变压器内部故障检测机器人的设计与制作

【摘　要】为了能够从各种角度观测查找故障点，本项目设计制作一种在铁质表面上行走的机器人，实现跨越障碍（如变压器油箱壁上的加强筋）。为此采用轮式与臂式结合的结构，利用永磁铁提供主吸附力（利用磁力将机器人吸附在油箱壁上），电感线圈电磁效应提供反向磁力实现脱离（使机器人能够移动），从而实现转向、爬壁和越障运行3个目标。

【关键词】变压器;故障检测;机器人;磁吸附;越障

1.项目研究背景及意义

变压器故障检测对电力系统安全稳定运行意义重大，现多由人工进行。采用微型机器人携带摄像头进入变压器，观察变压器局部放电、火花放电、可观测部位的绕组变形、是否有绝缘击穿等，同时配备相关检测设备，测量变压器内部异常信息量，并以电磁波信息与外界进行通信。

电力变压器发生铁芯多点接地、绕组变形、局部放电等故障时，通常需要停电检修。检修前为了准确判断故障类型、故障位置，经常需要放干变压器中的绝缘油，再人工经变压器上设置的人孔进入到变压器内部进行勘察。工作量很大且容易由于人工进入带来污染。因此需要研制一种微型遥控机器人，使其能够携带摄像头进入变压器，查找故障部位。

2.研究内容及实施方案

本项目致力于一种轮臂结合式越障机器人的制作，主要运用于电力变压器内部故障检测，同时可应用于摄像头难以直接监测的油管道、天燃气管道等铁质表面的密闭空间内部。

2.1机械结构

该机器人包括微型探测机器人器身和微型机器人外围数据处理系统；其特征在于，该机器人采用四个带刷电机驱动四个驱动轮，均匀布置在正方形的四个角，同时配有相关检测设备，测量变压器等密闭空间内部异常信息量。

2.1.1车轮结构的设计

本项目设计的机器人核心部分是四个车轮，以下就车轮各部分的具体设计制作方法进行详细的介绍。

（1）机器人车轮结构设计

本机器人的核心结构——车轮，即本项目的最大创新点。设计出的具体方案如下：

车轮由轴心连接四个结构相同的轮臂组合而成；每个轮臂分为前臂和上臂两部分，两者通过关节装置连接，上臂固定在轴心上；前臂的末端安装磁性装置，该磁性装置的内圈为永磁铁，外圈为电磁铁；轴心位置安装与电磁铁连接的微型变压器副边线圈和微型变压器原边线圈；轴心的四周与每条轮臂对应的位置处分别装有一个光电控制开关，紧靠轴心的位置设置发光二极管。

所述前臂与上臂之间的夹角为135°；每两个相邻的上臂之间夹角为90°。

所述关节装置内设置复位弹簧。

所述引电部分，是在轴心内安装与电磁铁连接的微型变压器副边线圈和微型变压器原边线圈，利用光电开关作为启动开关。外部电源通过该装置为电磁铁供电，实现电磁铁与永磁铁的吸附与脱离。

利用该车轮组合制作成的小型机器人进入变压器内部进行故障检测，代替人工检查，检测时不需要放光变压油，有效降低人员风险，并降低检修成本。

（2）电磁铁实验

本将购买来的永磁铁和电磁铁进行载重实验，目的是检验电磁铁通多大的电产生反磁力时能实现永磁铁与多大重量的重物分离。

本在电磁铁和永磁铁组合好的装置下吸引1kg重量的重物，给电磁铁通电，记录所加的电压和电流，观察在多大电压下能实现重物的脱落。

测得的参数如下：

电磁铁额定运行下，UN=12V，R=60Ω；

当电压U=35V时，可实现与1kg重物的分离，此时每个电磁铁至少需要30W的功率；

多次试验后，得出结论：要承受机器人的行走的牵拉力量，估计电压以60V为宜，此时R=47Ω，每个电磁铁至少需要77W的功率。

（3）引电控制模块和光电控制模块的实验

要为电磁铁提供使之产生与永磁铁反向磁力的电压，需要对引电模块进行设计和制作。

车轮在前进的过程中，当某条轮臂处于与铁质路面将要脱离接触的位置，与之对应的光电控制开关恰好与车体上的发光二级管相对，从而使开关打开，该轮臂上的电磁铁通电，产生的反磁力与永磁铁的主磁力抵消，实现了轮臂的脱离。

最终试验得到：

光电控制部分输入直流60V电压，红外发射管和硅光二极管相对时，顺利实现电磁铁装置与重物的脱离；红外发射管和硅光二极管相离时，可实现电磁铁装置与重物的吸附。

引电控制部分变压器匝数比（一次侧：二次侧：反馈）为40:20:7，三个100uF电容并联时，输入12V直流电，可输出60V直流电压。

2.1.2车体部分的设计

本根据机器人的特点以及制作成型的车轮结构，设计定做了循迹小车车体。

车体整体呈正方形，四个角分别伸出一个紧贴车体的短臂，作为车轮引接结构。

车体前方安装两个发动机，通过齿轮连接轴带动与轴连接的两个车轮旋转，作为驱动；后方车轮也由轴连接，作为从动轮。通过电源配合单片机控制发电机的动作驱使主动轮前行，从而带动了从动轮乃至整个机器人小车的行走。

2.2控制系统的设计

机器人的控制系统分为两部分：综合控制模块和用户控制模块。

（1）综合控制模块。包括无线通讯模块和电机控制模块。无线通讯模块主要用于接受操作盒的指令和监控机器人的状态信息。电机控制模块包括四个驱动电机及控制系统，主要用于控制电机的运行。

（2）用户控制模块。包括操作盒和监视器及与它们相连的无线收发设备。

操作者可以控制操作手柄，将指令通过用户控制模块发给机器人上的无线通讯模块，进而实现对机器人的控制。

2.3信号传输

信号传输部分在机器人检测过程中，将摄像头拍摄的变压器内部状况通过无线电传输到地面接收部分，实现对变压器的实时监测。并将拍摄照片传输给地面部分。同时通过无线电接收器接收动作传感器传输过来的机械手臂动作信号以及地面接收部分发出的控制指令信号，然后传输给单片机。

3.研究成果及结论

本机器人制作成功。机器人采用永磁铁与电磁铁配合的磁吸付设计，可在垂直、倒置平面上作业。同时，采用轮式与臂式结合的结构，越过障碍能力强，能够从各种角度观测查找故障点。

该微型机器人采用轮式与臂式结合的结构，利用永磁铁提供主吸附力，电感线圈电磁效应提供反向磁力实现脱离，从而实现了的越障运行。