輸電線路異物清除裝置研究

周輝 楊穎銳 楊生蘭

摘 要：目前輸電線路上的異物清除常依靠人工方式進行，但隨著無人機應用廣度和深度日益增加，無人作業規模日益擴大，無人機在電力行業中用于輔助進行輸電線路巡檢工作得到了不少成效。文章通過研究比對幾種輸電線路除異物裝置，并結合旋翼無人機的應用搭載，研究出一種適合于現在輸電線路無人機班組應用的線路異物清除裝置，進行了專業的無人機除異物的技術手段分析。

關鍵詞：線路；無人機；異物清除

前言

目前輸電線路導地線上存在塑料薄膜、風箏、釣魚線等異物時，主要依靠帶電作業或停電檢修時處理。而帶電作業耗費人力物力較大、安全風險也較大，停電作業則需等待較長時間，異物將長期影響線路運行安全。亟需研究一種既能及時進行處理又可降低人身安全風險的裝置和方法進行線路異物清除[1]。

輸電線路除異物目前國內外主要進行帶電人工清理，或停電、帶電時采用金屬工具進行，也有試驗采用除異物機器人進行異物清除，但均需人員較高程度的參與，將工器具送至導線，勞動強度和安全風險較大，但尚無利用無人機掛載除異物裝置開展異物清除的應用[2]。所以無人機的出現和應用是線路安全運行，解決作業人員人身安全的必然趨勢，因此需要借用無人機平臺研制一種使作業人員不進入高壓強電場的，輕巧、便捷、安全的能快速處理線路異物的清理工具。

1 國內相關研究

目前，國內很多輸電線路運維單位均在開展異物清除新方式的探索研究，主要有以下幾個方面：

1.1 方式1：輸電線爬行燒除機

爬行燒除機是以電池和電機作為原動力，五行輪帶動履帶轉動，履帶上橡膠在導線上摩擦從而推動機器在導線上行走，然后利用高壓輸電線材的燃點遠高于異物的燃點從而用脈沖式噴火方式處理異物，燃燒后留下的焦炭很脆、很疏松，受壓后極易破碎脫落，此方法已經投入使用[3]。但爬行燒除機重量較重，體積較大，對于無人機班組出行任務攜帶不便，并且需要工作人員爬上鐵塔，將爬行燒除機安放在輸電線上，耗時耗力。

1.2 方式2：電動剪刀

設計一個帶有橡膠輪的電動平臺，將機械剪刀安裝在平臺上。利用無人機將平臺掛在輸電導線上，通過地面遙控使平臺在導線上可以來回移動。當平臺靠近異物時，遙控電動剪刀將異物切斷[4]。但電動剪刀安裝在無人機平臺上，因此對飛控手的操作水平要求較高，且需要反復應用多次才能夠清除，除異物效率較低。

1.3 方式3：機械異物清除器

如圖1所示，利用無人機將清除器掛在輸電線上，工作人員在地面通過拉絕緣繩來調節纏繞爪和清除器在輸電線上的位置，使纏繞爪繞著轉軸轉動，用纏繞爪將風箏、塑料袋等異物清除[5]。但由于需要人工操作纏繞爪和清除器，工作效率低。機械異物清除器直接接觸輸電線路上，易造成線路放電、導電等，極其不安全。

1.4 方式4：激光清除異物

利用高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加熱至汽化或融化溫度并形成空洞，隨著光束對材料的移動，孔洞連續形成寬度很窄的切縫，完成對材料的切割[6]。原理是將電源供電的激光模塊搭載在旋翼無人機上，讓無人機靠近輸電線上的塑料袋，風箏等異物，在距離5米左右的地方打開激光裝置，激光照射在異物上，利用產生的高溫將異物熔斷，達到清除異物的目的[7]。但由于旋翼無人機載重有限，大功率激光設備太重。小功率激光溫度較低，需要長時間持續的對焦在固定點，才能夠使異物燃燒。此種方式目前也仍然處于理論研究階段，未實現應用。

2 技術探究

研究小組經過相關學術研究及探討，并結合實際場景應用分析得出：雖然以上幾種方式都理論上可行，并且部分方式已經投入應用，但仍然有許多存在的問題。在實際無人機班組出巡任務中能需要高效、快速、有效、便捷地進行線路異物清除，因此我們考慮采用火燒的方法。操作方法為將一套噴火裝置安裝在無人機平臺上，讓無人機帶著噴火裝置靠近異物，噴出火焰將異物燒掉。

3 研究設計內容

3.1 設計原理

在旋翼機上搭載除異物裝置，讓無人機靠近輸電線上的塑料袋，風箏等異物，通過遙控器向電動閥門發送遙控信號，在異物掛載物附近打開閥門開關使丁烷氣體噴出；然后發送遙控信號控制電火花發生模塊使它產生電火花，電火花將氣體點燃產生火焰。火焰對準輸電線異物使其燃燒，從而清除異物，達到清除異物的目的。

