关于一种高压输电线智能除冰装置的探讨

龚雷锋　张文华　张浩亮

【摘要】：高压输电线智能除冰机器人由控制、行走、除冰、越障、智能充电五部分组成，可实现三个维度方向的运动，轻松越障、运行灵活，巧妙的设计使除冰快捷有效，安全可靠。

【关键词】：除冰；行走；越障；无线充电

一、技术背景：

在冬天，高压输电线路上有可能结冰，给安全输电带来隐患。北方大面积地区输电线系统都有除冰需要，现有的除冰机构虽然可以除冰，但由于结构的原因，都基本上不能或不能很好的越障，而高压线路上有很多绝缘子、防震锤、间隔棒等，除冰机构无法跨越这类障碍，因此在实际使用的时候存在局限。

因此，设计一种新型的并且效率高、体积小、能耗小，可以跨越障碍的除冰装置将有着非常重要的意义。

二、本装置具体设计方案：

总述：

本装置主要由行走机构、除冰机构、越障机构、保险机构、控制机构（包括线路设计和传感器的使用）五大部分组成。

（1）行走机构设计：

行走机构主要由行走轮与紧压轮组成。其中行走轮挂在高压输电线上，由减速电机驱动，为整个装置提供前进、后退的动力，使得整个装置可以沿输电线前进、后退；而紧压轮由气动装置控制。两者配合运行，既可以提供较大的摩擦力让装置更可靠的行走，又可以提高行走过程中的安全性。

（2）除冰机构设计：

采用先"针刺"出裂纹，然后碾压破碎的方案。这样做既提高了除冰的效率又降低了能耗，有利于提高装置的巡航能力。

本结构为对称结构，前面有两个可以伸缩的自行设计的"钢针"，后面有两个碾压钢轮。钢针垂直于输电线，碾压钢轮与输电线平行。除冰时两部分同时启动，先由钢针的伸缩运动使输电线上的冰柱产生裂纹，再由后面的碾压轮进行进一步的破碎，进而使覆冰脱落。

为了在除冰过程中不损伤输电线，钢针的头部并是很钝的，而且钢针的行程也有严格的限制，对不同粗细的输电线可以进行微调；当然，两个碾压轮之间的距离也是大于输电线的直径的。

（3）越障机构设计：

考虑到高压线有绝缘子、悬垂线夹、防震锤和间隔棒等障碍物，为了达到越障时的平稳性、安全性和有效性的要求，本装置采用前、中、后三手臂依次越障的"仿生"结构设计。

每个机械臂大的方面由两套互相垂直的丝杆机构组成，而每个丝杆由独立的步进电机驱动，每个机械臂都可以进行独立的二维运动，而三个机械比的配合运动，也可以是装置征途具有三个自由度的运动能力。

手臂通过丝杆与装置主体相连接，即通过丝杆由装置主体伸出并可贯穿于装置主体的上下面。其特点是即可在越障时实现越障功能，又可以在越障后，通过丝杆与装置主体的相对运动使装置主体上升至与高压线水平，然后用一锁紧装置使装置与丝杆锁定。接着装置继续实现正常的行走及除冰功能。

（4）保险机构：

为防止装置在除冰时、越障时或发生故障时滑落，于是设计了"横杆"保险装置，拟在装置的前后各加一组"横杆"机构。

为了提高反应速度，横杆机构由气动装置驱动，结构的初始工作状态是把输电线和装置的主体扣在一起的，需要把装置放到输电线上或者从输电线上取下时取下或越障需要时，需要控制系统把此结构打开或者手动打开。这种工作模式，可以避免装置从输电线上掉下。

（5）控制机构的设计（包括线路设计和传感器的使用）：

控制部分采用手动、遥控、自动三种控制方式，以满足不同工作情况的要求。手动控制部分设计为按钮，以便于操作；遥控控制部分由遥控器、接收器、控制器组成；自动控制部分由传感器、单片机组成。这三种控制方式的优先性为手动控制优先于遥控控制，遥控控制又优先于自动控制。在使用本装置时具体使用哪种控制方式由使用者决定。

传感器的使用：装置在遥控控制及自动控制状态时主要由传感器采集信息，发送到控制器，用以辅助装置的正常工作。此外，还可以在装置上加装多种传感器，来扩大其应用的领域，比如在除冰的过程中检测输电线路、检测气象等。并且可以把收集到的信息发给使用者或发送到基站，以实现辅助决策。

（6）总结：

装置的除冰机构、越障机构、保险机构、控制机构与装置的主平台固连在一起。行走机构固连在越障机构上，两者组成"行走及越障机构"，两机构配合工作，使得装置具有很高的越障能力。

发展前景：

随着我国经济的高速发展，超高压大容量输电线路越建越多，线路走廊穿越的地理环境更加复杂。而且在严冬及初春季节，我国云贵高原、川陕一带及两湖地区常出现雾凇和雨凇现象，造成架空输电线路覆冰，使电网结构遭到破坏。为了保证电力系统的可靠性，提高高压输电线除冰的效率，减少损失，维护工人的安全，研制并应用一种可以替代工人进行除冰作业的、安全有效的除冰机械进行导线除冰具有很好的应用前景和实用意义。

而随着机器人技术的发展，采用机械除冰方式解决高压输电线的覆冰问题是很有前景的。

参考文献：

[1]魏书宁.《高压输电线线路除冰机器人的除冰机构设计》.2012.07.004

[2]杨晹.《架空输电线路除冰机器人的结构设计》.2009.03

[3]王超.《高压输电线上除冰机器人的系统设计》.2010.02

[4]李海.《架空高压输电线除冰机器人设计》.2010

作者简介：

龚雷锋（1992-）男，汉族，河南周口人。现为郑州大学机械工程学院2013级本科生。