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

        2020-11-13 03:07:28雷冬云白劍鋒溫智慧黃永超賀韌
        湖南電力 2020年5期
        關(guān)鍵詞:漂浮物螺絲刀片

        雷冬云, 白劍鋒, 溫智慧, 黃永超, 賀韌

        (1. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司長(zhǎng)沙供電分公司, 湖南 長(zhǎng)沙410076;2. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司技術(shù)技能培訓(xùn)中心, 湖南 長(zhǎng)沙410131;3. 長(zhǎng)沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙410131)

        0 引言

        隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 對(duì)供電可靠性的要求不斷提高[1-3], 然而線(xiàn)路走廊的塑料薄膜、 風(fēng)箏等漂浮物易在風(fēng)力的作用下懸掛于帶電導(dǎo)線(xiàn)上, 嚴(yán)重威脅線(xiàn)路的安全運(yùn)行[4]。 輸配電線(xiàn)路上的漂浮物會(huì)引發(fā)線(xiàn)路跳閘, 嚴(yán)重時(shí)將會(huì)造成停電甚至是導(dǎo)線(xiàn)熔斷等事故[5]。 據(jù)分析, 線(xiàn)路因漂浮物而發(fā)生的跳閘故障占比可達(dá)7. 2%[6], 為了有效地消除線(xiàn)路的安全隱患, 導(dǎo)線(xiàn)上的漂浮物清除工作已經(jīng)成為線(xiàn)路運(yùn)維的主要任務(wù)之一。

        目前對(duì)于架空配電導(dǎo)線(xiàn)上漂浮物的處理方法按照作業(yè)方式可以分為停電處理、 帶電作業(yè)人員采用絕緣桿法處理、 采用絕緣斗臂車(chē)處理等方式[7-8]。文獻(xiàn)[9] 提出了激光炮清除線(xiàn)路異物方法, 該方法常用于110 kV 及以上架空輸電線(xiàn)路, 對(duì)于架空配電線(xiàn)路多為絕緣導(dǎo)線(xiàn)且相距距離僅600 ~700 mm, 激光炮易造成表層損傷。

        隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展, 利用無(wú)人機(jī)處理導(dǎo)線(xiàn)上的漂浮異物漸漸被重視, 無(wú)人機(jī)能夠克服停電作業(yè)給用戶(hù)帶來(lái)的不便和帶電作業(yè)的危險(xiǎn)性高、 勞動(dòng)強(qiáng)度大、 耗時(shí)較長(zhǎng)、 環(huán)境受限性大等缺點(diǎn), 具有安全、 方便、 高效等優(yōu)點(diǎn)[10-12]。

        鑒于此, 本文設(shè)計(jì)了一種無(wú)人機(jī)清除線(xiàn)路漂浮異物裝置, 采用不同組件, 實(shí)現(xiàn)漂浮物的切斷分離、 抓取回收等操作, 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, 有效地清除線(xiàn)路漂浮異物, 為配電線(xiàn)路的安全運(yùn)行提供保障。

        1 方案分析

        1.1 方案選擇

        采用無(wú)人機(jī)處理漂浮物的方式主要有噴火清障型[13]、 激光清障型[9,14]、 發(fā)熱絲清障型[15], 由于噴火、 激光等高溫、 高能方式雖然能夠?qū)⒕€(xiàn)路上的飄掛異物燒毀, 但一定程度上也對(duì)電網(wǎng)的正常運(yùn)行構(gòu)成威脅[5]。 表1 為噴火式作業(yè)和機(jī)械手臂式作業(yè)方式的對(duì)比分析, 從環(huán)境適應(yīng)性和對(duì)導(dǎo)線(xiàn)的損傷程度考慮, 采用的是機(jī)械手臂作業(yè)方式, 在于其環(huán)境適應(yīng)性好, 并且不易對(duì)導(dǎo)線(xiàn)造成損傷, 唯一的缺點(diǎn)是對(duì)于纏繞過(guò)緊的漂浮物處理相對(duì)困難。

        表1 作業(yè)方式對(duì)比分析

        機(jī)械手臂的材質(zhì)對(duì)無(wú)人機(jī)的要求和制造難易度影響很大, 對(duì)比分析鋼質(zhì)、 絕緣材質(zhì)的機(jī)械手臂情況見(jiàn)表2。 從無(wú)人機(jī)載重的角度考慮選擇絕緣機(jī)械手臂操作桿, 在于其質(zhì)量輕、 安全性好, 適用于多種類(lèi)型無(wú)人機(jī), 但是生產(chǎn)的難度較高。

