输电线路异物清除装置研究

周辉 杨颖锐 杨生兰

摘 要：目前输电线路上的异物清除常依靠人工方式进行，但随着无人机应用广度和深度日益增加，无人作业规模日益扩大，无人机在电力行业中用于辅助进行输电线路巡检工作得到了不少成效。文章通过研究比对几种输电线路除异物装置，并结合旋翼无人机的应用搭载，研究出一种适合于现在输电线路无人机班组应用的线路异物清除装置，进行了专业的无人机除异物的技术手段分析。

关键词：线路；无人机；异物清除

前言

目前输电线路导地线上存在塑料薄膜、风筝、钓鱼线等异物时，主要依靠带电作业或停电检修时处理。而带电作业耗费人力物力较大、安全风险也较大，停电作业则需等待较长时间，异物将长期影响线路运行安全。亟需研究一种既能及时进行处理又可降低人身安全风险的装置和方法进行线路异物清除[1]。

输电线路除异物目前国内外主要进行带电人工清理，或停电、带电时采用金属工具进行，也有试验采用除异物机器人进行异物清除，但均需人员较高程度的参与，将工器具送至导线，劳动强度和安全风险较大，但尚无利用无人机挂载除异物装置开展异物清除的应用[2]。所以无人机的出现和应用是线路安全运行，解决作业人员人身安全的必然趋势，因此需要借用无人机平台研制一种使作业人员不进入高压强电场的，轻巧、便捷、安全的能快速处理线路异物的清理工具。

1 国内相关研究

目前，国内很多输电线路运维单位均在开展异物清除新方式的探索研究，主要有以下几个方面：

1.1 方式1：输电线爬行烧除机

爬行烧除机是以电池和电机作为原动力，五行轮带动履带转动，履带上橡胶在导线上摩擦从而推动机器在导线上行走，然后利用高压输电线材的燃点远高于异物的燃点从而用脉冲式喷火方式处理异物，燃烧后留下的焦炭很脆、很疏松，受压后极易破碎脱落，此方法已经投入使用[3]。但爬行烧除机重量较重，体积较大，对于无人机班组出行任务携带不便，并且需要工作人员爬上铁塔，将爬行烧除机安放在输电线上，耗时耗力。

1.2 方式2：电动剪刀

设计一个带有橡胶轮的电动平台，将机械剪刀安装在平台上。利用无人机将平台挂在输电导线上，通过地面遥控使平台在导线上可以来回移动。当平台靠近异物时，遥控电动剪刀将异物切断[4]。但电动剪刀安装在无人机平台上，因此对飞控手的操作水平要求较高，且需要反复应用多次才能够清除，除异物效率较低。

1.3 方式3：机械异物清除器

如图1所示，利用无人机将清除器挂在输电线上，工作人员在地面通过拉绝缘绳来调节缠绕爪和清除器在输电线上的位置，使缠绕爪绕着转轴转动，用缠绕爪将风筝、塑料袋等异物清除[5]。但由于需要人工操作缠绕爪和清除器，工作效率低。机械异物清除器直接接触输电线路上，易造成线路放电、导电等，极其不安全。

1.4 方式4：激光清除异物

利用高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加热至汽化或融化温度并形成空洞，随着光束对材料的移动，孔洞连续形成宽度很窄的切缝，完成对材料的切割[6]。原理是将电源供电的激光模块搭载在旋翼无人机上，让无人机靠近输电线上的塑料袋，风筝等异物，在距离5米左右的地方打开激光装置，激光照射在异物上，利用产生的高温将异物熔断，达到清除异物的目的[7]。但由于旋翼无人机载重有限，大功率激光设备太重。小功率激光温度较低，需要长时间持续的对焦在固定点，才能够使异物燃烧。此种方式目前也仍然处于理论研究阶段，未实现应用。

2 技术探究

研究小组经过相关学术研究及探讨，并结合实际场景应用分析得出：虽然以上几种方式都理论上可行，并且部分方式已经投入应用，但仍然有许多存在的问题。在实际无人机班组出巡任务中能需要高效、快速、有效、便捷地进行线路异物清除，因此我们考虑采用火烧的方法。操作方法为将一套喷火装置安装在无人机平台上，让无人机带着喷火装置靠近异物，喷出火焰将异物烧掉。

3 研究设计内容

3.1 设计原理

在旋翼机上搭载除异物装置，让无人机靠近输电线上的塑料袋，风筝等异物，通过遥控器向电动阀门发送遥控信号，在异物挂载物附近打开阀门开关使丁烷气体喷出；然后发送遥控信号控制电火花发生模块使它产生电火花，电火花将气体点燃产生火焰。火焰对准输电线异物使其燃烧，从而清除异物，达到清除异物的目的。

