基于無人機的10 kV 架空配電線路漂浮異物清除裝置設(shè)計

雷冬云， 白劍鋒， 溫智慧， 黃永超， 賀韌

(1. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司長沙供電分公司， 湖南 長沙410076；2. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司技術(shù)技能培訓(xùn)中心， 湖南 長沙410131；3. 長沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 長沙410131)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展, 對供電可靠性的要求不斷提高[1-3], 然而線路走廊的塑料薄膜、 風(fēng)箏等漂浮物易在風(fēng)力的作用下懸掛于帶電導(dǎo)線上, 嚴(yán)重威脅線路的安全運行[4]。 輸配電線路上的漂浮物會引發(fā)線路跳閘, 嚴(yán)重時將會造成停電甚至是導(dǎo)線熔斷等事故[5]。 據(jù)分析, 線路因漂浮物而發(fā)生的跳閘故障占比可達(dá)7. 2%[6], 為了有效地消除線路的安全隱患, 導(dǎo)線上的漂浮物清除工作已經(jīng)成為線路運維的主要任務(wù)之一。

目前對于架空配電導(dǎo)線上漂浮物的處理方法按照作業(yè)方式可以分為停電處理、 帶電作業(yè)人員采用絕緣桿法處理、 采用絕緣斗臂車處理等方式[7-8]。文獻(xiàn)[9] 提出了激光炮清除線路異物方法, 該方法常用于110 kV 及以上架空輸電線路, 對于架空配電線路多為絕緣導(dǎo)線且相距距離僅600 ～700 mm, 激光炮易造成表層損傷。

隨著無人機技術(shù)發(fā)展, 利用無人機處理導(dǎo)線上的漂浮異物漸漸被重視, 無人機能夠克服停電作業(yè)給用戶帶來的不便和帶電作業(yè)的危險性高、 勞動強度大、 耗時較長、 環(huán)境受限性大等缺點, 具有安全、 方便、 高效等優(yōu)點[10-12]。

鑒于此, 本文設(shè)計了一種無人機清除線路漂浮異物裝置, 采用不同組件, 實現(xiàn)漂浮物的切斷分離、 抓取回收等操作, 在方便實用、 降低勞動強度、 提高工作效率的基礎(chǔ)上, 有效地清除線路漂浮異物, 為配電線路的安全運行提供保障。

1 方案分析

1.1 方案選擇

采用無人機處理漂浮物的方式主要有噴火清障型[13]、 激光清障型[9,14]、 發(fā)熱絲清障型[15], 由于噴火、 激光等高溫、 高能方式雖然能夠?qū)⒕€路上的飄掛異物燒毀, 但一定程度上也對電網(wǎng)的正常運行構(gòu)成威脅[5]。 表1 為噴火式作業(yè)和機械手臂式作業(yè)方式的對比分析, 從環(huán)境適應(yīng)性和對導(dǎo)線的損傷程度考慮, 采用的是機械手臂作業(yè)方式, 在于其環(huán)境適應(yīng)性好, 并且不易對導(dǎo)線造成損傷, 唯一的缺點是對于纏繞過緊的漂浮物處理相對困難。

表1 作業(yè)方式對比分析

機械手臂的材質(zhì)對無人機的要求和制造難易度影響很大, 對比分析鋼質(zhì)、 絕緣材質(zhì)的機械手臂情況見表2。 從無人機載重的角度考慮選擇絕緣機械手臂操作桿, 在于其質(zhì)量輕、 安全性好, 適用于多種類型無人機, 但是生產(chǎn)的難度較高。

表2 機械手臂的材質(zhì)分析

1.2 功能要求

配電線路的漂浮物主要有塑料薄膜、 風(fēng)箏、 繩線等, 典型配電線路漂浮物如圖1 所示, 受風(fēng)力的影響, 漂浮物在導(dǎo)線上的纏繞松緊程度不同, 因此需要采用不同的方式進(jìn)行清除。 對于導(dǎo)線上簡單纏繞的漂浮物, 如圖1 (a) 所示, 可以直接采用無人機手臂抓取或鉤拉的方式。 如果漂浮物在導(dǎo)線上纏繞過緊, 如圖1 (b) 所示, 難以直接抓取的可采用先切割, 后抓取的方式。

