配電線路覆冰清除方法的研究與應(yīng)用

徐子濤 ，宋翰彪

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昭通大關(guān)供電局，云南 昭通 657000;2.武漢欣泰宇電力電子科技有限公司，湖北 武漢 430074）

配電網(wǎng)架空線路覆冰現(xiàn)象是影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的一個(gè)重要因素，目前架空線路覆冰處理主要利用機(jī)械敲打、刮鏟等方式來(lái)完成，通過(guò)外力直接擊碎覆冰使其剝離，由于這些架空線路高度較高且?guī)щ?，一般設(shè)備難以企及，大部分須要通過(guò)人工或者除冰機(jī)器人來(lái)操作，但覆冰后導(dǎo)線表面光滑，難以為除冰機(jī)器人提供足夠穩(wěn)定行進(jìn)的摩擦力，除冰機(jī)器人常用的輪式行走機(jī)構(gòu)難以保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，目前絕大多數(shù)依然采用人工操作除冰，其工作量大，危險(xiǎn)性高，除冰效率較低。配電網(wǎng)因其特殊性，特別是帶絕緣層的線路，不適合直流融冰技術(shù)的應(yīng)用，人工敲打覆冰，力度掌握不好，容易導(dǎo)致絕緣皮破損。目前國(guó)內(nèi)外除冰方法繁多，其除冰原理分為3 種：自然除冰、熱力融冰、機(jī)械除冰。自然除冰在覆冰嚴(yán)重時(shí)，往往須要停電，具有較強(qiáng)的偶然性和不確定性，熱力融冰須要消耗大量能源，造成電能損耗，現(xiàn)有的機(jī)械除冰大多依靠人工使用絕緣操作桿、絕緣滑鏟等工具敲打除冰，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且危險(xiǎn)性大。

昭通位于云南省的東北部，與四川盆地接壤，受四川盆地氣候的影響，相對(duì)于全省冬季氣溫低，在0 ℃左右，降雪較多，極易產(chǎn)生雪融化后轉(zhuǎn)為冰凍。冰雪災(zāi)害對(duì)昭通電網(wǎng)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。2008 年1 月，南方電網(wǎng)遭受大面積的冰雪災(zāi)害，一度造成孤網(wǎng)運(yùn)行，大大降低了運(yùn)行可靠性，給南方四省造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失。昭通供電局對(duì)線路抗冰害工作的重視程度非常高。然而，配電網(wǎng)屬于電網(wǎng)最薄弱的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到用戶的供電可靠性，因此，研究配電線路覆冰清除方法非常有必要，也是符合南方電網(wǎng)公司抗冰防冰工作的發(fā)展方向。

1 總體設(shè)計(jì)

除冰機(jī)器人是一個(gè)機(jī)電一體化的系統(tǒng)，運(yùn)用不同領(lǐng)域技術(shù)，各個(gè)部分能夠協(xié)調(diào)工作。配電線路除冰機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)有2 部分組成：整體驅(qū)動(dòng)單元（含電池及外殼）+前部除冰單元+爬升上線裝置。整體驅(qū)動(dòng)單元：4 顆驅(qū)動(dòng)馬達(dá)及驅(qū)動(dòng)輪；電池組件；（選用步進(jìn)馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)速度均勻可控）前部除冰單元：往復(fù)式?jīng)_擊錘；底部旋轉(zhuǎn)除冰八爪盤；上線爬升裝置：絕緣掛鉤+絞盤。除冰機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 除冰機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1.1 整體結(jié)構(gòu)介紹

除冰機(jī)器人是一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)，整體由仿生學(xué)根據(jù)蛇行原理設(shè)計(jì)，機(jī)械整體機(jī)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 機(jī)械整體機(jī)構(gòu)圖

機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)：敲擊除冰模組、前部旋轉(zhuǎn)八爪盤除冰裝置、底部驅(qū)動(dòng)輪、爬升上線模組、上部驅(qū)動(dòng)模組翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)組件、上部驅(qū)動(dòng)輪組成。

敲擊除冰模組，主要由步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)曲線鋸轉(zhuǎn)接頭組成，實(shí)現(xiàn)往復(fù)式敲擊除冰；前部旋轉(zhuǎn)八爪盤除冰裝置，由步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)；底部驅(qū)動(dòng)輪，由2 組馬達(dá)通過(guò)聯(lián)軸器直驅(qū)主動(dòng)輪前進(jìn)/后退；爬升上線模組，由前后兩個(gè)絕緣掛鉤+升降絞盤組成；上部驅(qū)動(dòng)模組翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)組件，由步進(jìn)馬達(dá)+蝸輪蝸桿減速機(jī)組成（優(yōu)選減速比1/60）；上部驅(qū)動(dòng)輪，由步進(jìn)馬達(dá)通過(guò)同步帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上部主動(dòng)輪的前進(jìn)/后退。