3.2 结构设计

旋翼无人机可搭载的喷火装置结构设计如图2所示。

3.3 燃烧原料

丁烷是一种无色可燃性气体，是发展石油化工、有机原料的重要原料，其用途日益受到重视，目前已经较为普遍的应用于日常生活中。便携式丁烷气罐目前是市面上较为常用的经济型燃烧液态燃料。

3.4 燃烧方式

丁烷气罐外部通过电磁阀门和喷杆相连，电磁阀门和电火花发生器连接在遥控的接收机上的两个通道上，这两个通道分别控制气体输出和电火花的产生。也就是说，是利用无人机自身的遥控接收器作为这套点火设备的遥控信号接收器。对于操控手来说，在操作旋翼无人机进行巡检作业时更便于点火设备的控制与操作。

操控手通過操作无人机遥控器的气体控制开关，打开阀门开关使丁烷气体喷出。然后发送遥控信号控制电火花发生器产生火花，将丁烷点燃产生火焰。火焰对准输电线异物使其燃烧，从而清除异物，达到清除异物的目的后。关闭气体控制按钮，使气体停止喷射。

3.5 技术指标

通过以上的结构设计，实际应用和反复测试，研究团队得出以下测试/技术指标，如表1所示。

3.6 研究应用

本次旋翼无人机喷火装置研制成功后，我们将装置实际应用于烧毁消除线路悬挂的异物。首先我们将无人机飞行到异物点位，在水平距离导线5米处，然后开始喷射柱状火柱，对导线上悬挂的风筝线进行烧毁消除。而此作业过程，均由悬停在较高处的四旋翼无人机全程监控，确保缺陷彻底消除。

3.7 研究结论

经过测试/技术项目与实际应用可以看出，本次研究内容的输电线路异物清除装置-喷火装置具有体积小、重量轻、性价比高等特点，能够适用于输电线路的无人机巡检班组在任务出行中对于输电线路异物清理工具的轻巧、便捷、安全的需求。

3.8 应用意义

无人机喷火设备的实现，使导线上悬挂缠绕异物的处理时间由原来的40多分钟降低至现在的5分钟，极大提高了工作效率，降低了作业人员的劳动强度。充分发挥无人机作业优势，自主创新、自主研发无人机喷火技术。该技术可以安全高效地清除悬挂在导线上的的风筝、编织袋或塑料薄膜等各类缠绕物，迅速消除线路安全隐患，大大缩短作业时间，减少带电作业人员工作强度，既节约了各类成本，又保证了消缺质量，极大降低了登塔作业人员的危险性。

4 结束语

利用无人机远程操控的形式清除异物，一方面可以节约一定的人力、物力成本，对提高线路异物清除工作经济效益具有十分重要的意义；另一方面可以保证人员安全，避免线路异物清除工作中出现生命财产损失等情况，不会对人员生命安全形成威胁。因此，现阶段维护输电线路运行安全清除工作中发挥出最佳效果，进而为输电线路的安全运行提供充分的保障。

总之，无人机在线路异物清除工作中的应用具有十分重要的意义，可以充分实现线路异物清除目标，也可以为线路安全稳定运行提供充分的保障。因此，对于线路异物清除和维护工作中，可以合理使用无人机这种先进的方式。在未来的研究中，仍然会继续依托无人机作为搭载平台进行输电线路的运行检修的多样化应用。

参考文献

[1]彭向阳，陈驰，饶章权，等.基于无人机多传感器数据采集的电力线路安全巡检及智能诊断[J].高电压技术，2015，41（1）：159-166.

[2]彭向阳，刘正军，麦晓明，等.无人机电力线路安全巡检系统及关键技术[J].遥感信息，2015（1）：51-57.

[3]梁伟，陈杰，刘洋，等.清除架空线路异物的新型装置及其试验研究工程[J].中国电业（技术版），2015，9.

[4]付克勤.架空线路异物清除装置的研制[J].电工之友，2015，12.

[5]刘明亮，杨厚峰.导线易漂浮物清除工具的研制与应用[J].自动化博览，2011，2：185-787.

[6]金立軍，姚春羽，闫书佳，等.基于航拍图像的输电线路异物识别[J].同济大学学报（自然科学版），2013，41（2）：277-281.

[7]孙晓东，王松，赵凯华，等.激光切割技术国内外研究现状[J].热加工工艺，2012，1（9）：214-216.