配电线路覆冰清除方法的研究与应用

徐子涛 ，宋翰彪

（1.云南电网有限责任公司昭通大关供电局，云南 昭通 657000;2.武汉欣泰宇电力电子科技有限公司，湖北 武汉 430074）

配电网架空线路覆冰现象是影响电网安全运行的一个重要因素，目前架空线路覆冰处理主要利用机械敲打、刮铲等方式来完成，通过外力直接击碎覆冰使其剥离，由于这些架空线路高度较高且带电，一般设备难以企及，大部分须要通过人工或者除冰机器人来操作，但覆冰后导线表面光滑，难以为除冰机器人提供足够稳定行进的摩擦力，除冰机器人常用的轮式行走机构难以保证设备稳定运行，目前绝大多数依然采用人工操作除冰，其工作量大，危险性高，除冰效率较低。配电网因其特殊性，特别是带绝缘层的线路，不适合直流融冰技术的应用，人工敲打覆冰，力度掌握不好，容易导致绝缘皮破损。目前国内外除冰方法繁多，其除冰原理分为3 种：自然除冰、热力融冰、机械除冰。自然除冰在覆冰严重时，往往须要停电，具有较强的偶然性和不确定性，热力融冰须要消耗大量能源，造成电能损耗，现有的机械除冰大多依靠人工使用绝缘操作杆、绝缘滑铲等工具敲打除冰，费时费力且危险性大。

昭通位于云南省的东北部，与四川盆地接壤，受四川盆地气候的影响，相对于全省冬季气温低，在0 ℃左右，降雪较多，极易产生雪融化后转为冰冻。冰雪灾害对昭通电网构成了严重威胁。2008 年1 月，南方电网遭受大面积的冰雪灾害，一度造成孤网运行，大大降低了运行可靠性，给南方四省造成了一定的经济损失。昭通供电局对线路抗冰害工作的重视程度非常高。然而，配电网属于电网最薄弱的环节，直接关系到用户的供电可靠性，因此，研究配电线路覆冰清除方法非常有必要，也是符合南方电网公司抗冰防冰工作的发展方向。

1 总体设计

除冰机器人是一个机电一体化的系统，运用不同领域技术，各个部分能够协调工作。配电线路除冰机器人整体机构有2 部分组成：整体驱动单元（含电池及外壳）+前部除冰单元+爬升上线装置。整体驱动单元：4 颗驱动马达及驱动轮；电池组件；（选用步进马达，实现速度均匀可控）前部除冰单元：往复式冲击锤；底部旋转除冰八爪盘；上线爬升装置：绝缘挂钩+绞盘。除冰机器人总体结构设计如图1 所示。

图1 除冰机器人总体结构设计图

1.1 整体结构介绍

除冰机器人是一个机电一体化系统，整体由仿生学根据蛇行原理设计，机械整体机构如图2 所示。

图2 机械整体机构图

机器人整体结构：敲击除冰模组、前部旋转八爪盘除冰装置、底部驱动轮、爬升上线模组、上部驱动模组翻转驱动马达组件、上部驱动轮组成。

敲击除冰模组，主要由步进马达驱动曲线锯转接头组成，实现往复式敲击除冰；前部旋转八爪盘除冰装置，由步进马达驱动；底部驱动轮，由2 组马达通过联轴器直驱主动轮前进/后退；爬升上线模组，由前后两个绝缘挂钩+升降绞盘组成；上部驱动模组翻转驱动马达组件，由步进马达+蜗轮蜗杆减速机组成（优选减速比1/60）；上部驱动轮，由步进马达通过同步带轮转动实现上部主动轮的前进/后退。

1.2 机器人在冰导线上平稳行走方法

在覆冰条件下，线上的摩擦力很小，给线上机器人行走带来困难，尤其是上坡段，更为困难。研究行走机构克服冰导线表面摩擦力小的问题，是该项目的重点。本项目采用上下双轮联动行走，牵引与从动配合，保证机器人沿直线方向行走。调整好行走轮的位置，控制机器人的重心。从动轮采用可调高低设计，以满足不同线径和冰层厚度不同的需要。同时研究前后牵引轮之间差速的问题，采用电子差速控制，保证机器人行走时不卡顿。

1.3 机器人上线方法

在机器人的前后端各设置一台电机，遥控操作。安装时，使用无人机将蚕丝绳带起，起飞越过导线高度后，将蚕丝绳抛下，蚕丝绳跨在导线上。导线一端固定在机器人本体上，另一端与电机绞盘连接，利用绞盘将蚕丝绳卷起，将机器人吊起来，机器人贴紧导线后，利用遥控，将机器人锁在导线上。

1.4 机器人行走中除冰方法

结合昭通电网研究机器人去除导线冰柱方法，采用星状旋转盘，盘上带有散射装爪，旋转盘通过支臂设置在机器人的最前端，沿导线下沿位置安装，机器人行走时，可通过除冰柱电机带动该星状旋转盘旋转，盘上的几个爪将冰柱击打掉，全过程不伤害导线，为机器人行走扫清障碍。完成第一步除冰；在星状旋转盘的后面，设计左右各1 个敲打锤，通过电机带动曲轴，再带动敲打锤，不停地在导线上对覆冰进行敲打，将覆冰敲打“酥”，轻微的覆冰可以直接敲打掉，厚一些的覆冰被敲打“酥”，实现第二步除冰，为第三步除冰做好准备。结合昭通电网最大覆冰比值0.25 这一实际情况，研究机器人去除导线覆冰方法。采用对齿结构设计，齿牙满足最大覆冰比值要求，机器人行走时，对齿沿导线将覆冰挤压碎，从而实现去除覆冰的目的；在机器人的前端设计有摄像头和LED 照明，可通过视频检查作业质量；机器人外壳绝缘化设计，解决配电线路相间距离小的问题。机器人采用无线遥控操作。

2 控制系统硬件组成及功能

除冰机器人是一种行走在高压线路的机器，对其要实现自动化控制和遥控操纵的2 种方式，使机器能够应对各种复杂的环境，同时在地面上能够实时图像监测机器状态。对这种特殊环境下的机器要具备在恶劣环境中稳定可靠的工作能力。在设计控制系统时刻采用如图3 所示分层式控制系统结构，由电源、动力单元、监控单元组成。通过各个模块间配合工作，可使机器人在复杂的环境下正常运行。控制系统硬件有主板，电源构成，主板由4G 信号透传系统、电源监测保护系统、步进电机驱动系统，信号反馈系统，直流减速电机驱动系统组成，4G 信号透传系统实现与手机App 通信，进行信息交互，控制各个系统工作与监控各个系统状态的功能，步进电机系统控制行走电机前进后退，上轮翻盖，锁扣，预压等功能，直流减速电机系统实现驱动缆绳上下小车，八爪卡盘除冰，锤击电机锤冰的功能，信号反馈系统实现反馈各个系统的状态，摄像头影像，电池电量等信息。控制系统设计如图3 所示。

图3 控制系统设计图

3 结束语

配电线路覆冰机器人的研制成功与应用，实现了智能化清除架空线路上覆冰，具有避免工作人员高空作业和减轻工作人员劳动强度等优点，将危险系数高的作业使用机器人替代，进一步提高了作业安全性，除冰机器人以代替人工进行导线除冰是未来的发展趋势，具有良好的应用前景。