基于移動機載平臺的輸電線絕緣子激光除冰機構設計

葉高呈，鄒德華，鄺江華，江 維*

基于移動機載平臺的輸電線絕緣子激光除冰機構設計

葉高呈1，鄒德華2，鄺江華2，江 維*1

(1. 武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，湖北 武漢 430200；2. 國網湖南省電力有限公司 超高壓輸電公司，湖南 衡陽 420100)

為了解決冬季嚴寒時期對輸電線路及其金具的除冰作業任務，綜合分析現有的除冰技術，本文提出一種基于激光技術的新型輸電線路除冰方法，設計了能夠在地面行走并搭載激光除冰器的激光除冰裝備的基本構型和虛擬樣機模型，通過合理的作業運動規劃，利用激光頭的旋轉和俯仰運動對輸電覆冰處定點激光照射使覆冰脫落，和常規除冰作業方式相比，該除冰裝備移動平臺采用四輪行走模式能夠靈活移動，同時激光可以實現無接觸式的除冰作業，再配合激光頭的多自由度運動對覆冰處實現無盲區除冰，其作業效率和作業可靠性得到一定保證，該研究對于輸電線路智能運維管理具有重要理論意義和實際應用價值。

機載平臺；非接觸式；激光除冰；多自由度運動；無盲區作業

0 引言

高壓輸電線路通過架空形式跨越原始森林、大江大河，冬季嚴寒氣候造成輸電線路及線路上懸垂絕緣子串上產生覆冰，懸垂絕緣子串[1-4]上的覆冰主要包括盤面的覆冰和絕緣子串上絕緣子和絕緣子之間形成的冰凌[5-8]，這些覆冰和冰凌不僅僅增加了整個輸電線路桿塔的負重，更重要的是會影響絕緣子的絕緣性能，特別是絕緣子和絕緣子間的冰凌最容易造成絕緣子片間短路事故的發生[9-10]，因此，去除容易造成短路事故的絕緣子冰凌是保障整個輸電線路安全穩定運行的關鍵。

目前國內外針對輸電線路除冰技術已有多種不同方法，但是主要可以歸納為3類，即熱力融冰法[11-12]、機械破冰法[13-14]、其他除冰法[15-16]等。第一種方法，熱力融冰法的缺點就是在融冰過程中需要斷電，難以實現帶電除冰作業，這樣會造成巨大的經濟損失，但其優點就在于對除冰技術人員不需要過高的知識和技能要求，只需要進行簡單的培訓即可操作設備進行融冰作業，如國家電網[17-18]、南方電網[19-20]及其它研究單位都提出了許多直流熱力融冰技術方案及其實際應用；第二種方法，機械除冰其優點和第一種一樣，不需要進行專門的除冰知識和設備操作培訓，還有就是耗能小，價格便宜。但其主要缺點是操作人員需要近距離的進行除冰作業，脫落的冰塊以及帶電的輸電導線對操作人員的人身安全有極大的威脅。除此之外，其它的一些除冰方法大多都有除冰效率低、安全隱患大、設備花費高昂等缺點[21-22]。

基于上述分析，綜合幾種輸電線路除冰作業的優缺點，本文提出了一種利用激光新技術的輸電線路除冰方法，通過移動機載平臺搭載輸電線激光除冰設備來進行除冰作業，機載移動平臺可以實現各個方向靈活運動，同時，搭載的激光裝備具有俯仰和旋轉兩個自由度的關節運動，可以實現輸電線路絕緣子串覆冰作業范圍的無死角覆蓋，激光除冰裝備發射激光到達覆冰處，覆冰吸收激光能量，溫度升高，最后使冰層融化脫落，激光除冰技術是激光技術與電網系統作業需求的深度融合和新嘗試，具有除冰方向性強、能量定向傳輸效率高、采用非接觸式等顯著特征，其對于輸電線路安全、穩定、智能運維管理具有重要理論意義和實際應用價值。

