺，苏 鹏，郭 丹

（山东大学控制科学与工程学院,济南 250061）

高压输电线路巡检机器人能源在线补给装置的研制

周风余，温龙旺，苏 鹏，郭 丹

（山东大学控制科学与工程学院,济南 250061）

0 引言

高压架空输电线路巡检机器人携带大量的检测仪器和通信设备沿输电线路行驶,对线路故障及安全事故隐患进行巡视,并将所检测的信息实时向地面传送，能量消耗较大。由于机器人悬挂在输电线上，而高压输电线路又多分布在野外,跨越山川湖泊，在巡检过程中需要频繁更换电池，给巡视工作造成极大不便,限制了巡检机器人的广泛应用。因此，为彻底解决巡检机器人的能源瓶颈，研究如何从高压输电线感应取电的方式为机器人在线补给电能,最大限度地提高机器人的续航能力，使之真正符合实用化的要求，成为一个必须要解决的问题。

1 巡检机器人电源系统结构

图1为高压输电线路自动巡检机器人电源系统的整体结构框图，它由能源在线补给装置、电池和DC-DC电源转换模块等组成[1]。其中能源补给装置由一相高压架空输电线为原边，以铁磁线圈为副边的电流互感器（CT）、开关电源、电流检测电路、斩波器、电池检测及充电控制器、自适应电源切换器和蓄电池等组成。

由于输电线路无断点，同时机器人在行进过程中需越过悬垂、线夹及各类跳线等障碍，CT铁芯不能设计成一个整体，而需要剖分式结构。在正常工作时两部分合为一体，跨越障碍时由安装在机器人手臂上的机械装置将其分开。在CT进行开合运动时，为了减小执行机构的电磁阻力，可控制使副边线圈短路。

图1 巡检机器人电源系统整体结构框图

2 CT的设计

2.1 感应取电原理

CT工作原理类似变压器，其空载等效模型见图2。与一般变压器不同的是：一次侧由交流电流而非电压控制，且一次侧只有1匝绕组。设输电线路中的电流为I1，并将机器人等效为一个阻抗Z，则由感应线圈与机器人组成的回路中将产生电流I2。输电线路（初始绕组）的电压波动很小，可认为基本不变，但电流却会随负载的变化在零点几倍到10倍甚至几十倍的额定电流（短路情况下）范围内变化。

图2 自具电源装置电路等效图

根据电磁感应定律,当电流较小，铁芯工作在线性范围内时，负载Z两端的电压有效值为：

式中，E2为副边电动势有效值；N2为副边匝数；Φm为磁通量幅值；f为电流基频(50Hz)；B为磁感应强度；S为铁芯的截面积。

由式(1)，并结合铁芯的磁化曲线（图3）可知，在磁化曲线的线性段时，副边电压与原边电流按近似比例关系增加。但当原边电流增大到一定数值后，铁芯进入饱和状态，此时Φm基本上保持不变，从而使副边电压的有效值基本不再变化。经整流滤波后的直流电压变化也较小，通过稳压后即可为后端电路提供电能[2]。但当原边电流很大时，副边电流会相应增大，多余的电流（能量）必须需要采取适当的措施进行限制[7]或直接将副边短路。

图3 初始磁化曲线比较图

2.2 CT铁芯材料的选择

按式(1)，可求得负载Z吸收的有功功率P为：

式(2)中R为Z的电阻分量。若忽略漏磁、气隙等次要因素，I1与副边电流I2应满足：

由式(2)可知，只要增大N2，B或S，就可提高副边输出功率，但由于受机器人体积和重量的限制，S不可能选得太大；另外N2选择也要慎重，并非越大越好，由式(3)知，副边电流与N2成反比，增加N2会使得副边带负载能力下降，因此要综合考虑。那么在S一定，N2又不能太大的情况下，选择合适的铁芯材料来提高磁感应强度B就成为提高输出功率的重要途径[3-4]。

