周輝 楊穎銳 楊生蘭

摘 要：目前輸電線路上的異物清除常依靠人工方式進(jìn)行，但隨著無人機(jī)應(yīng)用廣度和深度日益增加，無人作業(yè)規(guī)模日益擴(kuò)大，無人機(jī)在電力行業(yè)中用于輔助進(jìn)行輸電線路巡檢工作得到了不少成效。文章通過研究比對(duì)幾種輸電線路除異物裝置，并結(jié)合旋翼無人機(jī)的應(yīng)用搭載，研究出一種適合于現(xiàn)在輸電線路無人機(jī)班組應(yīng)用的線路異物清除裝置，進(jìn)行了專業(yè)的無人機(jī)除異物的技術(shù)手段分析。

關(guān)鍵詞：線路；無人機(jī)；異物清除

前言

目前輸電線路導(dǎo)地線上存在塑料薄膜、風(fēng)箏、釣魚線等異物時(shí)，主要依靠帶電作業(yè)或停電檢修時(shí)處理。而帶電作業(yè)耗費(fèi)人力物力較大、安全風(fēng)險(xiǎn)也較大，停電作業(yè)則需等待較長時(shí)間，異物將長期影響線路運(yùn)行安全。亟需研究一種既能及時(shí)進(jìn)行處理又可降低人身安全風(fēng)險(xiǎn)的裝置和方法進(jìn)行線路異物清除[1]。

輸電線路除異物目前國內(nèi)外主要進(jìn)行帶電人工清理，或停電、帶電時(shí)采用金屬工具進(jìn)行，也有試驗(yàn)采用除異物機(jī)器人進(jìn)行異物清除，但均需人員較高程度的參與，將工器具送至導(dǎo)線，勞動(dòng)強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)較大，但尚無利用無人機(jī)掛載除異物裝置開展異物清除的應(yīng)用[2]。所以無人機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用是線路安全運(yùn)行，解決作業(yè)人員人身安全的必然趨勢，因此需要借用無人機(jī)平臺(tái)研制一種使作業(yè)人員不進(jìn)入高壓強(qiáng)電場的，輕巧、便捷、安全的能快速處理線路異物的清理工具。

1 國內(nèi)相關(guān)研究

目前，國內(nèi)很多輸電線路運(yùn)維單位均在開展異物清除新方式的探索研究，主要有以下幾個(gè)方面：

1.1 方式1：輸電線爬行燒除機(jī)

爬行燒除機(jī)是以電池和電機(jī)作為原動(dòng)力，五行輪帶動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，履帶上橡膠在導(dǎo)線上摩擦從而推動(dòng)機(jī)器在導(dǎo)線上行走，然后利用高壓輸電線材的燃點(diǎn)遠(yuǎn)高于異物的燃點(diǎn)從而用脈沖式噴火方式處理異物，燃燒后留下的焦炭很脆、很疏松，受壓后極易破碎脫落，此方法已經(jīng)投入使用[3]。但爬行燒除機(jī)重量較重，體積較大，對(duì)于無人機(jī)班組出行任務(wù)攜帶不便，并且需要工作人員爬上鐵塔，將爬行燒除機(jī)安放在輸電線上，耗時(shí)耗力。

1.2 方式2：電動(dòng)剪刀

設(shè)計(jì)一個(gè)帶有橡膠輪的電動(dòng)平臺(tái)，將機(jī)械剪刀安裝在平臺(tái)上。利用無人機(jī)將平臺(tái)掛在輸電導(dǎo)線上，通過地面遙控使平臺(tái)在導(dǎo)線上可以來回移動(dòng)。當(dāng)平臺(tái)靠近異物時(shí)，遙控電動(dòng)剪刀將異物切斷[4]。但電動(dòng)剪刀安裝在無人機(jī)平臺(tái)上，因此對(duì)飛控手的操作水平要求較高，且需要反復(fù)應(yīng)用多次才能夠清除，除異物效率較低。

1.3 方式3：機(jī)械異物清除器

如圖1所示，利用無人機(jī)將清除器掛在輸電線上，工作人員在地面通過拉絕緣繩來調(diào)節(jié)纏繞爪和清除器在輸電線上的位置，使纏繞爪繞著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，用纏繞爪將風(fēng)箏、塑料袋等異物清除[5]。但由于需要人工操作纏繞爪和清除器，工作效率低。機(jī)械異物清除器直接接觸輸電線路上，易造成線路放電、導(dǎo)電等，極其不安全。

