一種基于輸電作業(yè)無人機(jī)的帶電拆除金屬飄掛物裝置的研制及應(yīng)用

朱軒輝 王林旭

摘要：筆者研制了一種基于輸電作業(yè)無人機(jī)的帶電拆除金屬飄掛物裝置，并在實(shí)際工作應(yīng)用中驗(yàn)證其可行性。輸電線路往往在野外運(yùn)行，所處環(huán)境復(fù)雜，在風(fēng)力比較大的天氣，一些重量較輕的金屬漂流物經(jīng)常會被吹至輸電線路上，形成飄掛物，極易造成輸電線路相間短路或單相接地短路導(dǎo)致線路跳閘事故。而與傳統(tǒng)的人工清除飄掛物方式相比，利用輸電作業(yè)無人機(jī)，一方面提升了作業(yè)的效率，一方面也規(guī)避了人身的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：帶電作業(yè)? 無人機(jī)? 輸電線路? 高效? 安全

Development and Application of a Device for Removing Metal Floating Hanging Objects with Electric Power based on Transmission Operation UAV

ZHU? Xuanhui? ?WANG? Linxu

（Jiangmen Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co. Ltd.， Jiangmen ， Guangdong Province，529300 China）

Abstract： A device for live removal of metal floating objects based on transmission UAV is developed， and its feasibility is verified in practical application。Transmission lines often operate in the field and the environment is complex. In the weather with strong wind， some lighter metal drifts are often blown onto the transmission line to form floating objects， which is very easy to cause phase to phase short circuit or single-phase grounding short circuit of the transmission line， resulting in line tripping.Compared with the traditional manual removal of floating objects， the use of power transmission UAV not only improves the efficiency of operation， but also avoids personal risks.

KeyWords： Live working; drones; Transmission line;High efficientcy; Safety

1研究背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)與社會的蓬勃發(fā)展，電力行業(yè)作為工業(yè)化的基礎(chǔ)及民生的保障迅速發(fā)展，但輸電線路越發(fā)面臨多樣的外部環(huán)境與外部隱患。隨著輸電線路的建設(shè)，外力破壞成為輸電線路運(yùn)維不可逃避的嚴(yán)峻難題。據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，外力破壞造成的電網(wǎng)事故呈現(xiàn)逐年增長的趨勢，嚴(yán)重影響了供電可靠性。造成外力破壞的重要原因之一是物體飄掛在導(dǎo)線上引起線路跳閘，飄掛物往往是一些廣告牌、鐵皮、風(fēng)箏等重量較輕的物體[1]。特別是在大風(fēng)天氣，輸電線路周圍菜地使用的大棚、臨時(shí)廠棚搭載不牢固的鐵皮、含有金屬成分的廢棄廣告牌、垃圾場的部分垃圾等都是輸電運(yùn)維面臨的安全隱患。并且，廣東地處沿海，夏季經(jīng)常面臨臺風(fēng)惡劣天氣，一旦有物體飄掛在導(dǎo)線上極易造成線路跳閘，所以輸電運(yùn)維中必須考慮飄掛物的應(yīng)急處置。

傳統(tǒng)的通過人工處理飄掛物的方式對作業(yè)人員的要求較高，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高、操作難，還需要停電作業(yè)。一方面，線路停電會造成電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失，對整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行及供電可靠性也有不利的影響;另一方面，觸電和高空墜落是不可規(guī)避的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。其中，對于像鐵皮、鋁制品等金屬類的飄掛物，利用目前行業(yè)內(nèi)采用的激光清障儀、無人機(jī)搭載噴火裝置及無人機(jī)搭載發(fā)熱絲裝置等方式都無法形成有效作業(yè)[2]。并且，在使用諸如高溫、噴火作業(yè)的過程中，燃燒的火苗可能造成山火、點(diǎn)燃干枯的稻草或其他易燃物，存在不小的風(fēng)險(xiǎn)?；诖?，通過輸電作業(yè)無人機(jī)搭載的帶電拆除金屬飄掛物裝置，采用的是物理方式來清除飄掛物，一方面避免人工作業(yè)的種種風(fēng)險(xiǎn)，提高了作業(yè)效率，另一方面避免了高溫、噴火作業(yè)的火災(zāi)隱患，保障了作業(yè)安全。

