架空線路無人機異物清除噴火裝置的研制

鐘明亮 王伊

摘? 要：高壓架空輸電線路在大風等季候性天氣條件下，經常會懸掛或纏繞一些塑料薄膜、風箏線等，由于雨雪天氣的影響，時常會導致發生線路相間短路或接地故障。鑒于此，文章研制出一款高效、穩定的異物清除噴火裝置;將其搭載于多旋翼無人機下，可在線路帶電情況下高速、有效地清除異物，極大地降低了人力物力的消耗，確保了輸電線路的安全穩定運行。

關鍵詞：架空線路;異物清除;無人機;噴火裝置

中圖分類號：TM755? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）30-0013-03

Abstract： Under monsoon weather conditions such as high winds， overhead transmission lines often hang or entangle some plastic film， kite lines， etc. Due to the influence of rain and snow， it often causes phase-to-phase short-circuit or grounding faults. In view of this， this paper develops an efficient and stable fire-breathing device for cleaning the plastic products wrapped on overhead transmission line， it is installed under the multi-rotor UAV （unmanned aerial vehicle） to quickly remove the plastic products under the condition of power on the line， thus greatly reducing the consumption of human and material resources and ensuring the safe and stable operation of the transmission line.

Keywords： overhead transmission line; plastic product removal; UAV; fire-breathing device

引言

新疆送變電工程公司管轄的輸電線路，涵蓋35kV～1100kV電壓等級，線路全長12897km。線路通道附近的大量村莊、農戶從事著農業種植等生產活動，在大風天氣下，風箏線、編織袋或塑料大棚使過用的塑料布被大風吹起，纏繞在導線上，雨雪天氣下有可能造成線路接地或短路的故障[1-2]。新疆常見的大風主要有兩種類型：強大的冷空氣活動所造成的大風，風力一般能達到5級左右，陣風可達8～10級，以冬、春季出現最多;夏季午后到傍晚，當積雨云過境時會有較大風力產生，這種大風持續時間短、風力大、破壞性強。而傳統的架空線路異物清除方法主要有兩種：一是停電后人工上塔摘除;二是等電位帶電作業摘除。兩種方法都需要較大的人力物力，且作業復雜、勞動強度大、效率低，同時又無法保證人身安全[2]。因此，該輸電工區需要研制出一款高效、穩定的異物清除裝置，提高工作效率，保證線路安全穩定運行。

1 無人機噴火裝置的結構設計

由于纏繞在導線上的異物主要為風箏線、編織袋、塑料薄膜等，都為可燃物，因此可以研制一款特種作業噴火裝置，并搭載于多旋翼無人機下，靠近導線異物進行噴火作業，便能夠安全、快速、高效地消除缺陷[3-5]。

目前，國內使用的無人機噴火裝置的作業距離在3～5m，且抗風性能差，在大風條件下無法正常作業，難以滿足新疆輸電工區的作業要求。因此需要研制一款無人機特種作業噴火裝置，以滿足長距離、高質量火焰的作業要求，實現該工區輸電線路的異物清除。本文擬提出的研制方案如下：

（1）特種球形泵替代葉輪泵;

（2）添加燃料預熱裝置;

（3）使用定制噴頭;

（4）防風點火裝置替代火花塞，實現兩段式點火。

無人機噴火裝置的結構系統圖如圖1所示。

1.1 壓力系統

壓力系統主要部件為球形泵，其體積和重量較小，適合無人機搭載，有效減小重量負載，提高無人機的高空作業時間。其特點如下：

（1）密封可靠：任何需要防止工質泄漏的動密封處，都能設計成具有相當寬度的面配合動密封，避免了線密封結構，使其達到可靠的密封效果;

（2）無進排氣閥：不需要設置進排氣閥，減少能耗減低噪音，成本低，可靠性好;

（3）結構緊湊、零件少：只有三個運動件，空間占用小;

（4）運轉平穩，高速變頻性能良好：由于無氣閥，零件受力潤滑好，無往復運動件和引起高振動的運動件，運轉平穩，高速變頻性能良好;

（5）機械摩擦損失?。河捎诨钊c轉盤的轉速只有主軸的一半，所以機械摩擦損失小;

