摘 要：高壓輸電線路外絕緣子的清洗和防污閃噴涂是確保線路安全運行的重要工作。然而，傳統(tǒng)人工高空作業(yè)存在施工周期長、難度大、成本高和人身安全風險高等問題。鑒于此，設計并實現(xiàn)了一種無人機掛載噴涂機構(gòu)，以替代傳統(tǒng)人工操作。該機構(gòu)包括無人機底座、噴涂設備底板組件、定制水箱、循環(huán)泵、軟管系統(tǒng)、噴頭組件、電控箱組件等。通過對關鍵組件的設計優(yōu)化，系統(tǒng)實現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的液體輸送和均勻噴涂。實驗測試結(jié)果表明，無人機掛載噴涂機構(gòu)在飛行穩(wěn)定性、噴涂均勻性和操作便捷性等方面表現(xiàn)優(yōu)異，能顯著提高高壓輸電線路維護的效率和安全性。最后對無人機掛載噴涂機構(gòu)的進一步改進和應用前景進行了展望。

關鍵詞：無人機；噴涂機構(gòu)；外絕緣子

中圖分類號：TP23" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）01-0033-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.01.008

0" " 引言

高壓輸電線路的外絕緣性能對線路的安全運行至關重要。外絕緣子的主要功能是確保電氣系統(tǒng)中的各個部分保持絕緣，從而防止短路和其他電氣故障。然而，由于環(huán)境污染、氣候條件等因素的影響，防污閃涂料會逐漸被污損或脫落，導致絕緣性能下降，增加了發(fā)生閃絡和電擊的風險。也正是因為如此，每年因絕緣性能下降導致的輸電線路事故頻發(fā)，對電力供應的可靠性和安全性造成了嚴重影響[1]。

傳統(tǒng)的外絕緣子維護主要依賴人工操作，工人需要攀爬至高空進行清洗和噴涂作業(yè)。這種方法不僅危險，而且在高溫或嚴寒等惡劣環(huán)境下工作，進一步增加了作業(yè)難度和安全風險。此外，人工操作的施工周期長、成本高，無法滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)對高效、安全維護的需求。

為了解決上述問題，本文設計并實現(xiàn)了一種無人機掛載的噴涂機構(gòu)。該系統(tǒng)通過無人機攜帶噴涂設備，能夠在高空自動進行絕緣子的清洗與噴涂作業(yè)。相較于傳統(tǒng)方法，利用無人機進行帶電噴涂作業(yè)不僅大大提高了工作效率，還顯著降低了人力成本和安全風險[2]。

本文的研究為電力系統(tǒng)的外絕緣子維護提供了一種高效、安全、經(jīng)濟的解決方案，具有重要的實際應用價值和廣闊的發(fā)展前景。

1" " 設計需求分析

無人機掛載噴涂機構(gòu)的應用背景：對絕緣子進行清洗和噴涂防污閃涂料。傳統(tǒng)的人工清洗和噴涂方法存在高空作業(yè)危險、工作環(huán)境惡劣、施工周期長、成本高等問題，因此，開發(fā)一種能夠替代人工操作的自動化設備顯得尤為重要。無人機掛載噴涂機構(gòu)應運而生，它不僅能夠提高工作效率，還能降低人工成本和安全風險[3]。

為了滿足高壓輸電線路外絕緣子清洗和噴涂的需求，無人機掛載噴涂機構(gòu)需要滿足以下設計需求和目標：

1）輕量化設計。采用輕質(zhì)材料，如鋁合金框架和PP板，確保設備在無人機的安全負載范圍內(nèi)。

2）穩(wěn)定性。設計堅固的安裝結(jié)構(gòu)，確保設備在飛行過程中穩(wěn)定，避免振動影響噴涂效果；采用高效循環(huán)泵和軟管系統(tǒng)，保證水流的穩(wěn)定性和噴涂的均勻性。

3）操作便捷。地面操作人員能夠方便地將設備安裝在無人機上，并通過簡單操作完成噴涂任務；系統(tǒng)需要具備快速裝卸功能，便于維護和更換設備。

4）安全性。確保設備的設計和使用符合相關安全標準，避免對設備本身和操作人員造成損害；具備應急停止功能，防止意外情況發(fā)生[4]。

通過滿足上述設計需求和目標，無人機掛載噴涂機構(gòu)能夠顯著提高高壓輸電線路外絕緣子的維護效率，降低人工成本和安全風險，為電力系統(tǒng)的可靠運行提供強有力的保障。