对于实际线路来说,输电线电流会随负载的变化在零点几到几十倍的额定电流范围内变化。因此该取电装置不但在I1较大时能获取足够的能量,当I1较小时,也要获取一定的能量。常把取电装置正常工作的最小电流称作启动电流I0。根据文献[7]可知,铁心体积越大,I0越小。但增大铁心体积会带来重量的增加,这对重量和体积要求苛刻的机器人来说是不现实的，因此提高铁芯的初始磁导率μ0成为唯一可行的方法。由图3可知,在弱磁场(图3中0～H′段)作用下,磁感应强度B的增量主要取决于磁材料的初始磁导率μ0。传统导磁材料,如硅钢片、铁基非晶合金等的饱和磁通密度虽然较高，但初始磁导率μ0却比较低,而铁基纳米晶合金的μ0相对较高,根据表1提供的数据,μ0提高了80多倍，其饱和磁通密度略低,这正是在实际中所需要的,因为母线电流在大到数十千安的状态下,铁心要在尽可能小的电流下达到饱和,来抑制CT的功率输出,因此在巡检机器人的电源系统中，选择铁基纳米晶合金作为CT的铁芯是比较合适的。

表1 非晶、纳米晶与传统材料性能比较

2.3 CT副边线圈匝数的确定

根据上面的讨论，匝数太少会使感应电动势及输出功率较小；但如果匝数太多，又会使输出电流减小,负载能力下降[2]。下面介绍通过实验获取最佳线圈匝数的方法。

CT铁芯采用铁基纳米晶合金，环形，内径90mm，外径130mm，高32mm；以729Ω电阻(机器人等效阻抗的电阻分量)作为负载。测得的启动电流I0与匝数N2之间的关系曲线如图4所示。可以看到:电源的I0与匝数N2有很大关系。匝数在530附近时，I0最小，约为32A；匝数小于400时,会使I0急剧增加,这主要是启动状态下铁芯已经饱和的缘故。因此530匝就是该装置的最佳线圈匝数。

图4 启动电流与二次侧匝数之间的关系曲线

3 能源在线补给装置电路设计

巡检机器人电源系统控制流程如图5所示。CT从高压线路上获取的交流电通过开关电源转换为直流电源，一路直接连到电源切换器，一路通过斩波器向电池充电。根据开关电源输出电压与电池电压大小关系，电源切换器会自适应地把开关电源的输出或电池的输出引入到DC-DC模块的输入端。电池充电过程中，充电电流检测电路用于控制开关电源的占空比，保证充电过程中某一阶段的恒流充电；电池检测电路对电池电压及温度等实施监测，并将信息传送给充电控制器，作为控制电池充电、机器人停机的依据。同时机器人控制器根据运行状况，可随时要求充电控制器短路掉CT副边线圈。

图5 电源系统控制流程图

根据图5的控制流程设计的在线补给装置电路原理图如图6所示。下面就图6中的几个重要元件和环节的作用作简单介绍，并对充电电路的工作原理进行详细说明。

3.1 平波电抗－L1

平波电抗主要起限流和分压的作用,保证电源在大电流状态下的正常工作。根据文献[7]可知，采用适当的平波电抗可以把二次侧电流峰值I2m限制到几个安培。平波电抗L1除了限流作用外,还起到保护后续电路的作用，使较高的二次感应电压绝大部分降到自己身上。可以计算,在CT深度饱和状态下,平波电抗可承受高达数千伏的脉冲电压。它的使用使整流桥及其后续电路只需要承受不高于200V的电压,降低了全波整流等后续电路的耐压要求，使得在整流桥上消耗的功率减小,进一步降低了启动电流。

3.2 能量卸放电路

CT感应得到的交流电经过平波电抗－初级滤波－整流－次级滤波得到的整流电压会随着高压输电线电流的升高而升高,而该电压的升高,使后续电路的等效阻抗增大，使稳压电容C5的放电电流减小,最终使得整流电压上升得更快。为了保护后续电路,必须把整流电压限制在要求的范围之内。为此电路中设计了由Z1，R1，R2，R3，RW和MOSFET Q1组成的能量泄放电路。当整流桥输出电压较高时,Q1导通,卸放电路进入工作状态,多余能量通过大功率电阻RW（50Ω 100W）泄放掉；当整流桥输出电压恢复到正常范围内时,该电路不工作,因此不会影响电源启动电流。

