梁顯濤 廖梓杰 林俞先 李 謹(jǐn)

(天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384)

高壓輸電線路覆冰災(zāi)害一直困擾我國(guó)的電力部門。2008年初，廣西、浙江、湖南、湖北、云南、江西、貴州等13個(gè)省市遭到了十分嚴(yán)重的冰雪凍雨凝凍災(zāi)害，南方電網(wǎng)、國(guó)家電網(wǎng)直接經(jīng)濟(jì)損失分別達(dá)到了150億元和104.5億元[1]。因此，減少高壓線覆冰，保障電力輸送安全可靠高效的措施刻不容緩。

高壓線上的覆冰和積雪會(huì)使得其電氣和機(jī)械性能急劇下降，比如引起絕緣子覆冰閃絡(luò)、導(dǎo)線舞動(dòng)線、導(dǎo)地線斷裂、電力通信中斷和倒塔等多種嚴(yán)重的事故。近年來(lái)，全球氣候變暖影響越來(lái)越大，天氣變化反復(fù)無(wú)常，因電線覆冰引發(fā)的事故也越來(lái)越頻繁，冰災(zāi)對(duì)高壓輸電線路安全的影響更加顯著，因此，如何清除高壓電線的覆冰具有重要意義[2]。

高壓線在通電的情況下，由于電線本身就有電阻的特性，它會(huì)發(fā)出熱量，雖然這個(gè)熱量很小，但是對(duì)于融化一枚雪花還是能做到的，融化了的雪花會(huì)變成水，粘在高壓線上。在下雪極大的情況下，高壓線發(fā)出的熱量，不足以把掛在它身上的雪花全部融化，而是把開始的雪花融化成了水，后邊的只能融化成冰，最后邊是冰上掛著一層雪，高壓線還在持續(xù)發(fā)出熱量，就這樣的循環(huán)，使電線外邊的冰雪會(huì)越積越多，電線也會(huì)變得越來(lái)越粗。高壓線上的冰雪結(jié)冰到一定的程度，危害很大，輕的電線壓彎，重的電線壓斷，或電線桿折斷。

隨著科學(xué)的進(jìn)步，人們生活水平的提高。一些以前需要人力來(lái)完成的工作可以靠機(jī)器來(lái)完成，同樣，一些高危的工作同樣可以由機(jī)器人來(lái)代替。現(xiàn)在機(jī)械設(shè)備的發(fā)展十分迅速，功能不斷增多的同時(shí)，能操作的工作也越來(lái)越復(fù)雜。因此本研究在結(jié)合以上不足后決定制作一個(gè)改良的除冰裝置。本裝置在制作初期也查閱了許多資料，才有了制作這個(gè)裝置的雛形。首先除冰裝置是基于一個(gè)巡檢裝置上設(shè)計(jì)的，該裝置可以在高壓沿線上來(lái)回走動(dòng)，檢測(cè)是否發(fā)生漏電或有雜物的情況，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控附近的天氣情況，做出預(yù)警和反饋；其次，除冰部分是可拆卸的部分，根據(jù)不同的情況可進(jìn)行拆裝，而且與一般的除冰設(shè)備不同的是本裝置采用了除冰刀來(lái)除冰，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的除冰刀來(lái)破除冰雪，保證沿線沒(méi)有結(jié)冰覆蓋；還采用了可移動(dòng)充電樁來(lái)保證其電量充足，充電樁采用太陽(yáng)能充電，不用人工頻繁地給其輸送電能，這樣能保證裝置的實(shí)用性和提高可行性。

除冰刀的設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于豆?jié){機(jī)的刀片，通過(guò)刀片的高速旋轉(zhuǎn)來(lái)破開附在電線上的冰塊，使其掉落；該方法簡(jiǎn)單有效，配合巡檢機(jī)器人十分方便；為了與巡檢部分的造型功能相符合，本研究針對(duì)此來(lái)設(shè)計(jì)一種特制的除冰刀：該除冰刀有4片刀片，刀口呈鋸齒狀、刀尖略向上彎曲，中間中空，呈圓環(huán)狀，可以使高壓線通過(guò)；由于除冰刀是需要拆卸的，故將其分成相等的2部分，并在分開處兩邊各加上一個(gè)凸起的半圓和凹陷的半圓(如圖10)，使其在安裝時(shí)能夠互相契合，固定位置。除冰刀的“圓環(huán)”往后延伸，中間設(shè)計(jì)一條凹槽是為了將固定將除冰刀固定在除冰設(shè)備上，前半部分在設(shè)備外部，后半部分在內(nèi)部，并且做了一個(gè)設(shè)計(jì)，將一部分曲面改為平面，樣可以將兩半的除冰刀卡住，并起到固定的作用。將兩半除冰刀固定可以用一個(gè)齒輪將其固定，齒輪是特制的與除冰刀結(jié)構(gòu)相契合的，齒輪在設(shè)備內(nèi)部與電機(jī)相連，為除冰刀提供動(dòng)力支持。

為了確保除冰刀的高效運(yùn)行，需計(jì)算出除冰刀的切削力，從而選定適合的材料制作除冰刀[3]。按照預(yù)期實(shí)現(xiàn)的功能，預(yù)期破冰前進(jìn)速度為1m/min，破冰的厚度為30mm，4片刀片每片的與冰的接觸面積為66mm2，厚度為5mm。假設(shè)除冰刀工作環(huán)境溫度為-10℃，則覆冰的抗拉強(qiáng)度δb=1.5MPa，抗剪強(qiáng)度τb=δb/1.64=0.92MPa。

當(dāng)?shù)镀脖慕佑|面積達(dá)到最大時(shí)，每個(gè)刀片的切割面積為15mm2。此時(shí)單塊刀片對(duì)覆冰的剪切力為Fτ=τbAτ=0.92*106*5*10-6=13.8N，總剪切力為Fτ總=Fτ*4=4.6*4=55.2N。

當(dāng)除冰刀切割覆冰時(shí)每個(gè)刀片對(duì)冰的擠壓力為：Fδ=δbAδ=1.5*106*66*10-6=99N，總的擠壓力為Fδ總=4Fδ=4*9.9=396N。

為了保證除冰裝置的動(dòng)力、對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，應(yīng)采用步進(jìn)電機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)。每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步；作為一種控制用的特種電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)無(wú)法直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅(qū)動(dòng)電源：因此除冰刀采用DRV8825芯片作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片為除冰裝置的自動(dòng)化提供了一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方案。其的內(nèi)部輸出驅(qū)動(dòng)模塊最高速可達(dá)三十二分之一微步，輸出電壓為12伏，其工作狀態(tài)的峰值電壓在25℃的時(shí)候達(dá)到2.5A。200mΩ的電阻通過(guò)ISENA/ISENB兩個(gè)引腳來(lái)保證該芯片具有良好耐熱性，可以保證芯片使用時(shí)的穩(wěn)定。該芯片還具有專門的休眠模式，通過(guò)nSLEEP引腳來(lái)設(shè)置，該模式可以讓芯片盡可能地處于低能耗的狀態(tài)，由于除冰部分并不是經(jīng)常使用，因此此功能能減輕電源帶來(lái)的負(fù)擔(dān)。同時(shí)該芯片內(nèi)部還能通過(guò)nFAULT引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控芯片的狀態(tài)，為芯片提供短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)以及欠壓鎖定等，進(jìn)而保護(hù)電機(jī)與芯片[4]。