關于一種高壓輸電線智能除冰裝置的探討

龔雷鋒　張文華　張浩亮

【摘要】：高壓輸電線智能除冰機器人由控制、行走、除冰、越障、智能充電五部分組成，可實現三個維度方向的運動，輕松越障、運行靈活，巧妙的設計使除冰快捷有效，安全可靠。

【關鍵詞】：除冰；行走；越障；無線充電

一、技術背景：

在冬天，高壓輸電線路上有可能結冰，給安全輸電帶來隱患。北方大面積地區輸電線系統都有除冰需要，現有的除冰機構雖然可以除冰，但由于結構的原因，都基本上不能或不能很好的越障，而高壓線路上有很多絕緣子、防震錘、間隔棒等，除冰機構無法跨越這類障礙，因此在實際使用的時候存在局限。

因此，設計一種新型的并且效率高、體積小、能耗小，可以跨越障礙的除冰裝置將有著非常重要的意義。

二、本裝置具體設計方案：

總述：

本裝置主要由行走機構、除冰機構、越障機構、保險機構、控制機構（包括線路設計和傳感器的使用）五大部分組成。

（1）行走機構設計：

行走機構主要由行走輪與緊壓輪組成。其中行走輪掛在高壓輸電線上，由減速電機驅動，為整個裝置提供前進、后退的動力，使得整個裝置可以沿輸電線前進、后退；而緊壓輪由氣動裝置控制。兩者配合運行，既可以提供較大的摩擦力讓裝置更可靠的行走，又可以提高行走過程中的安全性。

（2）除冰機構設計：

采用先"針刺"出裂紋，然后碾壓破碎的方案。這樣做既提高了除冰的效率又降低了能耗，有利于提高裝置的巡航能力。

本結構為對稱結構，前面有兩個可以伸縮的自行設計的"鋼針"，后面有兩個碾壓鋼輪。鋼針垂直于輸電線，碾壓鋼輪與輸電線平行。除冰時兩部分同時啟動，先由鋼針的伸縮運動使輸電線上的冰柱產生裂紋，再由后面的碾壓輪進行進一步的破碎，進而使覆冰脫落。

為了在除冰過程中不損傷輸電線，鋼針的頭部并是很鈍的，而且鋼針的行程也有嚴格的限制，對不同粗細的輸電線可以進行微調；當然，兩個碾壓輪之間的距離也是大于輸電線的直徑的。

（3）越障機構設計：

考慮到高壓線有絕緣子、懸垂線夾、防震錘和間隔棒等障礙物，為了達到越障時的平穩性、安全性和有效性的要求，本裝置采用前、中、后三手臂依次越障的"仿生"結構設計。

每個機械臂大的方面由兩套互相垂直的絲桿機構組成，而每個絲桿由獨立的步進電機驅動，每個機械臂都可以進行獨立的二維運動，而三個機械比的配合運動，也可以是裝置征途具有三個自由度的運動能力。

手臂通過絲桿與裝置主體相連接，即通過絲桿由裝置主體伸出并可貫穿于裝置主體的上下面。其特點是即可在越障時實現越障功能，又可以在越障后，通過絲桿與裝置主體的相對運動使裝置主體上升至與高壓線水平，然后用一鎖緊裝置使裝置與絲桿鎖定。接著裝置繼續實現正常的行走及除冰功能。

（4）保險機構：

為防止裝置在除冰時、越障時或發生故障時滑落，于是設計了"橫桿"保險裝置，擬在裝置的前后各加一組"橫桿"機構。

為了提高反應速度，橫桿機構由氣動裝置驅動，結構的初始工作狀態是把輸電線和裝置的主體扣在一起的，需要把裝置放到輸電線上或者從輸電線上取下時取下或越障需要時，需要控制系統把此結構打開或者手動打開。這種工作模式，可以避免裝置從輸電線上掉下。

（5）控制機構的設計（包括線路設計和傳感器的使用）：

控制部分采用手動、遙控、自動三種控制方式，以滿足不同工作情況的要求。手動控制部分設計為按鈕，以便于操作；遙控控制部分由遙控器、接收器、控制器組成；自動控制部分由傳感器、單片機組成。這三種控制方式的優先性為手動控制優先于遙控控制，遙控控制又優先于自動控制。在使用本裝置時具體使用哪種控制方式由使用者決定。

傳感器的使用：裝置在遙控控制及自動控制狀態時主要由傳感器采集信息，發送到控制器，用以輔助裝置的正常工作。此外，還可以在裝置上加裝多種傳感器，來擴大其應用的領域，比如在除冰的過程中檢測輸電線路、檢測氣象等。并且可以把收集到的信息發給使用者或發送到基站，以實現輔助決策。

（6）總結：

裝置的除冰機構、越障機構、保險機構、控制機構與裝置的主平臺固連在一起。行走機構固連在越障機構上，兩者組成"行走及越障機構"，兩機構配合工作，使得裝置具有很高的越障能力。

發展前景：

隨著我國經濟的高速發展，超高壓大容量輸電線路越建越多，線路走廊穿越的地理環境更加復雜。而且在嚴冬及初春季節，我國云貴高原、川陜一帶及兩湖地區常出現霧凇和雨凇現象，造成架空輸電線路覆冰，使電網結構遭到破壞。為了保證電力系統的可靠性，提高高壓輸電線除冰的效率，減少損失，維護工人的安全，研制并應用一種可以替代工人進行除冰作業的、安全有效的除冰機械進行導線除冰具有很好的應用前景和實用意義。

而隨著機器人技術的發展，采用機械除冰方式解決高壓輸電線的覆冰問題是很有前景的。

參考文獻：

[1]魏書寧.《高壓輸電線線路除冰機器人的除冰機構設計》.2012.07.004

[2]楊晹.《架空輸電線路除冰機器人的結構設計》.2009.03

[3]王超.《高壓輸電線上除冰機器人的系統設計》.2010.02

[4]李海.《架空高壓輸電線除冰機器人設計》.2010

作者簡介：

龔雷鋒（1992-）男，漢族，河南周口人。現為鄭州大學機械工程學院2013級本科生。