3.3 智能型充电电路分析

3.3.1 电池充电方式

鉴于锂电池的诸多优点，在巡检机器人中选用锂电池。但锂电池对充电电路的要求也比较高[8]。在充分吸收现有充电电路优点的基础上[8-9]，设计出了图6所示的具有快充和慢充的智能型锂电池充电电路。

图7为该充电电路的充电电流和电压曲线。从图7可以看出：在快充阶段(0～t1)，充电器以恒定电流0.5C（C表示充电电池的容量）对电池充电，当VBAT到达规定值后，由单片机控制结束快充，避免过量充电；在慢充阶段(t1～t2)，单片机输出PWM控制信号，控制斩波器，以恒定电压对电池进行充电，此时充电电流按指数规律下降，当电池电压上升到规定值时，结束慢充，进入涓流充电阶段；在涓流充阶段(t>t2)，单片机输出占空比更小的PWM控制信号，把充电电流控制在0.05C以内对电池长时间慢慢充电，从而能最大限度地延长电池寿命。

图6 能源在线补给装置电路原理图

图7 充电电路的充电电流和电压曲线

3.3.2 充电电路工作原理

电池充电电路主要由开关稳压电源、斩波器、电流、电压及温度检测电路和控制器等部分组成，具有过流保护，过压、欠压保护和超温保护功能。

3.3.2.1 开关稳压电源

开关稳压电源采用半桥式PWM变换电路。其工作原理是：由U2(TL494)开关电源集成控制器的8脚和11脚，输出反相的PWM信号,经三极管T3、T4互补放大,通过驱动变压器DT,为三极管T1和T2基极提供驱动信号。使T1和T2交替通断,高频变压器HFT的初级绕组N1就会产生方波电压,在HFT的次级绕组N2、N3中产生感应电压,该电压经整流、滤波后，变为直流电压，一路直接连到电源切换器,一路通过斩波器向电池充电。HFT次级绕组N4、N5为辅助绕组，其感应电压经整流、滤波后,接至U2的12脚,作为其工作电压。

电阻R10串接在HFT次级绕组N2和N3的中间抽头与输出地之间，作用是监控快充充电电流和过流保护。

恒流控制过程为：当充电电流超过恒定值0.5C时，R10上的压降增大,该压降经并联电阻R22、R23反馈到U2的15脚，使其电位变为负值，低于U2的16脚，则内部电流误差放大器输出电压升高，使U2的8脚和11脚输出的PWM信号的脉冲变窄，从而缩短T1和T2的导通时间，使输出电压下降，维持充电电流恒定；随着充电时间的延长，电池电压逐渐升高，充电电流按指数规律下降，U2的15脚电位按指数规律上升，则U2的8脚和11脚输出的PWM信号脉冲逐渐又变宽，从而延长T1和T2的导通时间,使输出电压升高,充电电流保持恒定。

在慢充阶段，通过电阻R29、R30、R31、R32、C18、C19组成电压取样电路和U2内部电压误差放大器，使输出电压恒定。

恒压控制过程为：取样电压输入到U2的1脚，与U2的2脚的基准电压比较,其误差信号放大后，经内部电路处理,改变U2的8脚和11脚输出的PWM信号脉宽,从而使T1、T2的导通时间改变，维持输出电压恒定。

3.3.2.2 斩波器

斩波器电路由三极管T5和由T6、T7组成的达林顿管及电阻R12、R13、R14、R15等组成。工作过程为：U1的14脚输出的PWM控制信号经电阻R15接至T5的基极，控制T5通断，从而使T6和T7亦导通或截止，充电电流通过T7对电池充电。改变PWM控制信号的脉宽，就改变了充电电压。