1 除冰對象絕緣子及其作業環境分析

如圖1所示為輸電線路除冰作業環境示意圖，其主要包括電線桿塔、電線、絕緣子串、電線配件、拉線、電線塔基礎、接地裝置等組成，架設于地面上。其中絕緣子串是帶有固定和運行需要的輸電線路保護裝置，用于懸掛導線并使導線與桿塔和大地絕緣的作用。有關研究結果表明，絕緣子串覆冰越重、電壓分布畸變越大，特別是高壓電線上的絕緣子串承受電壓百分數越高，越容易造成冰閃事故。另外，從物理性能分析，當絕緣子的覆冰超過額定載荷的限度時，會使絕緣子摔毀。而當懸垂絕緣子的覆冰不均時，會造成絕緣子向一側大幅度傾斜而碰到桿塔，使絕緣子損壞，這些后果嚴重影響著電力系統的安全穩定運行，輸電線路激光除冰作業通過移動機載平臺搭載激光裝備在輸電桿塔附件開展作業，主要是通過機載平臺的運動和激光裝備的多自由度協調運動，控制激光頭實現除冰區域的無盲區掃射，從而實現整個輸電線路的除冰作業。

圖1 絕緣子串除冰作業環境示意圖

2 基于機載平臺的激光除冰機構系統設計

2.1 激光除冰機構構型設計

激光除冰裝備包括激光器和移動平臺兩大部分，激光器上搭載瞄準裝置和顯示屏，使其對覆冰處更精確定位，激光器結構如圖2（a）所示。移動平臺包括移動柜體、轉臺和四個行走輪，激光裝備機械部分包括旋轉和俯仰兩個自由度對激光頭的方向進行調整，通過轉臺旋轉和激光器繞著轉臺俯仰運動，其中最大角度視實際情況及工作需要決定，再通過移動柜體下的四個行走輪實現整體的位姿調整，從而實現激光器發射的激光掃描既定的除冰區域，完整的激光除冰裝備二維結構簡圖如圖2（b）所示。

2.2 激光除冰實體模型與虛擬樣機設計

基于上述激光除冰裝備的基本構型圖，輸電線路絕緣子串激光新型除冰系統裝備實體模型圖如圖3（a）所示，其中激光部件包括激光頭、頻率轉換裝置、準直鏡、掃描振鏡、聚焦鏡等如圖3（b）所示，瞄準裝置和顯示屏固定于激光器上，其實體結構主要包括瞄準裝置、激光部件、移動柜體、轉臺、顯示屏等幾個主要部分。采用激光頻率轉換技術和振鏡掃描聚焦原理，通過激光頭輸出紅外激光，經過準直鏡和掃描振鏡還有聚焦鏡照射到絕緣子串覆冰處。機載移動平臺柜體內具有電源系統、控制設備、冷卻設備等如圖4所示，電源系統給激光頭供電，冷卻設備與激光頭連接。控制設備與激光電源和掃描振鏡的電源的外部控制端口連接，轉臺包括方位旋轉部件如圖5（a）所示和俯仰部件如圖5（b）所示，可通過控制轉臺進行方位旋轉和俯仰兩自由度的轉動，瞄準裝置通過電子望遠鏡將圖像信息傳送給控制系統，并在顯示屏上顯示，對可見激光照射的位置進行觀察，避免激光對絕緣子串的損傷。

圖3 激光除冰系統的三維實體模型圖

圖4 移動柜體內部示意圖

圖5 激光除冰裝備機轉臺

3 基于機載平臺的激光絕緣子除冰作業運動規劃

當進行高空中絕緣子串除冰作業時，通過移動平臺搭載激光除冰機移動至合適位置，作業前，激光除冰機初始工作狀態如圖6（a）所示。通過控制系統調整至合適激光俯仰角度，使得激光可以遠距離傳輸到絕緣子串上，再通過瞄準裝置精準對著絕緣子串上的覆冰如圖6（b）所示，同時，應保證掃描振鏡、聚焦鏡、激光頭等同光軸。當進行絕緣子串頂部絕緣子除冰時，可通過控制系統進行位姿的調整如圖6（c），6（d）所示，激光束在水平面掃描運動，使得絕緣子上覆冰充分融化。通過移動平臺和旋轉機構實現一個絕緣子盤面覆冰的清除，然后通過俯仰機構，對準下一片絕緣子，并通過移動機載平臺和激光器的關節運動重復上述過程實現整串絕緣子覆冰的清除作業。

