一種無人機載電力線路破冰器的設計

徐冰，吳海寶

（國網浙江省電力有限公司江山市供電公司，浙江 江山 324100）

電力線路是供電系統的重要組成部分，擔負著輸送和分配電能的任務，是電力系統不可缺少的重要環節。但是在冬季降溫或者下雪后，雨滴在遇到冷空氣后會冷凝在電力線路上，造成電力線路大面積被冰包住，增加電力線路自身的重量，影響鐵塔以及電力線路的壽命。嚴重情況下會造成線路桿塔傾倒、線路斷裂，進而造成大面積停電[1-2]。影響居民的正常生活供電，給經濟和社會造成重大影響與損失。因此輸電線路除冰是電力系統發展過程中不得不及時解決的問題之一[3]。

目前電力線路除冰，普遍采用人工的方式進行，具體是通過工作人員攀爬到一定的高度或者站立地面，使用敲擊物對電力導線表面進行敲打，通過振動將電力線路表面的冰層進行去除，但是這種除冰方式不僅給工作人員帶來較大的勞動強度，同時也伴有較高的危險性，最終的除冰效果也不理想，除冰效率較低[4-5]。

1 無人機載電力線路破冰器設計

無人機載電力線路破冰器由破冰裝置、電動爪、電源和遙控器構成，如圖1所示。破冰裝置是電力線纜除冰的關鍵設備，其通過反復撞擊產生反復振動清除電力線路上的覆冰。電動爪主要作用是將破冰器固定在電力線路上，防止破冰器在破冰的過程中發生搖晃影響破冰效果。電源主要作用是給破冰器和電動抓供電。遙控器主要有地面人員控制破冰器和電動爪使用。工作時由無人機攜帶電力線路破冰器飛行到電力線路上方，由遙控器控制電動爪閉合將破冰器掛在電力線纜上，循環控制破冰器重復工作，直到破冰完成。最后控制電動爪松開，由無人機攜帶破冰器到下一個除冰位置進行工作。

圖1 無人機載電力線路破冰器結構圖

2 破冰裝置設計

破冰裝置由外殼、撞擊系統、拉力系統、控制系統等部分構成，整體結構圖如圖2所示。

圖2 破冰裝置透視圖

破冰裝置各部分的結構及安裝如下：

2.1 撞擊系統設計

撞擊系統結構由底座、活塞、撞針及連接件組成。

底座材料為鐵質，便于電磁鐵吸合，中間為M6的螺絲孔，用于撞針的安裝，底面3個M6的孔為定位孔，便于與活塞對準，活塞材質為塑料，質量輕，安裝在底座上面，通過3個定位孔與底座對齊，對齊后通過固定栓結合。兩個矩形開孔中間銜接有圓柱，用于掛接彈簧。圓周邊有長方形凸起，用于活塞在套筒內移動的限位，防止活塞在移動過程中發生旋轉。撞針采用不銹鋼材質，頂部為錐形，底部M6螺栓，可以直接安裝在底座上。為了增加撞針、活塞和底座的結合度，安裝過程增加了墊片、防松螺母、彈簧墊片。撞擊系統的裝配過程如圖3所示。

圖3 撞擊系統爆炸圖

2.2 拉力系統

拉力系統結構如圖4所示，由電磁鐵、電動伸縮桿、連接器和雙頭螺栓組成。

圖4 拉力系統示意圖

電磁鐵采用DC12 V供電的失電型電磁鐵，即：通電無磁力，電磁鐵的磁力可根據要求選擇。電動伸縮桿采用DC12 V供電，其主要參數：拉力、伸縮距離、速度可根據要求選擇。電動伸縮桿與電磁鐵通過連接器和雙頭螺栓連接。拉力系統的裝配過程如圖5所示。

圖5 拉力系統爆炸圖

2.3 控制系統

控制系統結構如圖6所示，由外殼、連接座、控制電路板、隔板、鋰電池等組成。

圖6 控制系統示意圖

控制系統由DC12 V充電鋰電池供電，通過控制電路板接收遙控器的控制信號，對伸縮桿、電磁鐵和電動爪進行控制。

2.4 外殼

外殼由上桶、下桶及部分零部件組成，上桶結構如圖7所示。上桶底部有6個M4孔，可以與下桶通過螺絲連接。頂部兩個矩形開孔中間銜接有圓柱，用于掛接彈簧，并且與活塞通過彈簧相連接。中間圓柱孔用于限定撞針的移動，如圖8所示。

圖7 上桶結構圖

圖8 上桶與撞擊系統連接

下桶頂部6個圓孔用于與上桶連接，底部留有安裝電動伸縮桿的孔。下桶內壁有兩道滑槽，用于活塞運動過程中的限位，保證直線運動，不發生轉動。

3 電動爪設計

電動爪由直流減速電機、夾頭、電機連接件及支撐桿構成，其中電機連接件用于電動爪和破冰裝置的連接，整體結構圖如圖9所示。電動爪的直流減速電機由DC12 V供電，電機旋轉帶動螺栓、支撐桿和夾頭運動。

圖9 電動爪結構圖

4 遙控器設計

遙控器采用433 MHz無線通信，分別控制電動爪、伸縮桿、電磁鐵。

5 系統工作過程

系統除冰時如圖10所示，無人機攜帶電力線路破冰器到電力線路上方，由遙控器控制電動爪進行電力線路的夾持，電動爪夾持住電力線路后，無人機與破冰器分開；遙控器控制電動伸縮桿正向通電，伸出推桿，帶動電磁鐵運動，直到吸附到鐵質底座；電動伸縮桿反向通電，拉動電磁鐵和底座一起運動，同時彈簧被拉伸，直到推桿縮回相應距離；電動伸縮桿停止運動，同時電磁鐵通電失去磁性，彈簧回收，拉動撞擊系統進行破冰；重復上述過程，可實現往復破冰，直到完成破冰工作。

圖10 系統工作工程

6 結束語

通過現場樣機測試發現，本文所設計的無人機載電力線路破冰器能夠完全實現電力線路覆冰的清除，在實際使用過程大大節省了人力物力，保證了特殊環境下輸電線路的安全與工作人員的安全，本裝置具有很強的應用意義與推廣意義。