3.3.2.3 控制器

控制器由ATMEL公司生产的高性能单片机ATmega48V、LM358N和74HC14以及电阻电容等组成。单片机内有2个8位的定时/计数器，1个16位的定时/计数器，可以满足本电路对开启时间、脉宽、脉冲频率的精确控制。另外其内部的独立硬件看门狗，可以有效地防止系统死机。

控制过程为：快充阶段U1的14脚输出高电平，使斩波器导通，通过电流监控电路，以恒定电流对电池充电。当电池电压VBAT上升到规定值时，由电阻R33、R34、R35对电池电压取样后，送至比较器U3A的3脚，与2脚的基准电压比较，在1脚输出高电平，经反相器U4A、U4B进入U1的25脚输入高电平，再经软件滤波和延时，判断检测无误后，U1的14脚输出低电平，关断斩波器，停止充电，快充阶段结束。慢充阶段，U1的14脚输出PWM控制信号，使斩波器以固定的占空比导通，充电器以恒定电压对电池充电，此时充电电流随着电池电压的上升，按指数规律下降。当电池电压VBAT上升到规定值时，由电阻R33、R34、R35对电池电压取样后，送至比较器U5B的5脚，与6脚的基准电压比较，在7脚输出高电平，经反相器U6A、U6B进入U1的24脚输入高电平，结束慢充。涓流充阶段，U1的14脚输出占空比更小的PWM控制信号，使斩波器以较小的占空比导通，将充电电流维持在0.05C左右，对电池进行涓流充电。

1）欠压保护。当开关电源的电压大于电池电压时，电源切换器V1的3脚和2脚之间导通，1脚和2脚之间反向截止，DC-DC的输入为开关电源电压；如果线路无电流或电流小于启动电流时，开关电源无输出或输出电压小于电池电压，此时电源切换器V1的3脚和2脚之间反向截止，1脚和2脚之间导通，DCDC的输入为电池电压。这种情况下，补给装置已无法给电池充电，机器人系统的运行能量完全靠电池供给，当电池电压降低到容许的最小值时，由电阻R51、R52及电位器WR1采样后，送至比较器U5A的2脚，与3脚的基准电压比较，在1脚输出高电平，经反相器U4E、U4F进入U1的26脚，U1通过串口通知机器人控制器，命令机器人停机，以避免由于过放而损坏电池。当充电到正常水平后再继续执行巡检任务。

2）超温保护。是通过附加在电池上的正温度特性热敏电阻RT及R38、R39实现的。当电池温度升高时，热敏电阻RT的阻值增大，则U3B的5脚电压上升；若电池温度TBAT升高到规定值时，5脚电位高于6脚电位，则7脚输出高电平，U1的23脚输入高电平，则U1的14脚输出PWM信号，使充电器以涓流充电方式对电池充电，有效地保护了电池。

4 实验结果

4.1 感应取电装置在一次电流作用下的响应

感应取电装置的参数：铁芯采用铁基纳米晶合金，环形，内径90mm，外径130mm，高32mm；二次匝数N2为530；平波电抗L1为60mH；稳压电容C5为4700μF；泄放电阻为50Ω/100W。实验中以729Ω的电阻作为负载，实验结果如下。

启动电流约为32A；在母线电流32A～9kA的范围内，稳压电容C5上的整流电压曲线及输出功率曲线如图8所示。从图8可知，即使一次电流高达9kA，整流电压最大值没有超过240V，而且增长缓慢。从该趋势来看，电源可以工作在更大的母线电流下；从输出功率曲线可以看到，在启动电流时，自具电源的输出功率仅5W，随着一次电流的增加，输出功率越来越大，当一次电流在60A时，输出功率约20W，到500A时已达200W。但由于平波电抗和卸放电路的原因，当一次电流继续增加时，最大输出功率的增加变得缓慢，即使达到9kA，也没有超过300W。

图8 一次电流与整流电压、输出功率的关系曲线

实验结论：该感应取电装置可以稳定工作在一个较大的一次电流范围内。这种方案，结构简单，工作可靠，仅与一次电流大小有关，与电压等级无关，因此可用于110kV以上所有电压等级的线路上。