圖1 典型的配電線路漂浮物

基于上述功能要求, 本裝置以絕緣操作桿為基礎(chǔ), 配套設(shè)計切割組件、 螺絲鉤組件、 抓手組件三種操作頭, 特點見表3。 通過替換安裝在無人機平臺上的操作頭, 實現(xiàn)利用切割組件中的刀片切斷、切碎異物, 利用螺絲鉤拉出高空異物, 利用垃圾抓手組件抓取高空線路異物。

表3 操作頭的特點分析

2 方案設(shè)計

裝置整體設(shè)計如圖2 所示, 主要包含無人機、連接桿、 絕緣桿、 控制箱和切割組件、 螺絲鉤組件、 抓手組件三種操作頭。 無人機采用大疆經(jīng)緯M610 型無人機, 其載重能力大于8 kg、 續(xù)航能力30 min, 通過備用電池可增大巡航能力, 可滿足正常的帶電作業(yè)要求。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)

絕緣操作桿包括固定在無人機底部橫桿上的外絕緣管、 固定于外絕緣管后端的減速電機、 套裝于外絕緣管內(nèi)可轉(zhuǎn)動的內(nèi)絕緣管、 連接于內(nèi)絕緣管上的轉(zhuǎn)接頭。 外絕緣管兩端與內(nèi)絕緣管之間均設(shè)有自潤滑軸承, 密封管件上連接有可拆卸的蓄電池, 如圖3 所示。

圖3 絕緣操作桿

內(nèi)、 外絕緣管由環(huán)氧樹脂加玻璃纖維料制成。減速電機采用GMP42-775PM-2460-19 型直流減速電機, 其直流電壓DC24V、 減速比19、 空載轉(zhuǎn)速295 rpm、 負(fù)載轉(zhuǎn)速235 rpm、 負(fù)載力矩13 kg·cm。

減速電機的輸出軸通過聯(lián)軸器與內(nèi)絕緣管后端連接, 內(nèi)絕緣管轉(zhuǎn)動帶動轉(zhuǎn)接頭同步轉(zhuǎn)動。

絕緣桿長度在1. 4 m 左右, 能夠保證安全規(guī)程中0. 7 m 以上距離要求； 絕緣桿設(shè)計時, 利用掛線桿掛在無人機底座上, 控制部分處于無人機正下方, 電機部分與工具各在絕緣桿前端, 使得整套工具的重心在無人機的正下方, 從而保證了無人機的平衡。

2.1 切割方案設(shè)計

切割組件設(shè)計如圖4 所示, 包括刀片安裝盤及長100 mm、 寬18 mm、 厚0. 40 mm 的刀片, 刀片安裝盤連接于轉(zhuǎn)接頭前端。 通過蓄電池帶動減速電機旋轉(zhuǎn), 以轉(zhuǎn)接頭傳動至刀片, 實現(xiàn)刀片的快速旋轉(zhuǎn), 從而可以有效的切割漂浮物。 切割組件清除導(dǎo)線上漂浮物的方式如下:

1) 螺紋緊固件將刀片安裝盤固定在絕緣操作桿的轉(zhuǎn)接頭上, 通過2 套外六角螺栓M5X10 將刀片安裝在刀片安裝盤, 刀片與水平面相交呈2°的夾角布置。

2) 將蓄電池安裝在密封管件并與減速電機通過電線連接, 將與減速電機配套的遙控型控制盒固定在外絕緣管上, 通過8 套抱箍聯(lián)結(jié)桿將外絕緣管固定在無人機底部的橫桿上。

3) 操作無人機飛至指定位置, 啟動減速電機, 刀片安裝盤上的刀片隨之轉(zhuǎn)動, 切割配電線路上的異物。

圖4 切割組件

2.2 鉤取方案設(shè)計

配電導(dǎo)線上的漂浮異物, 可以采用鉤取方式處理, 如圖5 所示。 螺絲鉤連接于轉(zhuǎn)接頭前端。

鉤取方式最為簡單, 無需利用絕緣桿的復(fù)雜控制裝置, 直接將螺絲鉤旋擰在轉(zhuǎn)接頭的螺紋孔內(nèi),控制無人機飛至指定位置, 利用螺絲鉤勾住配電線路上的異物, 操作無人機來回運動, 取下配電線路上的異物。

