基于无人机的10kV架空配电线路漂浮异物清除装置设计

孙井波

摘要：為了安全、有效地去除10kV架线上的悬浮物，对不同异物的处理装置进行了比较分析，设计了利用无人机去除线路上浮游异物的装置。该装置包括掌握无人驾驶飞机、连杆、绝缘棒、切割部件、适用于不同漂浮物的组件和螺旋钩部件，实现漂浮物的切割、分离、掌握和回收操作。实际应用结果表明，该装置具有方便、实用、劳动强度低和工作效率高的特性，能有效去除电气化环境电气化环境电线上的浮游异物，保证10kV架空输电线路的安全工作。

关键词：漂浮物;带电作业;配电线路;无人机

引言

随着国民经济的快速发展，对供电可靠性的要求也在不断提高。但线路走廊的塑料薄膜、风筝等漂浮物在风的作用下容易挂在带电导线上，严重威胁线路的安全运行。输配电线路上的漂浮物会引起线路跳闸，严重时会造成停电甚至电线熔断等事故。根据分析，由漂浮物引起的跳闸故障可达7.2%。为了有效消除线路的安全隐患，清除导线上的漂浮物已成为线路运行维护的主要任务之一。

目前架空配电导线上漂浮物的处理方法按运行方式可分为停电处理、带电作业人员绝缘棒法、绝缘斗臂车处理等。文献[1]提出了用激光炮清除线条异物的方法。这种方法常用于110千伏及以上的架空输电线路。架空配电线路多采用绝缘导线，两者之间的距离只有600 ～ 700 mm，激光炮容易造成表面损伤。随着无人机技术的发展，利用无人机处理导线上漂浮的异物越来越受到重视。无人机可以克服停电带来的不便和高风险、高劳动强度、耗时长、环境限制大的缺点，具有安全、方便、高效的优点。有鉴于此，本文设计了一种无人机清除线内漂浮异物的装置，利用不同的部件实现对漂浮异物的切断、分离、抓取和回收等操作。它在方便实用、降低劳动强度、提高工作效率的基础上，有效地清除了线路上的漂浮异物，为配电线路的安全运行提供了保障。

1方案分析

1.1方案选择

无人机对付漂浮物主要有喷火式【13】，激光式【9，14】，电热丝式【15】。虽然喷火、激光等高温高能方法可以燃烧线路上的漂浮异物，但也在一定程度上对电网的正常运行构成威胁[5]。表1是喷火操作和机械臂操作的对比分析。考虑到环境适应性和对导线的损伤程度，采用机械臂操作，环境适应性好，不易对导线造成损伤。唯一的缺点是处理缠绕紧密的漂浮物比较困难。

考虑到无人机的载荷，绝缘机械手杆重量轻，安全性好，适用于多种型号的无人机，但生产难度大。

1.2功能要求

配电线路中的漂浮物主要有塑料薄膜、风筝、绳索等。由于风的影响，导线上的漂浮物缠绕紧密度不同，需要不同的方式去除。简单缠绕在导线上的漂浮物体可以被无人机手臂直接抓住或钩住。如果漂浮物体缠绕在线上太紧，先切后抓很难直接抓住。松散缠绕;紧密缠绕。本装置基于绝缘操作杆，设计有三个操作头：切割组件、螺旋钩组件和抓手组件。特性见表3。通过更换安装在无人机平台上的操作头，可以使用切割组件中的刀片切割和切碎异物，使用螺旋钩拉出高空异物，使用垃圾抓取组件抓取高空异物。

2方案设计

该装置的总体设计，主要包括三个操作头：无人机、连杆、绝缘杆、控制箱及切割组件、螺旋钩组件和抓手组件。无人机采用DJI经纬M610无人机，载重量8公斤以上，续航30分钟。备用电池可以增加续航能力，满足正常带电工作的要求。装置结构的绝缘操作杆包括固定在无人机底部横杆上的外绝缘管、固定在外绝缘管后端的减速电机、套在外绝缘管内并可旋转的内绝缘管和连接在内绝缘管上的适配器。外绝缘管和内绝缘管的两端之间设有自润滑轴承，密封管件上连接有可拆卸电池。

减速电机采用Gmp42-775pm-2460-19 DC电机，DC电压DC24V，减速比19，空载转速295rpm，负载转速235rpm，负载扭矩13kg·cm。减速电机的输出轴通过联轴器与内绝缘管的后端连接，内绝缘管的转动带动适配器同步转动。绝缘棒长度约为1.4m，可保证安全规程中0.7m以上的距离要求。在绝缘杆的设计中，用挂杆挂在无人机的底座上，控制部分在无人机的正下方，电机部分和工具分别在绝缘杆的前端，这样整套工具的重心就在无人机的正下方，保证了无人机的平衡。