        表2 機(jī)械手臂的材質(zhì)分析

        1.2 功能要求

        配電線(xiàn)路的漂浮物主要有塑料薄膜、 風(fēng)箏、 繩線(xiàn)等, 典型配電線(xiàn)路漂浮物如圖1 所示, 受風(fēng)力的影響, 漂浮物在導(dǎo)線(xiàn)上的纏繞松緊程度不同, 因此需要采用不同的方式進(jìn)行清除。 對(duì)于導(dǎo)線(xiàn)上簡(jiǎn)單纏繞的漂浮物, 如圖1 (a) 所示, 可以直接采用無(wú)人機(jī)手臂抓取或鉤拉的方式。 如果漂浮物在導(dǎo)線(xiàn)上纏繞過(guò)緊, 如圖1 (b) 所示, 難以直接抓取的可采用先切割, 后抓取的方式。

        圖1 典型的配電線(xiàn)路漂浮物

        基于上述功能要求, 本裝置以絕緣操作桿為基礎(chǔ), 配套設(shè)計(jì)切割組件、 螺絲鉤組件、 抓手組件三種操作頭, 特點(diǎn)見(jiàn)表3。 通過(guò)替換安裝在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上的操作頭, 實(shí)現(xiàn)利用切割組件中的刀片切斷、切碎異物, 利用螺絲鉤拉出高空異物, 利用垃圾抓手組件抓取高空線(xiàn)路異物。

        表3 操作頭的特點(diǎn)分析

        2 方案設(shè)計(jì)

        裝置整體設(shè)計(jì)如圖2 所示, 主要包含無(wú)人機(jī)、連接桿、 絕緣桿、 控制箱和切割組件、 螺絲鉤組件、 抓手組件三種操作頭。 無(wú)人機(jī)采用大疆經(jīng)緯M610 型無(wú)人機(jī), 其載重能力大于8 kg、 續(xù)航能力30 min, 通過(guò)備用電池可增大巡航能力, 可滿(mǎn)足正常的帶電作業(yè)要求。

        圖2 裝置結(jié)構(gòu)

        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、 固定于外絕緣管后端的減速電機(jī)、 套裝于外絕緣管內(nèi)可轉(zhuǎn)動(dòng)的內(nèi)絕緣管、 連接于內(nèi)絕緣管上的轉(zhuǎn)接頭。 外絕緣管兩端與內(nèi)絕緣管之間均設(shè)有自潤(rùn)滑軸承, 密封管件上連接有可拆卸的蓄電池, 如圖3 所示。

        圖3 絕緣操作桿

        內(nèi)、 外絕緣管由環(huán)氧樹(shù)脂加玻璃纖維料制成。減速電機(jī)采用GMP42-775PM-2460-19 型直流減速電機(jī), 其直流電壓DC24V、 減速比19、 空載轉(zhuǎn)速295 rpm、 負(fù)載轉(zhuǎn)速235 rpm、 負(fù)載力矩13 kg·cm。

        減速電機(jī)的輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器與內(nèi)絕緣管后端連接, 內(nèi)絕緣管轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)接頭同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

        絕緣桿長(zhǎng)度在1. 4 m 左右, 能夠保證安全規(guī)程中0. 7 m 以上距離要求; 絕緣桿設(shè)計(jì)時(shí), 利用掛線(xiàn)桿掛在無(wú)人機(jī)底座上, 控制部分處于無(wú)人機(jī)正下方, 電機(jī)部分與工具各在絕緣桿前端, 使得整套工具的重心在無(wú)人機(jī)的正下方, 從而保證了無(wú)人機(jī)的平衡。

        2.1 切割方案設(shè)計(jì)

        切割組件設(shè)計(jì)如圖4 所示, 包括刀片安裝盤(pán)及長(zhǎng)100 mm、 寬18 mm、 厚0. 40 mm 的刀片, 刀片安裝盤(pán)連接于轉(zhuǎn)接頭前端。 通過(guò)蓄電池帶動(dòng)減速電機(jī)旋轉(zhuǎn), 以轉(zhuǎn)接頭傳動(dòng)至刀片, 實(shí)現(xiàn)刀片的快速旋轉(zhuǎn), 從而可以有效的切割漂浮物。 切割組件清除導(dǎo)線(xiàn)上漂浮物的方式如下:

        1) 螺紋緊固件將刀片安裝盤(pán)固定在絕緣操作桿的轉(zhuǎn)接頭上, 通過(guò)2 套外六角螺栓M5X10 將刀片安裝在刀片安裝盤(pán), 刀片與水平面相交呈2°的夾角布置。

        2) 將蓄電池安裝在密封管件并與減速電機(jī)通過(guò)電線(xiàn)連接, 將與減速電機(jī)配套的遙控型控制盒固定在外絕緣管上, 通過(guò)8 套抱箍聯(lián)結(jié)桿將外絕緣管固定在無(wú)人機(jī)底部的橫桿上。

        3) 操作無(wú)人機(jī)飛至指定位置, 啟動(dòng)減速電機(jī), 刀片安裝盤(pán)上的刀片隨之轉(zhuǎn)動(dòng), 切割配電線(xiàn)路上的異物。

        圖4 切割組件

        2.2 鉤取方案設(shè)計(jì)