2目前常用的輸電線路飄掛物清除方式

2.1停電處理

當(dāng)發(fā)生有物體飄掛在導(dǎo)線上的情況時(shí)，傳統(tǒng)的做法是申請線路緊急停電[3]，再通過人工登塔作業(yè)的方式清理飄掛物，作業(yè)過程十分復(fù)雜繁瑣，高空作業(yè)面臨高空墜落的風(fēng)險(xiǎn)。此外，線路停電會造成企業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)重大損失及社會不良的影響，也不利于整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行及供電可靠性。

2.2帶電處理

針對輸電桿塔各項(xiàng)導(dǎo)線之間距離較遠(yuǎn)，對于飄掛物距離塔身或地面的位置較低且滿足帶電作業(yè)安全距離要求時(shí)，通常使用絕緣操作桿進(jìn)行處理，絕緣操作桿重量較輕、體積較小，攜帶方便，但受限桿身長度，只能處理10m范圍內(nèi)的飄掛物，不適用處理距離較高較遠(yuǎn)的物體[4]。

2.3無人機(jī)搭載發(fā)熱絲裝置處理

針對飄掛物本身易燃且數(shù)量較少同時(shí)地面環(huán)境復(fù)雜的情況，可以使用無人機(jī)搭載發(fā)熱絲裝置，但因作業(yè)時(shí)飛控系統(tǒng)進(jìn)入線路帶電附近受磁場干擾后轉(zhuǎn)為姿態(tài)模式，即無GPS（Global Position System，全球定位系統(tǒng)）介入，無人機(jī)出現(xiàn)飄移狀態(tài)，對飛手的操控要求較高，并且因?yàn)榈入娢徊僮鳠o人機(jī)會攜帶一定電荷，作業(yè)完必須等無人機(jī)降落地面，機(jī)身通過接地裝置接地釋放電荷后才能安全接觸，存在觸電風(fēng)險(xiǎn)，且因?yàn)闊o人機(jī)對飄掛物有物理作用，存在因受力而墜毀的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.4采用激光清障儀裝置及無人機(jī)搭載噴火裝置處理

針對飄掛物本身易燃且數(shù)量較少的情況，如今通常使用激光清障儀及無人機(jī)搭載噴火裝置進(jìn)行處理，通過高溫或者噴火點(diǎn)燃飄掛物，達(dá)到將飄掛物燃燒清除的效果。然而，這兩個(gè)裝置只適用于較為寬闊且地面沒有可燃物的情況，必須等燃燒的飄掛物完全熄滅之后才能結(jié)束，存在易引發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。

3輸電作業(yè)無人機(jī)搭載的帶電拆除金屬飄掛物裝置

3.1裝置構(gòu)造

帶電拆除金屬飄掛物裝置采用高強(qiáng)度航空鋁合金及3D（3-dimension，三維）打印構(gòu)件組成，如圖1所示，配合牽引繩（絕緣）與高強(qiáng)度不銹鋼飛虎爪使用，如圖2所示。

3.2技術(shù)原理及操作方法

帶電拆除金屬飄掛物裝置需要搭載輸電作業(yè)無人機(jī)使用，該作業(yè)無人機(jī)安裝了能無線接收地面站發(fā)出的遙控指令，并控制多旋翼無人機(jī)飛行的飛控系統(tǒng)[5]。首先，需要經(jīng)過配重測試，作業(yè)無人機(jī)必須在搭載該裝置的情況下不影響原本的飛行操控，避免產(chǎn)生另外的風(fēng)險(xiǎn)。其次，將該裝置安裝在指定位置后，先將無人機(jī)放置在選定的適合作業(yè)的場地上，并將一端帶有繩環(huán)的牽引繩（絕緣）穿過該裝置的插銷部件，再使其插銷部件閉鎖。最后，在牽引繩（絕緣）的另一端固定好高強(qiáng)度不銹鋼虎爪。

帶電拆除金屬飄掛物裝置主要分為信號處理部分與插銷部件兩個(gè)部分。信號處理部分一方面利用無人機(jī)供電，接收來自無人機(jī)的動(dòng)作信號;另一方面，為插銷部件提供動(dòng)作的動(dòng)力，也在需要插銷部件動(dòng)作時(shí)提供動(dòng)作信號。插銷部件負(fù)責(zé)在動(dòng)作前將牽引繩及不銹鋼虎爪固定在無人機(jī)下方，接著在收到動(dòng)作信號后實(shí)現(xiàn)對牽引繩及不銹鋼虎爪的投放。同時(shí)，使用小鋼線制作彈簧自鎖裝置，使其在飛行過程中防止插銷部件開關(guān)松脫。安裝帶電拆除金屬飄掛物裝置時(shí)，需要將該裝置的電源線與信號線連接使用無人機(jī)的指定端口，以此為裝置提供電力信號，以實(shí)現(xiàn)插銷部件的開閉。無人機(jī)搭載的帶電拆除金屬飄掛物，如圖3所示。