2.1切割方案设计

切割组件的设计包括刀片安装板和长度为100毫米、宽度为18毫米、厚度为0.40毫米的刀片。刀片安装板连接到适配器的前端。减速电机由蓄电池驱动旋转，通过适配器传递给刀片，使刀片快速旋转，从而有效切割漂浮物体。切割组件通过以下方式从导线上移除浮动物体：

1）叶片安装板通过螺纹紧固件固定在绝缘操作杆的适配器上，叶片通过两套外六角螺栓M5X10安装在叶片安装板上，叶片与水平面的交点为2°夹角。

2）将蓄电池安装在密封管件内，通过导线与减速电机连接，将与减速电机配合的遥控盒固定在外绝缘管上，外绝缘管通过8套环向连杆固定在无人机底部的横杆上。

3）操作无人机飞到指定位置，启动减速电机，刀片安装板上的刀片随之转动，切割配电线上的异物。

2.2挂钩方案设计

配电线上漂浮的异物可以通过钩住来处理。螺旋钩连接到适配器的前端。挂钩的方式最简单，不使用绝缘棒复杂的控制装置，直接将螺旋钩拧入转接件的螺纹孔中，控制无人机飞到指定位置，用螺旋钩钩住配电线上的异物，操纵无人机来回移动，清除配电线上的异物。

2.3抓方案设计

当配电线路上漂浮的异物很难用钩住的方法处理时，可以考虑用抓取的方法。夹爪组件有两种状态，即“打开”和“关闭”。通过将蓄电池、减速电机和操纵杆上的拉杆绝缘，可以有效地完成夹持器组件在“打开”和“关闭”状态之间的切换。夹爪组件通过以下方式移除焊线上的浮动物体：

1）当绝缘操作杆上没有操作头时，将导向套套在外绝缘管的前端，旋转t形螺钉，将t形螺钉的底部与适配器的螺纹孔连接起来。2）调整导套在外绝缘管上的位置，使两根拉杆处于平行状态，即机械手指处于最大状态;然后，用卡箍和蝶形螺母将导套固定在外绝缘管上。3）操作无人机飞到指定位置，启动减速电机，旋转适配器，带动T型螺杆上的导向筒在导向套内向后移动。导向筒通过拉杆带动每个机械手指与导向套一起绕铰链向内转动，逐渐闭合，抓住线上的异物。

3测试应用

2020年7月15日，设计开发了配电线路漂浮物清除装置，并在现场应用。10kV配电线路设置风筝、塑料袋等漂浮异物，试验现场线路不带电。通过现场装配验证了无人机的飞行稳定性，并测试了不同功能部件的可行性。现场无人机飞行平稳，功能组件测试表明，螺旋钩组件可以钩住导线上漂浮的异物，切割组件可以切割缠绕紧密的导线上的异物，抓手组件可以通过开合状态的变化有效抓取导线上的异物。

对于绕线的塑料纱布，无人机起飞到清除异物的时间约为2分钟，比人工处理可减少20分钟以上，效率明显提高。实际测试表明，该装置可一人操作，一人配合，无需爬杆，劳动强度低，安全性能高。但无人机在风的作用下会摇摆，这就需要飞手控制时节奏的调整，清除异物时对目标的处置要迅速果断。当风速大于3.0m/s时，应停止作业，以避免无人机的损坏和对配电线路的不当操作。机组利用小时数按4500小时计算，两台锅炉每年可减少氨消耗量6220.37吨。按2300元/t的氨，每年可节约SCR脱硝的氨成本1430.69万元。针对600MW无烟煤w型火焰锅炉，提出了增加SOFA空气喷嘴、下移排气喷嘴、优化A空气喷嘴和优化F分级空气喷嘴的组合式低NOX燃烧改造方案。该方案可将炉膛出口氮氧化物含量降至591 ～ 680 mg/nm3，锅炉热效率提高至91.46% ～ 91.90%。

参考文献：

[1]丛华斌.某热电厂进行超低排放改造的前期分析[C].中国电

[2]机工程学会热电专业委员会、山东节能协会热电专业委员会.

[3]第九届中国热电行业发展论坛论文集山东泰安，2016：94-103.