圖5 螺絲鉤組件

2.3 抓取方案設(shè)計

配電線路上的漂浮異物難以用鉤取方式處理時, 可考慮采用抓取方式, 如圖6 所示。 抓手組件有兩種狀態(tài)分別為“打開” 和“閉合” 狀態(tài), 通過絕緣操作桿上的蓄電池、 減速電機、 拉桿等裝置, 有效地完成抓手組件“打開” 和“閉合” 狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。 抓手組件清除導(dǎo)線上漂浮物的方式如下:

圖6 抓手組件

1) 在絕緣操作桿上無操作頭時, 將導(dǎo)向套管套裝在外絕緣管前端, 旋轉(zhuǎn)T 型螺桿, 使T 型螺桿底部與轉(zhuǎn)接頭的螺紋孔連接。

2) 調(diào)整導(dǎo)向套管在外絕緣管上的位置, 使兩拉桿處于平行狀態(tài), 即機械手指展開呈最大狀態(tài)；然后通過抱箍及蝶形螺母將導(dǎo)向套管固定在外絕緣管上。

3) 操作無人機飛至指定位置, 啟動減速電機, 轉(zhuǎn)接頭轉(zhuǎn)動帶動T 型螺桿上的導(dǎo)向筒在導(dǎo)向套管內(nèi)向后移動, 導(dǎo)向筒通過拉桿帶動各機械手指繞與導(dǎo)向套管的鉸接處向內(nèi)旋轉(zhuǎn), 逐步靠攏閉合抓緊線路上的異物。

3 測試應(yīng)用

2020 年7 月15 日設(shè)計研制的配電線路漂浮異物清除裝置進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。 針對10 kV 配電線路設(shè)置了風(fēng)箏、 塑料帯等漂浮異物, 試驗現(xiàn)場線路未帶電。 通過現(xiàn)場組裝驗證無人機飛行的穩(wěn)定性, 測試不同功能組件的可行性, 漂浮異物清除裝置如圖7 所示。

圖7 漂浮異物清除裝置

現(xiàn)場無人機飛行平穩(wěn), 功能組件測試表明螺絲鉤組件能夠?qū)崿F(xiàn)在導(dǎo)線上鉤取漂浮異物的功能, 切割組件可以切割纏繞過緊的導(dǎo)線異物, 抓手組件通過開合狀態(tài)的轉(zhuǎn)變可有效抓取導(dǎo)線上的異物。

測試現(xiàn)場如圖8 所示, 對于纏繞在導(dǎo)線上的塑料帯, 從無人機起飛到異物清除用時約為2 min,相比人工處理能夠減少20 min 以上, 效率明顯提升。 實際測試發(fā)現(xiàn)該裝置1 人操作1 人配合即可,無需登桿作業(yè), 具有勞動強度低、 安全性能高等優(yōu)點。 但是無人機在風(fēng)的作用下會擺動, 這需要飛手操控時注意節(jié)奏的調(diào)整, 異物清除時, 對目標(biāo)的處置應(yīng)快速、 果斷。 在風(fēng)速大于3. 0 m/ s 時應(yīng)停止操作, 避免無人機損壞和操作不當(dāng)對配電線路造成損傷。

圖8 配電線路異物清除測試現(xiàn)場

4 結(jié)語

針對10 kV 架空配電線路上的漂浮異物, 設(shè)計一種利用無人機平臺搭載漂浮異物清除裝置, 運用切割組件、 抓手組件、 螺絲鉤組件, 實現(xiàn)了漂浮物的切斷分離、 抓取回收等操作。 實際測試效果表明該裝置具有方便實用、 勞動強度低、 工作效率高等特點, 能夠在帶電環(huán)境下有效清除導(dǎo)線上的漂浮異物, 為配電線路的安全運行提供保障。