基于無(wú)人機(jī)的10kV架空配電線路漂浮異物清除裝置設(shè)計(jì)

孫井波

摘要：為了安全、有效地去除10kV架線上的懸浮物，對(duì)不同異物的處理裝置進(jìn)行了比較分析，設(shè)計(jì)了利用無(wú)人機(jī)去除線路上浮游異物的裝置。該裝置包括掌握無(wú)人駕駛飛機(jī)、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(shí)現(xiàn)漂浮物的切割、分離、掌握和回收操作。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該裝置具有方便、實(shí)用、勞動(dòng)強(qiáng)度低和工作效率高的特性，能有效去除電氣化環(huán)境電氣化環(huán)境電線上的浮游異物，保證10kV架空輸電線路的安全工作。

關(guān)鍵詞：漂浮物;帶電作業(yè);配電線路;無(wú)人機(jī)

引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)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(fēng)箏等漂浮物在風(fēng)的作用下容易掛在帶電導(dǎo)線上，嚴(yán)重威脅線路的安全運(yùn)行。輸配電線路上的漂浮物會(huì)引起線路跳閘，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成停電甚至電線熔斷等事故。根據(jù)分析，由漂浮物引起的跳閘故障可達(dá)7.2%。為了有效消除線路的安全隱患，清除導(dǎo)線上的漂浮物已成為線路運(yùn)行維護(hù)的主要任務(wù)之一。

目前架空配電導(dǎo)線上漂浮物的處理方法按運(yùn)行方式可分為停電處理、帶電作業(yè)人員絕緣棒法、絕緣斗臂車處理等。文獻(xiàn)[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(dǎo)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(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用無(wú)人機(jī)處理導(dǎo)線上漂浮的異物越來(lái)越受到重視。無(wú)人機(jī)可以克服停電帶來(lái)的不便和高風(fēng)險(xiǎn)、高勞動(dòng)強(qiáng)度、耗時(shí)長(zhǎng)、環(huán)境限制大的缺點(diǎn)，具有安全、方便、高效的優(yōu)點(diǎn)。有鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種無(wú)人機(jī)清除線內(nèi)漂浮異物的裝置，利用不同的部件實(shí)現(xiàn)對(duì)漂浮異物的切斷、分離、抓取和回收等操作。它在方便實(shí)用、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率的基礎(chǔ)上，有效地清除了線路上的漂浮異物，為配電線路的安全運(yùn)行提供了保障。

1方案分析

1.1方案選擇

無(wú)人機(jī)對(duì)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(duì)電網(wǎng)的正常運(yùn)行構(gòu)成威脅[5]。表1是噴火操作和機(jī)械臂操作的對(duì)比分析?？紤]到環(huán)境適應(yīng)性和對(duì)導(dǎo)線的損傷程度，采用機(jī)械臂操作，環(huán)境適應(yīng)性好，不易對(duì)導(dǎo)線造成損傷。唯一的缺點(diǎn)是處理纏繞緊密的漂浮物比較困難。

考慮到無(wú)人機(jī)的載荷，絕緣機(jī)械手桿重量輕，安全性好，適用于多種型號(hào)的無(wú)人機(jī)，但生產(chǎn)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(fēng)箏、繩索等。由于風(fēng)的影響，導(dǎo)線上的漂浮物纏繞緊密度不同，需要不同的方式去除。簡(jiǎn)單纏繞在導(dǎo)線上的漂浮物體可以被無(wú)人機(jī)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(shè)計(jì)有三個(gè)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(wú)人機(jī)平臺(tái)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(shè)計(jì)

該裝置的總體設(shè)計(jì)，主要包括三個(gè)操作頭：無(wú)人機(jī)、連桿、絕緣桿、控制箱及切割組件、螺旋鉤組件和抓手組件。無(wú)人機(jī)采用DJI經(jīng)緯M610無(wú)人機(jī)，載重量8公斤以上，續(xù)航30分鐘。備用電池可以增加續(xù)航能力，滿足正常帶電工作的要求。裝置結(jié)構(gòu)的絕緣操作桿包括固定在無(wú)人機(jī)底部橫桿上的外絕緣管、固定在外絕緣管后端的減速電機(jī)、套在外絕緣管內(nèi)并可旋轉(zhuǎn)的內(nèi)絕緣管和連接在內(nèi)絕緣管上的適配器。外絕緣管和內(nèi)絕緣管的兩端之間設(shè)有自潤(rùn)滑軸承，密封管件上連接有可拆卸電池。

減速電機(jī)采用Gmp42-775pm-2460-19 DC電機(jī)，DC電壓DC24V，減速比19，空載轉(zhuǎn)速295rpm，負(fù)載轉(zhuǎn)速235rpm，負(fù)載扭矩13kg·cm。減速電機(jī)的輸出軸通過聯(lián)軸器與內(nèi)絕緣管的后端連接，內(nèi)絕緣管的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)適配器同步轉(zhuǎn)動(dòng)。絕緣棒長(zhǎng)度約為1.4m，可保證安全規(guī)程中0.7m以上的距離要求。在絕緣桿的設(shè)計(jì)中，用掛桿掛在無(wú)人機(jī)的底座上，控制部分在無(wú)人機(jī)的正下方，電機(jī)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(wú)人機(jī)的正下方，保證了無(wú)人機(jī)的平衡。