4.2 锂电池充电电路的关键参数

电池参数：容量24V 12A·h，由7串6并共14节3.7V/2000mA·h锂离子电池组合而成，充电电路最大充电电流限制为0.5C，即6A，最大输出电压为29.61V。充电开始时，充电电路以6A的电流对电池快速充电，当VBAT≥28.00±1%V时，单片机控制结束快充；然后以29.61V的恒定电压对电池进行慢充，直至电池电压VBAT≥ 29.40±1%V时，结束慢充；最后控制充电电压为29.41V，把充电电流限制在6A以内对电池进行涓流充电。只要线路条件允许，这个阶段可持续进行下去，即可长时间对电池涓流充电（浮充），最大限度地延长电池寿命。

温度保护点设为40℃，当电池温度升高到40℃时，单片机控制充电电压下降到29.41V，随着温度的回落，充电电压恢复到保护前的状态继续充电。

实验结论：该充电电路结构简单，调节方便，通过调节最大充电电流（0.5C～1.0C）可调整充电速度；控制方便、灵活，充电电压易调节，涓流充电时间无限制；可以做到线路有电时，电池充电；线路无电时，用电池，较好的解决了巡检机器人的能源问题。

5 结论

由于缺乏能源在线补给装置，目前高压输电导线上的在线检测、监控设备一般都是采用电池供电，特别是对于工作在高压架空输电线路上的巡检机器人来说，电池容量较大，致使体积、重量大，充电时间长，并需频繁更换，非常不方便，极大地限制了它的广泛应用。

本文介绍的电源系统不仅能将架空高压输电导线周围的磁能转化为电能，直接为外接负载供电。而且由于带有充电电路及备用锂电池，即使线路停电，装置内部的备用锂电池组也能保证较长时间的不间断供电。因此，这不仅打破了高压输电线路巡检机器人的能源瓶颈，也为巡检机器人的广泛应用铺平了道路；同时还可广泛应用于其他高压输电导线上各类电气设备和野外带电作业移动设备，具有广阔的应用前景。

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Development of On-Line Energy Supply Device for High-Voltage Transmission Lines Iterative Inspection Robot

ZHOU Feng-yu,WEN Long-wang,SU Peng,GUO Dan
（School of Control Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250061,Shandong Province,China）

In order to completely solve the energy supply problemof high- voltage transmission line iterative inspection robot, atype of on- line energy supply device was introduced , which can be applied to the inspection robot for high voltage overhead power transmission lines. The systemismainlycomposed ofself- supplying power source, battery charging sets, batteries and DC- DCmodules.In which, self- supplying power source changes magnetismenergy around the high voltage transmission lines intoDCenergy, which can not only supply power for the robot directly, but also online charge batteries bychargingcircuit tomeet the demands for longtime or long distance uninterrupted inspectingwork. At the same time，the device can be widely used in other electrical equipments for high- voltage transmission lines and field electriferous mobile devices, so it has broadapplicationprospects.

power transmission lines;inspection robot;selfsupplyingpowersource;intelligentcharging

为了彻底解决高压输电线路巡检机器人的能源供给问题，介绍了一种适用于高压架空输电线路自动巡检机器人的能源在线补给装置，该装置主要由自具电源和锂电池充电电路组成。其中自具电源将高压输电线周围的磁能转化为直流电能，它不仅可直接为机器人供电，而且还可以在电源控制器的控制下通过充电电路对备用锂电池在线充电，完全满足机器人长时间、长距离不间断巡检工作的要求，同时该装置还可广泛应用于其他高压输电导线上各类电气设备和野外带电作业移动设备，具有广阔的应用前景。

输电线路；巡检机器人；自具电源；智能充电

国家863计划资助项目(2002AA420110-4)。

1674-3814（2010）01-0018-07

TP24

A

2009-03-27。

周风余（1969—）,男，博士，教授，研究方向为特种机器人的研究、开发和利用，电力系统，计算机控制系统。

（编辑 冯 露）