2" " 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

為實現(xiàn)高效、安全的高壓輸電線路外絕緣子清洗和噴涂作業(yè)，本設計提出了一種無人機掛載噴涂機構(gòu)。該系統(tǒng)綜合考慮了輕量化、穩(wěn)定性和操作便捷性等多方面的需求，通過優(yōu)化各個關鍵組件，確保系統(tǒng)在高空作業(yè)環(huán)境下的可靠性和高效性。以下將詳細介紹系統(tǒng)的組成、各關鍵組件的設計及其工作原理。

2.1" " 系統(tǒng)組成

無人機掛載噴涂機構(gòu)主要由無人機底座、噴涂設備底板組件、定制水箱、DN10軟管、循環(huán)泵、DN8軟管、快裝卡組件、電控箱組件、軟管支撐架、快拆固定件、304不銹鋼延長管、扇形噴頭等部分組成，如圖1所示。

2.2" " 關鍵組件設計

1）無人機底座。無人機底座采用輕質(zhì)鋁合金材料制成，設計成彈力管卡結(jié)構(gòu)，確保噴涂設備能夠穩(wěn)固地安裝在無人機上，同時方便拆卸和更換。

2）噴涂設備底板組件。噴涂設備底板組件是整個系統(tǒng)的支撐平臺，采用PP板材料，具有輕便、耐用和防腐蝕的特點。底板上設計有固定孔位和安裝槽，用于安裝和固定各個組件。

3）定制水箱。定制水箱采用304不銹鋼材料制成，容量根據(jù)無人機的負載能力進行設計，以確保在保證飛行安全的前提下，盡可能增加噴涂作業(yè)的續(xù)航時間。水箱通過專用固定件安裝在噴涂設備底板上，并通過DN10軟管連接循環(huán)泵。

4）循環(huán)泵。循環(huán)泵負責從水箱中抽取液體，并通過軟管系統(tǒng)將液體輸送到噴頭。循環(huán)泵的選型需要考慮其流量和壓力，以確保能夠提供穩(wěn)定的液體輸出。循環(huán)泵通過底板下方的走線連接至電控箱，實現(xiàn)遠程控制。

5）軟管系統(tǒng)。軟管系統(tǒng)包括DN10和DN8軟管，用于液體的輸送。DN10軟管連接水箱和循環(huán)泵，DN8軟管連接循環(huán)泵和噴頭。軟管系統(tǒng)需要具備耐壓、耐腐蝕的特性和柔韌性，確保在高空作業(yè)時的穩(wěn)定性和可靠性。

6）噴頭組件。噴頭組件包括304不銹鋼延長管和扇形噴頭。延長管用于增加噴涂范圍，扇形噴頭則用于將液體均勻噴涂到絕緣子表面。噴頭組件的設計需要考慮噴涂的均勻性和覆蓋范圍，以提高清洗和噴涂效果。

2.3" " 系統(tǒng)工作原理

無人機起飛并飛行至待噴涂的高壓絕緣子附近，通過控制系統(tǒng)啟動循環(huán)泵。循環(huán)泵從水箱中抽取液體，經(jīng)過DN10軟管輸送至快裝卡組件，再通過DN8軟管輸送至噴頭。液體經(jīng)過304不銹鋼延長管和扇形噴頭，均勻地噴涂到絕緣子表面，完成清洗和噴涂作業(yè)。

3" " 實驗與測試

為了驗證無人機掛載噴涂機構(gòu)的設計性能和實際應用效果，進行了多次實驗與測試。以下內(nèi)容涵蓋了實驗方案、測試結(jié)果以及數(shù)據(jù)分析[5]。

3.1" " 實驗方案

實驗設備：1）無人機（載重量5 kg，續(xù)航時間30 min）；2）無人機掛載噴涂機構(gòu)（圖2）；3）標準高壓絕緣子樣品；4）清洗液和防污閃涂料；5）流量計、壓力傳感器、噴涂均勻性測試儀。

實驗環(huán)境：室外實驗場地，模擬實際高壓線路環(huán)境，不同天氣條件（晴天、多云、風速5 m/s以下）下進行實驗。

實驗步驟：

1）安裝與準備：將噴涂設備安裝在無人機底座上，向水箱加滿清洗液或防污閃涂料，檢查各連接件的牢固性。

2）地面測試：在地面上啟動系統(tǒng)，檢查循環(huán)泵、軟管和噴頭的工作狀態(tài)，確保無泄漏和阻塞。

3）飛行與噴涂測試：（1）無人機起飛，飛行至絕緣子樣品上方；（2）啟動循環(huán)泵，開始噴涂作業(yè)；（3）通過遠程控制系統(tǒng)調(diào)整噴涂流量和壓力，記錄噴涂時間、液體消耗量；（4）使用噴涂均勻性測試儀測量噴涂效果。

