探讨变电站巡检机器人无线充电关键技术

黄建力

摘要：变电站巡检机器人智能化程度高、检测精度高，对环境适应性强。它在变电站设备检测中的应用越来越广泛。现有的变电站巡检机器人一般采用接触式充电方式，存在很多安全隐患。然而，变电站巡检机器人无线充电技术具有无电气连接、无泄漏接口、无接触火花和磨损老化问题。本文就变电站巡检机器人无线充电关键技术进行了分析。

关键词：变电站;巡检机器人;无线充电

电站巡检是保证设备安全稳定运行，提高电力系统供电可靠性的有效途径。随着变电站数量、规模和智能化水平的提高，人工巡检方式越来越难以满足要求。变电站巡检机器人以其智能、准确的检测方法和较强的环境适应性，逐渐开始取代人工检测方法，成为变电站设备检测的常用手段。

一、变电站巡检机器人概述

目前，人工巡检仍是变电站巡检的主要方式，但变电站数量和规模的不断增加，使得巡检工作越来越繁重，对变电站运行安全稳定的要求也越来越高。特别是国家电网公司“三集五大”战略实施后，变电站的智能化水平逐步提高，开始向无人值班变电站转变，变电站巡检机器人以其独特的优势开始进入实际应用阶段。变电站巡检机器人的巡检对象主要是固定区域内的线路和设备，大多工作在露天。接触式充电方式充电接口的磨损和老化容易导致充电连接失效，特别是在恶劣的天气条件下，更容易带来安全隐患，而无线充电技术不存在上述问题。

二、变电站巡检机器人无线充电关键技术

（一）磁场屏蔽技术优化分析

铝制外壳配合铁氧体磁芯屏蔽作为无线充电系统的主要屏蔽方式，能够屏蔽掉大部分的漏磁通，但是在铝制外壳下部以及安装孔处，仍有较大的漏磁通，尤其是机器人铝壳下方、安装孔和轮子等局部漏磁通較为严重，仍然会对系统带来干扰以及安全隐患，影响变电站巡检机器人无线充电的正常进行。

变电站巡检机器人采用磁耦合谐振式无线充电技术进行能量传递，为了避免系统高频漏磁通对充电稳定性的影响，要重点关注和加强磁场屏蔽方法的研究，解决变电站巡检机器人无线充电系统的电磁干扰问题。

由于铝制材料体现出高强度、低密度的特性，具有良好的导电性、导热性、抗腐蚀性和抗氧化性，因而可以采用机器人铝制外壳的屏蔽方式，在涡流效应下形成反向磁场，冲抵无线充电系统周边的漏磁场，实现磁场有效屏蔽。同时，还搭配应用铁氧体磁芯，提高发射和接收线圈间的耦合系数，将磁场约束在发射线圈和接收线圈之间，减少磁场能量在铝制外壳的辐射损失，提高系统输出功率。

对于机器人铝制外壳下部及安装孔处的漏磁通干扰，可以采用谐振式无功线圈屏蔽的辅助屏蔽方法，无须添加额外的电源，削减局部定点的漏磁通。通过调整串入电容值的大小，实现对屏蔽线圈阻抗值的调整。谐振式无功线圈辅助屏蔽方式能够实现对局部定点的漏磁通的有效屏蔽，并对离屏蔽线圈越近的位置屏蔽效果越好，而对距离谐振式无功线圈较远位置的屏蔽效果较差，可以采用移相器进行相位调整，提升和改善屏蔽效果。

（二）BP神经网络金属异物检测优化技术分析

磁耦合共振无线充电技术以其安全、稳定、经济等优点，在变电站巡检机器人等领域得到了广泛的应用。充电过程中，金属杂质混入充电区会产生涡流效应，影响系统充电效率，带来安全隐患。因此，及时检测金属杂质的混入是非常重要的。当无线充电技术应用于变电站的巡检机器人等设备时，其运行状态会受到周围环境的影响。这是因为除了发射线圈和接收线圈之间的耦合外，系统还将与周围的磁性介质产生耦合效应，从而影响系统的工作状态。金属异物与系统线圈之间的耦合会影响线圈间的磁场分布和系统的工作参数，进而对系统的能量传输效率和稳定性产生负面影响。

对无线充电的影响金属异物的混入会对系统线圈间的耦合作用产生较大的影响，使线圈间的磁场分布及工作参数发生改变，降低系统能量传输效率和稳定性。由于无线充电系统正常工作时会在线圈间产生高频磁场，而金属异物的混入会产生涡流效应，增大系统发射线圈的等效电阻，降低系统发射线圈的等效电感，降低线圈间的耦合系数和传输效率。

可行性分析变电站巡检机器人无线充电系统的充电过程工作状态：（1）充电对位过程。在变电站巡检机器人充电对位的过程中，如果有金属异物混入则会导致发射端的电流、频率出现变化。（2）充电过程。在变电站巡检机器人的调频、恒流充电、恒压充电、涓流充电等阶段中，如果存在金属异物的混入，则会导致发射端的电流、频率出现变化。可以引入BP神经网络方法，对变电站巡检机器人无线充电的不同过程进行检测、计算和描述，通过若干个隐含层和线性输出层处理复杂多样的非线性问题，体现出较强的自学习、自适应、容错性和并行计算能力。

（三）线圈优化技术分析

磁耦合谐振式无线充电利用系统电路谐振发射和接收线圈之间的强磁耦合方式，进行高效、远距离的传输，可以通过控制发射端高频逆变器开关元件的开关速度实现系统调频，进行输出功率大小的调节控制，无须直流斩波模块，降低系统应用的复杂性。在应用变电站巡检机器人的无线充电技术中，要重点考虑接收线圈和发射线圈之间的精准定位，避免两线圈中心点不重合对系统传输效率的影响，发射线圈可以采用最优化参数的分束型线圈结构，优化各个线圈束包含的线圈匝数和内径修正值，较好地改善充电区域磁场的分布状态，减小线圈对位偏移的影响。

三、结束语

综上所述，变电站巡检机器人无线充电的关键技术主要从线圈优化、磁场屏蔽、金属异物检测三个技术入手进行分析，避免无线充电过程中线圈对位偏移的低效性问题，规避漏磁通对巡检机器人正常充电的干扰和影响，并采用BP神经网络进行金属异物的充电检测。后续还要进一步研究修正屏蔽线圈的抵消磁场和漏磁场之间相位差的问题，要采用移相器进行相位调整，提高屏蔽效果。

参考文献：

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