1.4 方式4：激光清除異物

利用高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加熱至汽化或融化溫度并形成空洞，隨著光束對(duì)材料的移動(dòng)，孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫，完成對(duì)材料的切割[6]。原理是將電源供電的激光模塊搭載在旋翼無人機(jī)上，讓無人機(jī)靠近輸電線上的塑料袋，風(fēng)箏等異物，在距離5米左右的地方打開激光裝置，激光照射在異物上，利用產(chǎn)生的高溫將異物熔斷，達(dá)到清除異物的目的[7]。但由于旋翼無人機(jī)載重有限，大功率激光設(shè)備太重。小功率激光溫度較低，需要長時(shí)間持續(xù)的對(duì)焦在固定點(diǎn)，才能夠使異物燃燒。此種方式目前也仍然處于理論研究階段，未實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

2 技術(shù)探究

研究小組經(jīng)過相關(guān)學(xué)術(shù)研究及探討，并結(jié)合實(shí)際場景應(yīng)用分析得出：雖然以上幾種方式都理論上可行，并且部分方式已經(jīng)投入應(yīng)用，但仍然有許多存在的問題。在實(shí)際無人機(jī)班組出巡任務(wù)中能需要高效、快速、有效、便捷地進(jìn)行線路異物清除，因此我們考慮采用火燒的方法。操作方法為將一套噴火裝置安裝在無人機(jī)平臺(tái)上，讓無人機(jī)帶著噴火裝置靠近異物，噴出火焰將異物燒掉。

3 研究設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1 設(shè)計(jì)原理

在旋翼機(jī)上搭載除異物裝置，讓無人機(jī)靠近輸電線上的塑料袋，風(fēng)箏等異物，通過遙控器向電動(dòng)閥門發(fā)送遙控信號(hào)，在異物掛載物附近打開閥門開關(guān)使丁烷氣體噴出；然后發(fā)送遙控信號(hào)控制電火花發(fā)生模塊使它產(chǎn)生電火花，電火花將氣體點(diǎn)燃產(chǎn)生火焰?；鹧鎸?duì)準(zhǔn)輸電線異物使其燃燒，從而清除異物，達(dá)到清除異物的目的。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋翼無人機(jī)可搭載的噴火裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

3.3 燃燒原料

丁烷是一種無色可燃性氣體，是發(fā)展石油化工、有機(jī)原料的重要原料，其用途日益受到重視，目前已經(jīng)較為普遍的應(yīng)用于日常生活中。便攜式丁烷氣罐目前是市面上較為常用的經(jīng)濟(jì)型燃燒液態(tài)燃料。

3.4 燃燒方式

丁烷氣罐外部通過電磁閥門和噴桿相連，電磁閥門和電火花發(fā)生器連接在遙控的接收機(jī)上的兩個(gè)通道上，這兩個(gè)通道分別控制氣體輸出和電火花的產(chǎn)生。也就是說，是利用無人機(jī)自身的遙控接收器作為這套點(diǎn)火設(shè)備的遙控信號(hào)接收器。對(duì)于操控手來說，在操作旋翼無人機(jī)進(jìn)行巡檢作業(yè)時(shí)更便于點(diǎn)火設(shè)備的控制與操作。

操控手通過操作無人機(jī)遙控器的氣體控制開關(guān)，打開閥門開關(guān)使丁烷氣體噴出。然后發(fā)送遙控信號(hào)控制電火花發(fā)生器產(chǎn)生火花，將丁烷點(diǎn)燃產(chǎn)生火焰?；鹧鎸?duì)準(zhǔn)輸電線異物使其燃燒，從而清除異物，達(dá)到清除異物的目的后。關(guān)閉氣體控制按鈕，使氣體停止噴射。

3.5 技術(shù)指標(biāo)

通過以上的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)際應(yīng)用和反復(fù)測試，研究團(tuán)隊(duì)得出以下測試/技術(shù)指標(biāo)，如表1所示。