4 激光掃射除冰作業空間測試與分析

為進一步驗證激光除冰機器人機構構型在絕緣子覆冰清除作業中的可行性和有效性，通過調節激光裝備上的兩個運動自由度的偏轉角α、β來測試激光束在絕緣子串上掃描的作業空間范圍，以本文作業運動規劃中垂直形態下的5片懸垂絕緣子構成的1個絕緣子串來進行激光掃描作業運動空間范圍測試，規定俯仰運動向上俯仰角α為正，左右運動向左偏轉，偏轉角β為正，初始位置為兩個偏轉角都為0，且激光頭正對絕緣子串第3片中心位置，所得到的測試結果如表1所示。

圖6 絕緣子串激光除冰裝備作業運動規劃

表1 激光掃射范圍測試結果

通過表1的測試結果可知，在激光裝備構型設計時，2自由度的激光運動關節控制系統其偏轉角分別在45度到-45度之間和60度到-60度之間，激光器在運動過程中不會與激光裝備自身及機載平臺之間發生運動干涉，且通過偏轉角的調節可以實現一串絕緣子的上下掃描和一片絕緣子的左右掃描，因此，機械設計上通過設置該偏轉角及其運動控制，激光除冰機器人能夠實現超高壓輸電線路懸垂絕緣子的無盲區除冰作業。

5 結論與展望

本文針對輸電線路非接觸式除冰作業，提出了一種基于移動機載平臺的輸電線絕緣子激光除冰裝備的基本構型，設計了相應的三維實體模型圖，提出了適用于輸電線路懸垂絕緣子串的激光新型除冰作業運動規劃及除冰作業方法。提出了移動平臺-激光頭復合系統的嵌入式集成控制體系架構，通過這種復合模式能夠大大增加激光掃射的范圍以及增加激光頭運動的靈活性和可靠性從而實現輸電線路絕緣子串無盲區除冰作業，實現了激光技術在電力系統中的創新應用，同時本文所提出的激光除冰系統新構型和除冰新方法還需要在實際物理系統中做進一步的實驗以驗證其工程實用性。

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Design of Laser Deicing Mechanism for Transmission Line Insulator based on Mobile Airborne Platform

YE Gao-cheng1, ZOU De-hua2, KUANG Jiang-hua2, JIANG Wei1

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China; 2. State Grid Hunan EHV Transmission Company, Hengyang Hunan 420100, China)

In order to solve the deicing task of transmission lines and their fittings in the severe cold period of winter, based on a comprehensive analysis of the existing deicing technologies, this paper proposes a new deicing method for transmission lines based on laser technology, and designs the basic configuration and virtual prototype model of the laser deicing equipment which can walk on the ground and carry the laser deicer. Through the reasonable operation movement planning, the rotation and elevation motion of the laser head irradiates the fixed-point laser at the icing place of the transmission line to make the ice fall off, and the conventional deicing. Compared with the operation mode, the mobile platform of the deicing equipment adopts the four-wheel walking mode, which can move flexibly. At the same time, the laser can realize the non-contact deicing operation, and cooperate with the multi degree of freedom movement of the laser head to realize the ice free deicing at the icing area, and the operation efficiency and reliability are provided to a certain extent practical application value.

Airborne platform; contactless; laser deicing; multi degree of freedom motion; no blind area operation

TM411

A

2095－414X(2022)04－0033－05

通訊作者：江維（1983-），男，講師，博士研究生，研究方向：電力作業機器人.

武漢紡織大學研究生創新基金資助項目（2022）.