無人機高壓輸電線路異物清除裝置

嚴偉佳，徐 欣，席曉強，王東林，華 鑫，寇 淼

(1.國網江蘇省電力公司蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215000；2.昆山市工研院智能制造技術有限公司，江蘇 昆山 215300)

無人機高壓輸電線路異物清除裝置

嚴偉佳1，徐 欣1，席曉強1，王東林1，華 鑫1，寇 淼2

(1.國網江蘇省電力公司蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215000；2.昆山市工研院智能制造技術有限公司，江蘇 昆山 215300)

針對高壓輸電線路上各種可燃異物的清理問題，研制了一種無人機高壓輸電線路異物清除裝置，即利用六旋翼無人機攜帶噴火裝置，采用燃燒的方法清除異物。使用該裝置的工作人員無需靠近輸電線路，通過遠程遙控即可在帶電情況下快速清除塑料薄膜、風箏線等異物，既可保障工作人員的生命安全，又為企業節省大量的人力物力。

輸電線路；異物清除；無人機；噴火裝置

0 引言

電網系統主要利用高壓和超高壓架空線路進行遠距離電力輸配，輸電線路的安全是整個電網系統平穩運行的重要保障。輸電線路容易被塑料薄膜、風箏、廣告條幅等異物懸掛、纏繞，在雨雪等天氣中，這些異物如果被水打濕將導電，使線路相間距離或導線對地距離減小，從而引起相間短路或單相接地等問題，嚴重時會造成大面積停電，帶來巨大經濟損失。因此，為保證輸電線路的運行安全，必須及時清理其上的塑料薄膜等異物。

1 傳統輸電線路異物清除方式

傳統的輸電線路異物清除主要依靠人工作業，具體有以下2種作業方式。

(1)?停電后由電工上線摘除。這種作業方式降低了電網運行的可靠性，給用戶的生產、生活帶來不便，同時還會造成一定的經濟損失。

(2)?在帶電情況下利用絕緣斗臂車、絕緣操作桿、絕緣繩索，或是吊籃和軟梯等工具進行人工摘除。這種帶電作業方式危險性高、勞動強度大、耗時較長，而且受環境限制較大。

2 新型輸電線路異物清除裝置的研制

為保障帶電作業時工作人員的安全，提高工作效率，引入了新的方法和技術到輸電線路異物清理作業中，目前已研制了幾種異物清除裝置。

(1)?清除裝置具備行走機構，利用履帶和導線間的摩擦力在帶電的導線上行走，并以液態瓦斯為燃料，采用噴火燃燒的方式清除可燃異物。該清除裝置僅需1—2人操作，而且工作人員不必上線，降低了作業風險。其主要缺陷是需要登塔放置和回收機器，在不同線徑上行走時需要更換不同的輪子，以及需要注意防范火災等。

(2)?將激光技術引入到輸電線路的異物清理中，利用CO2激光器或光纖激光器，在地面控制高能激光束，照射異物的重力支撐部位或纏繞導線的部位；被照射部位吸收激光能量后產生高溫，并發生熔化或汽化現象，從而導致異物脫落，達到異物清除的目的。

(3)?利用無人機搭載噴火及異物清除裝置。本文主要介紹此種異物清除裝置。

3 無人機異物清除裝置研制

3.1 工作原理

我國的高壓輸電線路通常采用鋼芯鋁絞線，鋼的熔點為1?300—1?500?℃，鋁的熔點為660?℃；而塑料薄膜、風箏等異物的材質通常為聚氯乙烯、聚乙烯、尼龍、滌綸等，這些材料的熔點及燃點一般在500?℃以下。這就為采用噴火燃燒的方法對異物進行清理提供了前提條件。

噴火裝置將汽油作為燃料，汽油燃燒較充分時外焰溫度可達1?000?℃以上。為了最大限度地降低火焰對線纜的傷害，裝置通過圖傳系統和遙控系統控制噴火位置以及噴火時間。

3.2 系統組成

無人機輸電線路異物清除裝置系統組成如圖1所示，主要由無人機、定位系統、噴火系統、圖像采集和傳輸系統等部分組成。

圖1 無人機異物清除裝置系統組成

(1)?無人機。選用六旋翼無人機。該無人機為多旋翼飛行器，運動靈活，可通過控制螺旋槳的轉速進行上下、前后、左右、偏航等運動，可進行垂直起降和定點懸停，對起降場地條件要求不高，具有較強的適應能力。此外，六旋翼無人機還具有操控、檢修和維護簡單，訓練和維護費用低等優點。與四旋翼無人機相比，六旋翼無人機多出了2個冗余旋翼，提高了運動的穩定性，在受到外力干擾或部分旋翼受損時，仍能保持水平飛行并安全返航。

(2)?定位系統。無人機使用GNSS(global?navigation?satellite?system，全球衛星導航系統)和IMU(inertial?measurement?unit，慣性測量單元)進行導航定位。為進一步提高定位系統精度，加裝了RTK系統。該系統利用一種基于載波相位差分的實時動態定位技術，可以使無人機獲得厘米級的定位精度。該系統采用雙天線測向技術，具備較強的抗電磁干擾能力，能保障無人機飛行的可靠性。