（6）能耗低：由于無氣閥、密封可靠、機械摩擦損失小等特點，所以效率高;

球形泵的結構如圖2所示。

該球形泵出口壓力為3bar、流量600ml/min，能夠很好地滿足噴頭的適配要求。泵體轉速、壓力、流量關系如圖3所示。

1.2 預熱系統

低溫汽油從噴頭處高速噴出，明火也難以引燃，必須對燃料進行預熱。若直接在燃料箱中預熱存在爆炸的危險，選擇在噴頭前加裝一段螺旋狀的預熱管。同時，利用防風點火裝置點燃的明火對其加熱，這樣在燃料噴射的過程中，會流經預熱管，提高溫度，使燃料從噴頭噴出后更易被點燃，提高整套系統的可靠性。

1.3 定制噴頭

采用特殊設計的噴頭，其特點如下：

（1）高壓力可形成液柱流（0°）或扁平扇形噴霧形狀，液滴顆粒中等大小;在1至10bar工作壓力下噴射角度為5°至65°;

（2）使用內置導流葉片穩定紊流，實現均勻噴霧分布;

（3）噴嘴側面有銑削出的平臺，它與噴霧平面平行，對快速校準噴射位置提供參照;

（4）使用特殊硬化不銹鋼材質以延長使用壽命，提高流量控制的精準度;

（5）配合球形泵的高壓力，能實現完全燃燒的效果。

1.4 點火系統

基于安全考慮，火焰要與整套燃料系統分離，并且能夠保證一次性完全點燃火焰，因此選擇使用兩段式點火方式。第一段通過防風點火裝置點燃設置在噴頭處的丁烷氣體，形成明火;第二段通過明火將噴頭噴射出的燃料引燃，完成火焰的噴射。

其中，防風點火器通常為單次觸發式放電，如果在放電瞬間丁烷氣體未達到燃燒條件，就會發生無法點燃的情況，需要進行多次點火，為了解決這一問題，利用原點火器的放電觸頭，設計了新的震蕩電路，使觸頭能夠以0.2s的間隙連續放電，由于不同電壓下產生的電弧長度均有不同，通過對測試，得出放電曲線如圖4所示。經過大量實驗，將放電觸頭間隙設定為4.5mm，調整輸入電壓，電弧長度可穩定在5mm左右，電弧明亮，點火成功率達到百分之百。

圖4 點火裝置放電曲線

2 試驗研究

本文研制的無人機特種作業噴火裝置的功能參數見表1。

同時，通過模擬現場異物工況條件，對該無人機噴火裝置進行試驗驗證，效果如圖5所示。通過分析得出，無人機噴火裝置噴射火焰距離為6.15m，噴火時間為5～8s，可連續噴火工作3次，平均工作時間大約5min（傳統異物清除工作時間1小時左右），大大提高了工作效率，且能夠滿足新疆輸電工區不同工況環境線路的異物清除，確保架空輸電線路的安全穩定運行[6]。

3 結論

本文通過研制無人機特種作業異物清除噴火裝置，并進行改造升級，提高了火焰噴射距離、噴火工作時間、帶電作業效率，有效地滿足了新疆輸電工區的工況要求。此種作業方法無需停電狀態下人員登塔作業，降低了勞動強度、保證了人身安全，大大節約了人力、物力、財力等。

參考文獻：

[1]李昊.電力輸電線路的運行維護及故障排除[J].黑龍江科學，2014，5（11）：231.

[2]劉明亮，楊厚峰.導線易漂浮物清除工具的研制與應用[J].自動化博覽，2011，29（S2）：185-187.

[3]曹燕軍.輸電線路異物清除機器人機構設計與分析[D].沈陽：沈陽理工大學，2015.

[4]梁偉，陳杰，劉洋，等.清除架空線路異物的新型裝置及其試驗研究[J].中國電業（技術版），2015，66（9）：57-59.

[5]趙慧斌，馬興譽.電線異物遙控夾線爬行燒除機簡述[J].科技情報開發與經濟，2011，21（33）：194-197.

[6]金立軍，姚春羽，閆書佳，等.基于航拍圖像的輸電線路異物識別[J].同濟大學學報（自然科學版），2013，41（2）：277-281.