2.1切割方案設(shè)計(jì)

切割組件的設(shè)計(jì)包括刀片安裝板和長(zhǎng)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(jī)由蓄電池驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，通過適配器傳遞給刀片，使刀片快速旋轉(zhuǎn)，從而有效切割漂浮物體。切割組件通過以下方式從導(dǎo)線上移除浮動(dòng)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(diǎn)為2°夾角。

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

3）操作無(wú)人機(jī)飛到指定位置，啟動(dòng)減速電機(jī)，刀片安裝板上的刀片隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，切割配電線上的異物。

2.2掛鉤方案設(shè)計(jì)

配電線上漂浮的異物可以通過鉤住來(lái)處理。螺旋鉤連接到適配器的前端。掛鉤的方式最簡(jiǎn)單，不使用絕緣棒復(fù)雜的控制裝置，直接將螺旋鉤擰入轉(zhuǎn)接件的螺紋孔中，控制無(wú)人機(jī)飛到指定位置，用螺旋鉤鉤住配電線上的異物，操縱無(wú)人機(jī)來(lái)回移動(dòng)，清除配電線上的異物。

2.3抓方案設(shè)計(jì)

當(dāng)配電線路上漂浮的異物很難用鉤住的方法處理時(shí)，可以考慮用抓取的方法。夾爪組件有兩種狀態(tài)，即“打開”和“關(guān)閉”。通過將蓄電池、減速電機(jī)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(guān)閉”狀態(tài)之間的切換。夾爪組件通過以下方式移除焊線上的浮動(dòng)物體：

1）當(dāng)絕緣操作桿上沒有操作頭時(shí)，將導(dǎo)向套套在外絕緣管的前端，旋轉(zhuǎn)t形螺釘，將t形螺釘?shù)牡撞颗c適配器的螺紋孔連接起來(lái)。2）調(diào)整導(dǎo)套在外絕緣管上的位置，使兩根拉桿處于平行狀態(tài)，即機(jī)械手指處于最大狀態(tài);然后，用卡箍和蝶形螺母將導(dǎo)套固定在外絕緣管上。3）操作無(wú)人機(jī)飛到指定位置，啟動(dòng)減速電機(jī)，旋轉(zhuǎn)適配器，帶動(dòng)T型螺桿上的導(dǎo)向筒在導(dǎo)向套內(nèi)向后移動(dòng)。導(dǎo)向筒通過拉桿帶動(dòng)每個(gè)機(jī)械手指與導(dǎo)向套一起繞鉸鏈向內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，逐漸閉合，抓住線上的異物。

3測(cè)試應(yīng)用

2020年7月15日，設(shè)計(jì)開發(fā)了配電線路漂浮物清除裝置，并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。10kV配電線路設(shè)置風(fēng)箏、塑料袋等漂浮異物，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)線路不帶電。通過現(xiàn)場(chǎng)裝配驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)的飛行穩(wěn)定性，并測(cè)試了不同功能部件的可行性?，F(xiàn)場(chǎng)無(wú)人機(jī)飛行平穩(wěn)，功能組件測(cè)試表明，螺旋鉤組件可以鉤住導(dǎo)線上漂浮的異物，切割組件可以切割纏繞緊密的導(dǎo)線上的異物，抓手組件可以通過開合狀態(tài)的變化有效抓取導(dǎo)線上的異物。

對(duì)于繞線的塑料紗布，無(wú)人機(jī)起飛到清除異物的時(shí)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(shí)際測(cè)試表明，該裝置可一人操作，一人配合，無(wú)需爬桿，勞動(dòng)強(qiáng)度低，安全性能高。但無(wú)人機(jī)在風(fēng)的作用下會(huì)搖擺，這就需要飛手控制時(shí)節(jié)奏的調(diào)整，清除異物時(shí)對(duì)目標(biāo)的處置要迅速果斷。當(dāng)風(fēng)速大于3.0m/s時(shí)，應(yīng)停止作業(yè)，以避免無(wú)人機(jī)的損壞和對(duì)配電線路的不當(dāng)操作。機(jī)組利用小時(shí)數(shù)按4500小時(shí)計(jì)算，兩臺(tái)鍋爐每年可減少氨消耗量6220.37噸。按2300元/t的氨，每年可節(jié)約SCR脫硝的氨成本1430.69萬(wàn)元。針對(duì)600MW無(wú)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(yōu)化A空氣噴嘴和優(yōu)化F分級(jí)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(xiàn)：

[1]叢華斌.某熱電廠進(jìn)行超低排放改造的前期分析[C].中國(guó)電

[2]機(jī)工程學(xué)會(huì)熱電專業(yè)委員會(huì)、山東節(jié)能協(xié)會(huì)熱電專業(yè)委員會(huì).

[3]第九屆中國(guó)熱電行業(yè)發(fā)展論壇論文集山東泰安，2016：94-103.