首先規(guī)劃好輸電作業(yè)無人機(jī)的作業(yè)路徑[6]，啟動(dòng)并操控該作業(yè)無人機(jī)沿預(yù)先設(shè)定的航線和速度飛行至飄掛物正上方，通過無人機(jī)搭載的高清攝影云臺對無人機(jī)周邊環(huán)境進(jìn)行管控，確保無人機(jī)作業(yè)安全，同時(shí)通過實(shí)時(shí)圖傳進(jìn)行觀測與操控，以空中視角鎖定作業(yè)地點(diǎn)。精準(zhǔn)鎖定作業(yè)目標(biāo)后，通過地面操控人員控制空中作業(yè)無人機(jī)對帶電拆除金屬飄掛物裝置的信號處理部分傳輸動(dòng)作信號，該信號再傳輸?shù)讲邃N部件上，實(shí)現(xiàn)不銹鋼虎爪的投放。再借由不銹鋼虎爪高空墜落的牽引力，將飄掛物拉下。另外，在金屬飄掛物較大或較重時(shí)還可以通過使用更長的牽引繩，由地面作業(yè)人員手動(dòng)操作（絕緣）牽引繩將該金屬飄掛物拉下。

通過該帶電拆除金屬飄掛物裝置的研制，再一次證明了無人機(jī)能在一定范圍內(nèi)代替人力作業(yè)，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度和減少作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，從而提高了工作效率。

4技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)

4.1技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

（1）研究如何實(shí)現(xiàn)裝置與無人機(jī)的重量分配，既能不影響無人機(jī)穩(wěn)定，又能保證帶電拆除（金屬類）飄掛物裝置的實(shí)用性。

（2）研究牽引繩的種類。牽引繩的種類有普通麻繩（不絕緣）和迪尼瑪繩（絕緣），要通過對兩種材料進(jìn)行試驗(yàn)與比較，挑選出最佳材料。

（3）根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境（天氣、風(fēng)力等級、人員密集區(qū)域等）及（金屬類）飄掛物的大小、狀況等選取最合適的方式方法。

4.2創(chuàng)新點(diǎn)

（1）拓寬了無人機(jī)帶電拆除輸電線路飄掛物的思路，代替員工登塔帶電作業(yè)。

（2）與常規(guī)方式耗時(shí)長且繁瑣的工序相比，該裝置組裝方便，提高工作效率并降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

（3）該裝置清除飄掛物不產(chǎn)生火苗，不存在引發(fā)山火的風(fēng)險(xiǎn)，增加作業(yè)現(xiàn)場的安全性。

5結(jié)語

目前，無人機(jī)在電力行業(yè)的應(yīng)用中越發(fā)廣泛，使用無人機(jī)解決生產(chǎn)問題是大勢所趨。并且使用無人機(jī)作業(yè)可以規(guī)避傳統(tǒng)工作中大量的人身風(fēng)險(xiǎn)，也能極大提升作業(yè)效率，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度。帶電拆除金屬飄掛物裝置可以很好地解決輸電生產(chǎn)過程中真實(shí)存在的問題，并且不帶來新的隱患，大大提高了輸電線路供電可靠性，適合大范圍推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]雷冬云，白劍鋒，溫智慧，等.基于無人機(jī)的10kV架空配電線路漂浮異物清除裝置設(shè)計(jì)[J].湖南電力，2020，40（5）：78-81，86.

[2]胡敬波，崔健.多旋翼無人機(jī)輸電線路飄掛物清障技術(shù)概述[J].電子世界，2019（13）：48-49.

[3]邢文忠，陳曉彬，謝玉衛(wèi)，等.基于多旋翼無人機(jī)和激光的輸電線路異物清除裝置的研究[J].電工技術(shù)，2018（6）：32，34.

[4]梁達(dá)強(qiáng)，王淞民，楊成友.配網(wǎng)架空導(dǎo)線懸掛物帶電清除裝置的研制[J].機(jī)電信息，2020（3）：84-85.

[5]余鵬，田杰，劉鐵軍，等.電動(dòng)多旋翼無人機(jī)在高壓電路協(xié)同巡線中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2021，40（2）：34-37，54.

[6]周毅，李東武，孟浩，等.遺傳算法路徑規(guī)劃在無人機(jī)電力巡線中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2021，40（2）：29-33.

sdjzdx202203231628