1.2 機(jī)器人在冰導(dǎo)線上平穩(wěn)行走方法

在覆冰條件下，線上的摩擦力很小，給線上機(jī)器人行走帶來(lái)困難，尤其是上坡段，更為困難。研究行走機(jī)構(gòu)克服冰導(dǎo)線表面摩擦力小的問(wèn)題，是該項(xiàng)目的重點(diǎn)。本項(xiàng)目采用上下雙輪聯(lián)動(dòng)行走，牽引與從動(dòng)配合，保證機(jī)器人沿直線方向行走。調(diào)整好行走輪的位置，控制機(jī)器人的重心。從動(dòng)輪采用可調(diào)高低設(shè)計(jì)，以滿足不同線徑和冰層厚度不同的需要。同時(shí)研究前后牽引輪之間差速的問(wèn)題，采用電子差速控制，保證機(jī)器人行走時(shí)不卡頓。

1.3 機(jī)器人上線方法

在機(jī)器人的前后端各設(shè)置一臺(tái)電機(jī)，遙控操作。安裝時(shí)，使用無(wú)人機(jī)將蠶絲繩帶起，起飛越過(guò)導(dǎo)線高度后，將蠶絲繩拋下，蠶絲繩跨在導(dǎo)線上。導(dǎo)線一端固定在機(jī)器人本體上，另一端與電機(jī)絞盤連接，利用絞盤將蠶絲繩卷起，將機(jī)器人吊起來(lái)，機(jī)器人貼緊導(dǎo)線后，利用遙控，將機(jī)器人鎖在導(dǎo)線上。

1.4 機(jī)器人行走中除冰方法

結(jié)合昭通電網(wǎng)研究機(jī)器人去除導(dǎo)線冰柱方法，采用星狀旋轉(zhuǎn)盤，盤上帶有散射裝爪，旋轉(zhuǎn)盤通過(guò)支臂設(shè)置在機(jī)器人的最前端，沿導(dǎo)線下沿位置安裝，機(jī)器人行走時(shí)，可通過(guò)除冰柱電機(jī)帶動(dòng)該星狀旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，盤上的幾個(gè)爪將冰柱擊打掉，全過(guò)程不傷害導(dǎo)線，為機(jī)器人行走掃清障礙。完成第一步除冰；在星狀旋轉(zhuǎn)盤的后面，設(shè)計(jì)左右各1 個(gè)敲打錘，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)曲軸，再帶動(dòng)敲打錘，不停地在導(dǎo)線上對(duì)覆冰進(jìn)行敲打，將覆冰敲打“酥”，輕微的覆冰可以直接敲打掉，厚一些的覆冰被敲打“酥”，實(shí)現(xiàn)第二步除冰，為第三步除冰做好準(zhǔn)備。結(jié)合昭通電網(wǎng)最大覆冰比值0.25 這一實(shí)際情況，研究機(jī)器人去除導(dǎo)線覆冰方法。采用對(duì)齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，齒牙滿足最大覆冰比值要求，機(jī)器人行走時(shí)，對(duì)齒沿導(dǎo)線將覆冰擠壓碎，從而實(shí)現(xiàn)去除覆冰的目的；在機(jī)器人的前端設(shè)計(jì)有攝像頭和LED 照明，可通過(guò)視頻檢查作業(yè)質(zhì)量；機(jī)器人外殼絕緣化設(shè)計(jì)，解決配電線路相間距離小的問(wèn)題。機(jī)器人采用無(wú)線遙控操作。

2 控制系統(tǒng)硬件組成及功能

除冰機(jī)器人是一種行走在高壓線路的機(jī)器，對(duì)其要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和遙控操縱的2 種方式，使機(jī)器能夠應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的環(huán)境，同時(shí)在地面上能夠?qū)崟r(shí)圖像監(jiān)測(cè)機(jī)器狀態(tài)。對(duì)這種特殊環(huán)境下的機(jī)器要具備在惡劣環(huán)境中穩(wěn)定可靠的工作能力。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)刻采用如圖3 所示分層式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由電源、動(dòng)力單元、監(jiān)控單元組成。通過(guò)各個(gè)模塊間配合工作，可使機(jī)器人在復(fù)雜的環(huán)境下正常運(yùn)行。控制系統(tǒng)硬件有主板，電源構(gòu)成，主板由4G 信號(hào)透?jìng)飨到y(tǒng)、電源監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，信號(hào)反饋系統(tǒng)，直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，4G 信號(hào)透?jìng)飨到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)與手機(jī)App 通信，進(jìn)行信息交互，控制各個(gè)系統(tǒng)工作與監(jiān)控各個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的功能，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)控制行走電機(jī)前進(jìn)后退，上輪翻蓋，鎖扣，預(yù)壓等功能，直流減速電機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)纜繩上下小車，八爪卡盤除冰，錘擊電機(jī)錘冰的功能，信號(hào)反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)反饋各個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)，攝像頭影像，電池電量等信息。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

3 結(jié)束語(yǔ)

配電線路覆冰機(jī)器人的研制成功與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了智能化清除架空線路上覆冰，具有避免工作人員高空作業(yè)和減輕工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，將危險(xiǎn)系數(shù)高的作業(yè)使用機(jī)器人替代，進(jìn)一步提高了作業(yè)安全性，除冰機(jī)器人以代替人工進(jìn)行導(dǎo)線除冰是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，具有良好的應(yīng)用前景。