基于無人機的10kV架空配電線路漂浮異物清除裝置設計

孫井波

摘要：為了安全、有效地去除10kV架線上的懸浮物，對不同異物的處理裝置進行了比較分析，設計了利用無人機去除線路上浮游異物的裝置。該裝置包括掌握無人駕駛飛機、連桿、絕緣棒、切割部件、適用于不同漂浮物的組件和螺旋鉤部件，實現漂浮物的切割、分離、掌握和回收操作。實際應用結果表明，該裝置具有方便、實用、勞動強度低和工作效率高的特性，能有效去除電氣化環境電氣化環境電線上的浮游異物，保證10kV架空輸電線路的安全工作。

關鍵詞：漂浮物;帶電作業;配電線路;無人機

引言

隨著國民經濟的快速發展，對供電可靠性的要求也在不斷提高。但線路走廊的塑料薄膜、風箏等漂浮物在風的作用下容易掛在帶電導線上，嚴重威脅線路的安全運行。輸配電線路上的漂浮物會引起線路跳閘，嚴重時會造成停電甚至電線熔斷等事故。根據分析，由漂浮物引起的跳閘故障可達7.2%。為了有效消除線路的安全隱患，清除導線上的漂浮物已成為線路運行維護的主要任務之一。

目前架空配電導線上漂浮物的處理方法按運行方式可分為停電處理、帶電作業人員絕緣棒法、絕緣斗臂車處理等。文獻[1]提出了用激光炮清除線條異物的方法。這種方法常用于110千伏及以上的架空輸電線路。架空配電線路多采用絕緣導線，兩者之間的距離只有600 ～ 700 mm，激光炮容易造成表面損傷。隨著無人機技術的發展，利用無人機處理導線上漂浮的異物越來越受到重視。無人機可以克服停電帶來的不便和高風險、高勞動強度、耗時長、環境限制大的缺點，具有安全、方便、高效的優點。有鑒于此，本文設計了一種無人機清除線內漂浮異物的裝置，利用不同的部件實現對漂浮異物的切斷、分離、抓取和回收等操作。它在方便實用、降低勞動強度、提高工作效率的基礎上，有效地清除了線路上的漂浮異物，為配電線路的安全運行提供了保障。

1方案分析

1.1方案選擇

無人機對付漂浮物主要有噴火式【13】，激光式【9，14】，電熱絲式【15】。雖然噴火、激光等高溫高能方法可以燃燒線路上的漂浮異物，但也在一定程度上對電網的正常運行構成威脅[5]。表1是噴火操作和機械臂操作的對比分析?？紤]到環境適應性和對導線的損傷程度，采用機械臂操作，環境適應性好，不易對導線造成損傷。唯一的缺點是處理纏繞緊密的漂浮物比較困難。

考慮到無人機的載荷，絕緣機械手桿重量輕，安全性好，適用于多種型號的無人機，但生產難度大。

1.2功能要求

配電線路中的漂浮物主要有塑料薄膜、風箏、繩索等。由于風的影響，導線上的漂浮物纏繞緊密度不同，需要不同的方式去除。簡單纏繞在導線上的漂浮物體可以被無人機手臂直接抓住或鉤住。如果漂浮物體纏繞在線上太緊，先切后抓很難直接抓住。松散纏繞;緊密纏繞。本裝置基于絕緣操作桿，設計有三個操作頭：切割組件、螺旋鉤組件和抓手組件。特性見表3。通過更換安裝在無人機平臺上的操作頭，可以使用切割組件中的刀片切割和切碎異物，使用螺旋鉤拉出高空異物，使用垃圾抓取組件抓取高空異物。

2方案設計

該裝置的總體設計，主要包括三個操作頭：無人機、連桿、絕緣桿、控制箱及切割組件、螺旋鉤組件和抓手組件。無人機采用DJI經緯M610無人機，載重量8公斤以上，續航30分鐘。備用電池可以增加續航能力，滿足正常帶電工作的要求。裝置結構的絕緣操作桿包括固定在無人機底部橫桿上的外絕緣管、固定在外絕緣管后端的減速電機、套在外絕緣管內并可旋轉的內絕緣管和連接在內絕緣管上的適配器。外絕緣管和內絕緣管的兩端之間設有自潤滑軸承，密封管件上連接有可拆卸電池。

減速電機采用Gmp42-775pm-2460-19 DC電機，DC電壓DC24V，減速比19，空載轉速295rpm，負載轉速235rpm，負載扭矩13kg·cm。減速電機的輸出軸通過聯軸器與內絕緣管的后端連接，內絕緣管的轉動帶動適配器同步轉動。絕緣棒長度約為1.4m，可保證安全規程中0.7m以上的距離要求。在絕緣桿的設計中，用掛桿掛在無人機的底座上，控制部分在無人機的正下方，電機部分和工具分別在絕緣桿的前端，這樣整套工具的重心就在無人機的正下方，保證了無人機的平衡。

