高压电线除冰装置设计

林土淦++刘学军++刘存香

摘 要：输电线路遭遇冰雪灾害时，将导致电线结冰现象的出现，这给用电安全和人民群众的生产生活造成极大危害。经过充分调研，研发了一套高压电线除冰装置，该装置能够在遥控器的控制下，对输电线路进行快速除冰工作，有效避免人工除冰时危险性高、工作效率低、劳动强度大等缺点。该装置的输电线路行走机构、除冰机构结合无线控制模块，能够完成在电线上的前进（行驶）、停止、后退等动作，并且进行有效的除冰作业。该装置所安装的工作状态指示灯能够清楚明了地显示其当前运行情况，降低故障发生率，提高其使用寿命。本高压电线除冰装置具有结构简单、成本低廉、性价比高等优点。经反复试验证明，所研发的装置行走稳定，性能可靠，能够高效率地完成高压输电线上的除冰任务，并具有友好人机交互及装置能耗小等优点。

关键词：除冰装置；高压电线；无线遥控控制；钻头除冰；轮式行走装置

1 研制背景及意义

近几年来，我国数省遭遇了罕见的冰雪灾害。长时间大范围的低温冰冻天气，导致了多地的电网发生倒塔、断线、舞动、覆冰等多种灾害。由于湿度、温度与覆冰形成的最佳气象条件吻合，输电线路出现大范围严重覆冰。冰灾造成了国家电网财产损失惨重，电网灾后恢复改造还需要投入大额资金。此外，在输电线路上人工除冰危险性高。由此可见，如何破除输电线路覆冰成为一个亟待解决的很有实际意义的问题。

目前，人们研究并设计了多种装置用于电线除冰，大致包括这几个模块：行走模块、除冰模块和控制模块。在除冰模块中，多数采用了旋转圆形冰刀切割冰块，犁状式机械爪子等，也有采用热源融化冰雪等方式。用冰刀切割冰块和用犁状爪子清除碎冰并不能有效的去处电线上的覆冰，还残留有很多冰块包裹着电线；使用热源融冰时消耗的电能比较大，且时间长；用锤子敲打除冰时，若遇到较厚覆冰时可能会敲打不动。

结合以上除冰装置存在问题，研制了一款性价比高的除冰装置。

2.设计方案

2.1 行走机构

装置在行走的过程中，要求具有低速大扭矩、小功率大传动比的特点。考虑到电机转速太快，所以使用渐开线蜗杆传动，蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小。将蜗杆与电机转抽连在一起，蜗轮固定在槽轮上。电机转动时，将速度减小到所需的行驶速度后，将机械能传输给槽轮，使槽轮能够行走，可以稳定地让装置在电线上行走和进行除冰作业，增强整体装置的性能。行走装置的分解设计如图1和图2所示。

蜗杆涡轮的选择要考虑的主要参数有蜗杆头数z1、蜗轮齿数z2和传动比i，按表1选取。

在这试验模型设计中，采用汽车雨刮电机中的蜗轮蜗杆机构，它满足了实验所需的传动比和扭矩。电机的输出转速为65转每分钟。

2.2 试验杆架

模拟实际电线的存在模型，为使试验所用的杆架比较接近真实的电线，在试演的过程中给人比较逼真直观的感觉，用钢制的圆形管和方形管，将杆架做成具有如图3所示的形状，这样能够保持两杆之间的拉力，能将电线拉成接近直线的弧线。

杆架设计时注意的主要问题有：整个架子能够竖直的平放在地面上；两端竖直的圆形钢管要有一定的硬度，避免被电线拉弯变形。

2.3 除冰机构

考虑到电线上覆冰的厚度和硬度，及除冰的效果比较好即基本上能将冰块清除干净，我们研究了市面上除冰机器人的除冰模块的除冰效果，结合实际情况我们自行设计的钻头。

钻头的前端做成锥形齿状，末端加工成齿轮，在钻头的横向中心线上通孔，孔的大小稍大于电线的直径。将钻头放到装置的前端，与两个行走槽轮保持水平，安装时把钻头放在接近电机的附近，与电机上的具有相等齿数的齿轮相啮合，通过齿轮传动，使钻头高速旋转。将整个钻头做成对称的两半，这样可以方便的安装在电线上，同时也能确保一定的除冰能力。利用钻头的特殊结构可以大大提高除冰效率。

2.4 控制电路

用红外线发射和接受电路模块来发射和接收红外信号，该红外线的接受距离为1000米的范围之内，再通过信号处理芯片处理，输出高低电平来控制继电器的通断，继电器的通断决定了电机两电源端的电平情况，从而控制电机的正反转。控制电路分为行走控制部分和除冰控制部分。

3 工作原理及性能分析

电线结冰以后，把机器人放到高空电线上，通过无线遥控控制继电器的通断来控制电路的通断。按下按钮一时，红灯亮起，电机一正转，通过蜗轮蜗杆传动将动力传输至行驶滑轮，利用滑轮与电线之间的摩擦力，除冰装置向前移动。与此同时，按下按钮二，绿灯亮起，电机二通过齿轮传动带动锥形钻头高速旋转，此时钻头上的锥形齿依靠滑轮的推力和转动力将冰块捣碎，装置行走的同时也将冰凌除掉，钻头在装置停止时也可以单独旋转除冰；当遇到比较厚的冰块时，需要通过无线遥控控制装置不断地前进和后退，防止滑轮的原地打滑；当碎冰塞住钻头的通孔而停转时，可以通过无线遥控控制装置的后退和钻头的反转来解决，这样避免了电机由于过载而损坏。行走和除冰是两个互不相影响的过程。

通过我们进行了150多次的调试，在保证了装置运动时整个机构的运动平衡的前提下，该机器人能够实现对导线一般覆冰情况下的除冰。该装置具有行走稳定、操作简单、低耗能、效率高的特点。能够较好地完成高压输电线上的除冰任务，能有效的节约财力、物力、人力，可以直接降低人员除冰的人身危险，具有较好的先进性和实用价值，应用前景广阔。

4 结语

根据试验，所研制的高压电线除冰装置具备了以下特点：

1） 使用无线遥控，人能够方便地在地面控制装置的工作情况，避免了高空作业的危险。

2）钻头做成锥齿状能够很快地将冰块钻碎，并且钻头可摘开，能很容易的安装好。

3）在电线上站得稳固，轻微的摆动不影响到装置的正常运行和工作，不易打滑。

基金项目：广西交通职业技术学院科研团队资金资助项目