        配電導(dǎo)線(xiàn)上的漂浮異物, 可以采用鉤取方式處理, 如圖5 所示。 螺絲鉤連接于轉(zhuǎn)接頭前端。

        鉤取方式最為簡(jiǎn)單, 無(wú)需利用絕緣桿的復(fù)雜控制裝置, 直接將螺絲鉤旋擰在轉(zhuǎn)接頭的螺紋孔內(nèi),控制無(wú)人機(jī)飛至指定位置, 利用螺絲鉤勾住配電線(xiàn)路上的異物, 操作無(wú)人機(jī)來(lái)回運(yùn)動(dòng), 取下配電線(xiàn)路上的異物。

        圖5 螺絲鉤組件

        2.3 抓取方案設(shè)計(jì)

        配電線(xiàn)路上的漂浮異物難以用鉤取方式處理時(shí), 可考慮采用抓取方式, 如圖6 所示。 抓手組件有兩種狀態(tài)分別為“打開(kāi)” 和“閉合” 狀態(tài), 通過(guò)絕緣操作桿上的蓄電池、 減速電機(jī)、 拉桿等裝置, 有效地完成抓手組件“打開(kāi)” 和“閉合” 狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。 抓手組件清除導(dǎo)線(xiàn)上漂浮物的方式如下:

        圖6 抓手組件

        1) 在絕緣操作桿上無(wú)操作頭時(shí), 將導(dǎo)向套管套裝在外絕緣管前端, 旋轉(zhuǎn)T 型螺桿, 使T 型螺桿底部與轉(zhuǎn)接頭的螺紋孔連接。

        2) 調(diào)整導(dǎo)向套管在外絕緣管上的位置, 使兩拉桿處于平行狀態(tài), 即機(jī)械手指展開(kāi)呈最大狀態(tài);然后通過(guò)抱箍及蝶形螺母將導(dǎo)向套管固定在外絕緣管上。

        3) 操作無(wú)人機(jī)飛至指定位置, 啟動(dòng)減速電機(jī), 轉(zhuǎn)接頭轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)T 型螺桿上的導(dǎo)向筒在導(dǎo)向套管內(nèi)向后移動(dòng), 導(dǎo)向筒通過(guò)拉桿帶動(dòng)各機(jī)械手指繞與導(dǎo)向套管的鉸接處向內(nèi)旋轉(zhuǎn), 逐步靠攏閉合抓緊線(xiàn)路上的異物。

        3 測(cè)試應(yīng)用

        2020 年7 月15 日設(shè)計(jì)研制的配電線(xiàn)路漂浮異物清除裝置進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。 針對(duì)10 kV 配電線(xiàn)路設(shè)置了風(fēng)箏、 塑料帯等漂浮異物, 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)線(xiàn)路未帶電。 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)組裝驗(yàn)證無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定性, 測(cè)試不同功能組件的可行性, 漂浮異物清除裝置如圖7 所示。

        圖7 漂浮異物清除裝置

        現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人機(jī)飛行平穩(wěn), 功能組件測(cè)試表明螺絲鉤組件能夠?qū)崿F(xiàn)在導(dǎo)線(xiàn)上鉤取漂浮異物的功能, 切割組件可以切割纏繞過(guò)緊的導(dǎo)線(xiàn)異物, 抓手組件通過(guò)開(kāi)合狀態(tài)的轉(zhuǎn)變可有效抓取導(dǎo)線(xiàn)上的異物。

        測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖8 所示, 對(duì)于纏繞在導(dǎo)線(xiàn)上的塑料帯, 從無(wú)人機(jī)起飛到異物清除用時(shí)約為2 min,相比人工處理能夠減少20 min 以上, 效率明顯提升。 實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)該裝置1 人操作1 人配合即可,無(wú)需登桿作業(yè), 具有勞動(dòng)強(qiáng)度低、 安全性能高等優(yōu)點(diǎn)。 但是無(wú)人機(jī)在風(fēng)的作用下會(huì)擺動(dòng), 這需要飛手操控時(shí)注意節(jié)奏的調(diào)整, 異物清除時(shí), 對(duì)目標(biāo)的處置應(yīng)快速、 果斷。 在風(fēng)速大于3. 0 m/ s 時(shí)應(yīng)停止操作, 避免無(wú)人機(jī)損壞和操作不當(dāng)對(duì)配電線(xiàn)路造成損傷。

        圖8 配電線(xiàn)路異物清除測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

        4 結(jié)語(yǔ)

        針對(duì)10 kV 架空配電線(xiàn)路上的漂浮異物, 設(shè)計(jì)一種利用無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載漂浮異物清除裝置, 運(yùn)用切割組件、 抓手組件、 螺絲鉤組件, 實(shí)現(xiàn)了漂浮物的切斷分離、 抓取回收等操作。 實(shí)際測(cè)試效果表明該裝置具有方便實(shí)用、 勞動(dòng)強(qiáng)度低、 工作效率高等特點(diǎn), 能夠在帶電環(huán)境下有效清除導(dǎo)線(xiàn)上的漂浮異物, 為配電線(xiàn)路的安全運(yùn)行提供保障。

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