3.2 結構設計

旋翼無人機可搭載的噴火裝置結構設計如圖2所示。

3.3 燃燒原料

丁烷是一種無色可燃性氣體，是發展石油化工、有機原料的重要原料，其用途日益受到重視，目前已經較為普遍的應用于日常生活中。便攜式丁烷氣罐目前是市面上較為常用的經濟型燃燒液態燃料。

3.4 燃燒方式

丁烷氣罐外部通過電磁閥門和噴桿相連，電磁閥門和電火花發生器連接在遙控的接收機上的兩個通道上，這兩個通道分別控制氣體輸出和電火花的產生。也就是說，是利用無人機自身的遙控接收器作為這套點火設備的遙控信號接收器。對于操控手來說，在操作旋翼無人機進行巡檢作業時更便于點火設備的控制與操作。

操控手通過操作無人機遙控器的氣體控制開關，打開閥門開關使丁烷氣體噴出。然后發送遙控信號控制電火花發生器產生火花，將丁烷點燃產生火焰。火焰對準輸電線異物使其燃燒，從而清除異物，達到清除異物的目的后。關閉氣體控制按鈕，使氣體停止噴射。

3.5 技術指標

通過以上的結構設計，實際應用和反復測試，研究團隊得出以下測試/技術指標，如表1所示。

3.6 研究應用

本次旋翼無人機噴火裝置研制成功后，我們將裝置實際應用于燒毀消除線路懸掛的異物。首先我們將無人機飛行到異物點位，在水平距離導線5米處，然后開始噴射柱狀火柱，對導線上懸掛的風箏線進行燒毀消除。而此作業過程，均由懸停在較高處的四旋翼無人機全程監控，確保缺陷徹底消除。

3.7 研究結論

經過測試/技術項目與實際應用可以看出，本次研究內容的輸電線路異物清除裝置-噴火裝置具有體積小、重量輕、性價比高等特點，能夠適用于輸電線路的無人機巡檢班組在任務出行中對于輸電線路異物清理工具的輕巧、便捷、安全的需求。

3.8 應用意義

無人機噴火設備的實現，使導線上懸掛纏繞異物的處理時間由原來的40多分鐘降低至現在的5分鐘，極大提高了工作效率，降低了作業人員的勞動強度。充分發揮無人機作業優勢，自主創新、自主研發無人機噴火技術。該技術可以安全高效地清除懸掛在導線上的的風箏、編織袋或塑料薄膜等各類纏繞物，迅速消除線路安全隱患，大大縮短作業時間，減少帶電作業人員工作強度，既節約了各類成本，又保證了消缺質量，極大降低了登塔作業人員的危險性。

4 結束語

利用無人機遠程操控的形式清除異物，一方面可以節約一定的人力、物力成本，對提高線路異物清除工作經濟效益具有十分重要的意義；另一方面可以保證人員安全，避免線路異物清除工作中出現生命財產損失等情況，不會對人員生命安全形成威脅。因此，現階段維護輸電線路運行安全清除工作中發揮出最佳效果，進而為輸電線路的安全運行提供充分的保障。

總之，無人機在線路異物清除工作中的應用具有十分重要的意義，可以充分實現線路異物清除目標，也可以為線路安全穩定運行提供充分的保障。因此，對于線路異物清除和維護工作中，可以合理使用無人機這種先進的方式。在未來的研究中，仍然會繼續依托無人機作為搭載平臺進行輸電線路的運行檢修的多樣化應用。

參考文獻

[1]彭向陽，陳馳，饒章權，等.基于無人機多傳感器數據采集的電力線路安全巡檢及智能診斷[J].高電壓技術，2015，41（1）：159-166.

[2]彭向陽，劉正軍，麥曉明，等.無人機電力線路安全巡檢系統及關鍵技術[J].遙感信息，2015（1）：51-57.

[3]梁偉，陳杰，劉洋，等.清除架空線路異物的新型裝置及其試驗研究工程[J].中國電業（技術版），2015，9.

[4]付克勤.架空線路異物清除裝置的研制[J].電工之友，2015，12.

[5]劉明亮，楊厚峰.導線易漂浮物清除工具的研制與應用[J].自動化博覽，2011，2：185-787.

[6]金立軍，姚春羽，閆書佳，等.基于航拍圖像的輸電線路異物識別[J].同濟大學學報（自然科學版），2013，41（2）：277-281.

[7]孫曉東，王松，趙凱華，等.激光切割技術國內外研究現狀[J].熱加工工藝，2012，1（9）：214-216.