(3)?噴火系統。該系統主要由油罐和噴槍組成，油罐用于盛放汽油。與氣態燃料相比，使用汽油這一液態燃料，可以增加噴出火焰的長度，使無人機能夠與輸電線路保持足夠的距離，減少帶電線路對飛行裝置的電磁干擾，且液態燃料形成的火焰更為集中，可以有效減少異物清理時間。

噴槍是噴火系統的關鍵部分，主要由碳纖維管(外殼)、汽油泵、手動總閥、電磁閥、噴嘴、防風罩、點火裝置、控制器及電源等組成。噴槍結構如圖2所示。地面工作人員利用無線電遙控器與噴槍控制器進行通信，控制點火裝置進行高壓放電點燃燃料，同時還可以通過汽油泵和電磁閥來控制噴油量和噴火時間。

圖2 噴槍結構

(4)?圖像采集和傳輸系統。選用三軸云臺相機來完成圖像采集工作，該相機具有良好的防抖功能，拍攝畫面穩定流暢。

圖像采集和傳輸系統使用無線鏈路動態適應技術，能夠實時(低延時)傳輸攝像機拍攝的畫面，地面工作人員可以通過與無人機遙控器相連的手機、電腦等裝置進行查看。該系統可以使地面操作者清晰地看到輸電線路及纏繞異物的狀況，使工作人員遠離輸電線路進行作業。此外，配有圖像系統的異物清除裝置除可進行異物處理外，還能進行輸電線路的巡檢等工作。

3.3 控制系統

異物清除裝置有2套獨立的控制系統:一套用于噴火裝置的控制；另一套是與無人機配套的控制系統，可用于除無人機、云臺相機及噴火系統以外裝置的控制。

3.4 工作過程

使用本裝置進行異物清除任務時，一般需要2人配合協同作業，其中一人控制噴火系統，另一人負責無人機等裝置的控制。

執行作業任務時，首先打開噴火系統控制器電源及遙控器電源，手動打開位于噴槍上的總閥。開啟無人機及其遙控器電源，控制無人機起飛，定點懸停在要清理的異物附近，使噴槍對準異物的重力支撐部分或是纏繞輸電線路的部分。然后控制噴槍噴油并點火，點燃異物后停止噴火；待異物熔化掉落或是燃燒殆盡后控制無人機返航。最后關閉各系統的電源、噴槍總閥，作業任務完成。

清理裝置執行工作任務時，可以通過圖像采集和傳輸系統傳遞過來的圖像，實時觀察輸電線路及異物的情況，及時調整無人機和噴槍的狀態。

4 試驗研究

無人機異物清除裝置相關參數如表1所示。

表1 無人機異物清除裝置相關參數

目前，研制的無人機異物清除裝置已在國網江蘇省電力公司蘇州供電公司投入使用。實際應用表明：在高壓輸電線路帶電情況下，該異物清除裝置可以有效地清除線路上的可燃異物，處理1處異物平均需要5?min(實際噴火時間約為3—5?s)，比原先的人工處理(平均需要40?min)節約了大量時間。

5 結束語

利用無人機搭載噴火裝置對可燃異物進行噴火處理，使異物熔化、燃燒的方法，能夠在帶電情況下對可燃異物進行快速清理，確保輸電線路安全平穩運行。處理過程中，無需工作人員靠近輸電線路，保障了工作人員的安全，降低了勞動強度，為企業節省了大量的人力物力。未來可以考慮在現有裝置的基礎上加載激光測距或視覺測量等模塊，用于測量噴火裝置與異物間的距離，便于操作人員進行更精準的操作。

1 ?李??昊.電力輸電線路的運行維護及故障排除[J].黑龍??江科學，2014，5(11)：231.

2 ?曹燕軍.輸電線路異物清除機器人機構設計與分析[D].??沈陽：沈陽理工大學，2015.

3 ?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，2011，29(S2)：185-187.

4 ?趙慧斌，馬興譽.電線異物遙控夾線爬行燒除機簡述[J].??科技情報開發與經濟，2011，21(33)：194-197.

5 ?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[J].中國電業(技術版)，2015，66(9)：??57-59.

6 ?全??權.解密多旋翼發展進程[J].機器人產業，2015，??1(2)：72-83.

7 ?吳北平.GPS網絡RTK定位原理與數學模型研究[D].??北京：中國地質大學，2003.

8 ?李雪梅.無線圖像傳輸技術及應用介紹[J].中國無線電，??2006，17(7)：12-14.

徐??欣(1979—)，男，高級工程師、高級技師，主要從事輸電線路檢修管理工作。

席曉強(1981—)，男，工程師、技師，主要從事輸電線路檢修管理工作。

王東林(1980—)，男，工程師，主要從事輸電線路運檢技術等工作。

華??鑫(1990—)，男，助理工程師，主要從事高壓帶電檢修工作。

寇??淼(1991—)，女，工程師，主要從事自動化設備研發工作。

2016-12-18；

2017-03-19。

嚴偉佳(1981—)，男，高級工程師、高級技師，主要從事輸電線路運行檢修工作，email：kmkoumiao@163.com。