3.6 研究應(yīng)用

本次旋翼無人機(jī)噴火裝置研制成功后，我們將裝置實(shí)際應(yīng)用于燒毀消除線路懸掛的異物。首先我們將無人機(jī)飛行到異物點(diǎn)位，在水平距離導(dǎo)線5米處，然后開始噴射柱狀火柱，對(duì)導(dǎo)線上懸掛的風(fēng)箏線進(jìn)行燒毀消除。而此作業(yè)過程，均由懸停在較高處的四旋翼無人機(jī)全程監(jiān)控，確保缺陷徹底消除。

3.7 研究結(jié)論

經(jīng)過測試/技術(shù)項(xiàng)目與實(shí)際應(yīng)用可以看出，本次研究內(nèi)容的輸電線路異物清除裝置-噴火裝置具有體積小、重量輕、性價(jià)比高等特點(diǎn)，能夠適用于輸電線路的無人機(jī)巡檢班組在任務(wù)出行中對(duì)于輸電線路異物清理工具的輕巧、便捷、安全的需求。

3.8 應(yīng)用意義

無人機(jī)噴火設(shè)備的實(shí)現(xiàn)，使導(dǎo)線上懸掛纏繞異物的處理時(shí)間由原來的40多分鐘降低至現(xiàn)在的5分鐘，極大提高了工作效率，降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。充分發(fā)揮無人機(jī)作業(yè)優(yōu)勢，自主創(chuàng)新、自主研發(fā)無人機(jī)噴火技術(shù)。該技術(shù)可以安全高效地清除懸掛在導(dǎo)線上的的風(fēng)箏、編織袋或塑料薄膜等各類纏繞物，迅速消除線路安全隱患，大大縮短作業(yè)時(shí)間，減少帶電作業(yè)人員工作強(qiáng)度，既節(jié)約了各類成本，又保證了消缺質(zhì)量，極大降低了登塔作業(yè)人員的危險(xiǎn)性。

4 結(jié)束語

利用無人機(jī)遠(yuǎn)程操控的形式清除異物，一方面可以節(jié)約一定的人力、物力成本，對(duì)提高線路異物清除工作經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的意義；另一方面可以保證人員安全，避免線路異物清除工作中出現(xiàn)生命財(cái)產(chǎn)損失等情況，不會(huì)對(duì)人員生命安全形成威脅。因此，現(xiàn)階段維護(hù)輸電線路運(yùn)行安全清除工作中發(fā)揮出最佳效果，進(jìn)而為輸電線路的安全運(yùn)行提供充分的保障。

總之，無人機(jī)在線路異物清除工作中的應(yīng)用具有十分重要的意義，可以充分實(shí)現(xiàn)線路異物清除目標(biāo)，也可以為線路安全穩(wěn)定運(yùn)行提供充分的保障。因此，對(duì)于線路異物清除和維護(hù)工作中，可以合理使用無人機(jī)這種先進(jìn)的方式。在未來的研究中，仍然會(huì)繼續(xù)依托無人機(jī)作為搭載平臺(tái)進(jìn)行輸電線路的運(yùn)行檢修的多樣化應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]彭向陽，陳馳，饒章權(quán)，等.基于無人機(jī)多傳感器數(shù)據(jù)采集的電力線路安全巡檢及智能診斷[J].高電壓技術(shù)，2015，41（1）：159-166.

[2]彭向陽，劉正軍，麥曉明，等.無人機(jī)電力線路安全巡檢系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)[J].遙感信息，2015（1）：51-57.

[3]梁偉，陳杰，劉洋，等.清除架空線路異物的新型裝置及其試驗(yàn)研究工程[J].中國電業(yè)（技術(shù)版），2015，9.

[4]付克勤.架空線路異物清除裝置的研制[J].電工之友，2015，12.

[5]劉明亮，楊厚峰.導(dǎo)線易漂浮物清除工具的研制與應(yīng)用[J].自動(dòng)化博覽，2011，2：185-787.

[6]金立軍，姚春羽，閆書佳，等.基于航拍圖像的輸電線路異物識(shí)別[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，41（2）：277-281.

[7]孫曉東，王松，趙凱華，等.激光切割技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J].熱加工工藝，2012，1（9）：214-216.