3.2" " 測試結(jié)果

1）穩(wěn)定性測試。在5次實驗中，無人機均能夠穩(wěn)定懸停并完成噴涂作業(yè)。設備在飛行過程中無明顯抖動，噴涂流量和壓力保持穩(wěn)定，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

2）噴涂均勻性測試。使用噴涂均勻性測試儀對絕緣子表面進行測量，結(jié)果顯示噴涂均勻性良好，無明顯的液體堆積或遺漏（圖3），測試數(shù)據(jù)如表2所示。

3.3" " 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)實驗與測試數(shù)據(jù)分析，無人機掛載噴涂機構(gòu)在以下幾個方面表現(xiàn)優(yōu)異：

1）穩(wěn)定性：在正常天氣條件下，無人機掛載噴涂機構(gòu)能夠保持穩(wěn)定的飛行和噴涂狀態(tài)，系統(tǒng)故障率為0。

2）噴涂均勻性：測試結(jié)果表明，噴涂均勻性較高，絕緣子表面噴涂厚度均勻，確保了清洗和防污閃效果。

綜上所述，無人機掛載噴涂機構(gòu)在實際應用中表現(xiàn)出較高的可靠性和有效性，能夠有效替代人工操作，提高高壓輸電線路外絕緣子清洗和噴涂的效率和安全性。

4" " 結(jié)論與展望

4.1" " 結(jié)論

通過對無人機掛載噴涂機構(gòu)的設計、實驗與測試，本文得出了以下結(jié)論：

1）系統(tǒng)穩(wěn)定性高：無人機掛載噴涂機構(gòu)在實際應用中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。在不同的飛行高度和姿態(tài)下，設備均能穩(wěn)定工作，循環(huán)泵、軟管系統(tǒng)和噴頭組件能夠保持一致的液體輸送和噴涂效果。

2）噴涂均勻性好：實驗數(shù)據(jù)表明，噴涂均勻性高，絕緣子表面的涂層厚度均勻，確保了清洗和防污閃效果。噴頭組件設計合理，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻噴涂，滿足高壓輸電線路維護要求。

綜上所述，無人機掛載噴涂機構(gòu)在高壓輸電線路外絕緣子清洗和噴涂作業(yè)中具有廣闊的應用前景，能夠有效提高運維效率和安全性。

4.2" " 展望

盡管該無人機掛載噴涂機構(gòu)的設計取得了一定成果，但仍有一些方面需要進一步研究和改進，以提升設備的性能，拓展其應用范圍。

1）智能化控制：引入更多的智能化控制手段，如自動避障、路徑規(guī)劃和智能識別技術，提升無人機在復雜環(huán)境下的自主作業(yè)能力，進一步提高噴涂效率和精準度[6]。

2）多功能集成：開發(fā)集成更多功能的掛載設備，如具備清洗、檢測和修復等多種功能的模塊化設計，提升設備的多樣性和實用性，滿足不同維護需求。

3）適應性擴展：進一步研究設備在各種極端氣候條件下的適應性，確保在高溫、低溫、大風等復雜環(huán)境下也能穩(wěn)定工作，拓展其應用范圍。

通過以上改進和優(yōu)化，無人機掛載噴涂機構(gòu)將能夠更好地滿足高壓輸電線路維護的需求，推動電力系統(tǒng)運維向智能化和自動化方向發(fā)展，為電力系統(tǒng)的可靠運行提供更強有力的保障。

[參考文獻]

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[2] 賀欣，凌志剛，陳超，等.無人機帶電水沖洗與噴涂技術的研究與應用[J].機電信息，2023（6）：76-79.

[3] 陳澤康，陳澤榮，陳鴻偉，等.電力系統(tǒng)陶瓷絕緣子清洗的研究進展[J].陶瓷，2023（3）：9-11.

[4] 吳培坤，黃耀升，甄志明.一種具有選擇功能的輸電線路噴漆無人機的設計[J].光源與照明，2022（11）：179-181.

[5] 張榮昕.無人機多源傳感器掛載設計及其性能研究[D].淄博：山東理工大學，2022.

[6] 張賀朋.電網(wǎng)絕緣子無人機自主清洗系統(tǒng)的位姿控制研究[D].合肥：中國科學技術大學，2022.

收稿日期：2024-08-12

作者簡介：陳適（1994—），男，湖北黃石人，工程師，研究方向：無人機自動巡檢及輸電線路運維檢修等。