2.1切割方案設計

切割組件的設計包括刀片安裝板和長度為100毫米、寬度為18毫米、厚度為0.40毫米的刀片。刀片安裝板連接到適配器的前端。減速電機由蓄電池驅動旋轉，通過適配器傳遞給刀片，使刀片快速旋轉，從而有效切割漂浮物體。切割組件通過以下方式從導線上移除浮動物體：

1）葉片安裝板通過螺紋緊固件固定在絕緣操作桿的適配器上，葉片通過兩套外六角螺栓M5X10安裝在葉片安裝板上，葉片與水平面的交點為2°夾角。

2）將蓄電池安裝在密封管件內，通過導線與減速電機連接，將與減速電機配合的遙控盒固定在外絕緣管上，外絕緣管通過8套環向連桿固定在無人機底部的橫桿上。

3）操作無人機飛到指定位置，啟動減速電機，刀片安裝板上的刀片隨之轉動，切割配電線上的異物。

2.2掛鉤方案設計

配電線上漂浮的異物可以通過鉤住來處理。螺旋鉤連接到適配器的前端。掛鉤的方式最簡單，不使用絕緣棒復雜的控制裝置，直接將螺旋鉤擰入轉接件的螺紋孔中，控制無人機飛到指定位置，用螺旋鉤鉤住配電線上的異物，操縱無人機來回移動，清除配電線上的異物。

2.3抓方案設計

當配電線路上漂浮的異物很難用鉤住的方法處理時，可以考慮用抓取的方法。夾爪組件有兩種狀態，即“打開”和“關閉”。通過將蓄電池、減速電機和操縱桿上的拉桿絕緣，可以有效地完成夾持器組件在“打開”和“關閉”狀態之間的切換。夾爪組件通過以下方式移除焊線上的浮動物體：

1）當絕緣操作桿上沒有操作頭時，將導向套套在外絕緣管的前端，旋轉t形螺釘，將t形螺釘的底部與適配器的螺紋孔連接起來。2）調整導套在外絕緣管上的位置，使兩根拉桿處于平行狀態，即機械手指處于最大狀態;然后，用卡箍和蝶形螺母將導套固定在外絕緣管上。3）操作無人機飛到指定位置，啟動減速電機，旋轉適配器，帶動T型螺桿上的導向筒在導向套內向后移動。導向筒通過拉桿帶動每個機械手指與導向套一起繞鉸鏈向內轉動，逐漸閉合，抓住線上的異物。

3測試應用

2020年7月15日，設計開發了配電線路漂浮物清除裝置，并在現場應用。10kV配電線路設置風箏、塑料袋等漂浮異物，試驗現場線路不帶電。通過現場裝配驗證了無人機的飛行穩定性，并測試了不同功能部件的可行性?，F場無人機飛行平穩，功能組件測試表明，螺旋鉤組件可以鉤住導線上漂浮的異物，切割組件可以切割纏繞緊密的導線上的異物，抓手組件可以通過開合狀態的變化有效抓取導線上的異物。

對于繞線的塑料紗布，無人機起飛到清除異物的時間約為2分鐘，比人工處理可減少20分鐘以上，效率明顯提高。實際測試表明，該裝置可一人操作，一人配合，無需爬桿，勞動強度低，安全性能高。但無人機在風的作用下會搖擺，這就需要飛手控制時節奏的調整，清除異物時對目標的處置要迅速果斷。當風速大于3.0m/s時，應停止作業，以避免無人機的損壞和對配電線路的不當操作。機組利用小時數按4500小時計算，兩臺鍋爐每年可減少氨消耗量6220.37噸。按2300元/t的氨，每年可節約SCR脫硝的氨成本1430.69萬元。針對600MW無煙煤w型火焰鍋爐，提出了增加SOFA空氣噴嘴、下移排氣噴嘴、優化A空氣噴嘴和優化F分級空氣噴嘴的組合式低NOX燃燒改造方案。該方案可將爐膛出口氮氧化物含量降至591 ～ 680 mg/nm3，鍋爐熱效率提高至91.46% ～ 91.90%。

參考文獻：

[1]叢華斌.某熱電廠進行超低排放改造的前期分析[C].中國電

[2]機工程學會熱電專業委員會、山東節能協會熱電專業委員會.

[3]第九屆中國熱電行業發展論壇論文集山東泰安，2016：94-103.