輸電線路雙分裂導線自動上下線技術研究

摘" 要：輸電線路作為電力系統的重要組成部分，對其開展金具消缺或檢修作業成為電網作業人員的日常工作，為不影響用電的安全，經常需要開展線路帶電作業。人工帶電檢修的勞動量大且危險系數高，現有的檢修方式通過帶電作業機器人代替人工作業，能有效解決人工作業的弊端。隨著帶電作業機器人的發展，傳統的機器人吊裝方式有人工吊裝的上下線方式和自動上下線平臺，前者存在人身安全、工作效率低等問題，后者結構復雜且對地形有相應要求。該文探討幾種可行的輸電線路機器人自動上下線方法，在此基礎上研制一種適用豎直雙分裂輸電導線自動上下線的機構，并闡述該機構的應用范圍和前景。

關鍵詞：輸電線路；雙分裂導線；自動上下線；作業機器人；卷揚機構

中圖分類號：TM75" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）28-0185-04

Abstract： As an important component of the power system， the transmission line has become a daily task for power grid operators to carry out hardware defect elimination or maintenance work. In order to not affect the safety of electricity consumption， live line work is often required. Manual live maintenance has a large amount of labor and high risk coefficient， the existing maintenance methods through live working robot instead of manual work， can effectively solve the disadvantages of manual work. With the development of live working robots， the traditional robot hoisting methods include manual hoisting up and down line mode and automatic up and down line platform. The former has some problems such as personal safety and low work efficiency， while the latter has complex structure and corresponding requirements for topography. This paper discusses several feasible methods for automatic up and down line of transmission line robot， and develops a mechanism suitable for automatic up and down line of vertical double split transmission line. The application scope and prospect of the mechanism are also described.

Keywords： transmission line; double split wire; automatic up and down line; working robot; hoisting mechanism

隨著國民經濟迅速發展，安全穩定的電力供應成了重要保障，而電力的正常輸出依賴輸電線路的穩定與安全，輸電線路的安全穩定運行通過帶電檢修與維護來保障。但輸電線路檢修需要進行高空作業，人工帶電檢修勞動強度大、安全風險高。目前，在對于部分重要輸電線路開展設備線路消缺或檢修作業時，為了不影響電力傳輸，需要開展線路帶電作業。作業人員在等電位進入輸電線路作業時，通常采用攀爬軟梯的方式進行。這種方式作業人員勞動強度較大，而且攀爬軟梯過程中存在較大的作業風險。為了改善人員帶電作業現狀，近年來也有嘗試通過使用直升機絕緣繩懸吊方式將作業人員從輸電導線上方送入輸電導線，或者借助“小飛人”等單點自攀升裝置將作業人員送上導線。但前者直升機懸吊方式存在作業成本高、飛行安全風險高及空域申請手續不便等問題；后者通過“小飛人”裝置，作業人員雖然可以順利進入導線，但是不能沿導線自由移動，限制了作業人員線上檢修作業時的活動范圍。

因此，為了改善現有輸電線路人員帶電作業現狀，進一步提高輸電線路人員帶電作業的便利性和安全性，電網急需研究一種高效安全的機器人自動上下線方式，其是輸電線路機器人進行檢修作業的有效前提和保障。

1" 機器人上下輸電線路的方式

近年來，機器人的上下線一直沒有良好的作業方式，嚴重制約了帶電作業機器人的作業效率和智能化發展。根據國內外研究狀況來看，長期以來線路帶電作業機器人上線大多數依賴于人工輔助吊裝，小部分利用上線裝置，但是隨著近年技術的發展，新研制的自牽引卷揚機器人基本能實現自動上下線。

1.1" 傳統人工吊裝上下線方案

人工吊裝方式[1]的大致流程如圖1所示。工作人員攜帶起吊絕緣繩一同登上桿塔，并將絕緣繩掛上輸電導線，繩子兩端垂落到地面；地面作業人員將絕緣繩的一端固定到輸電線路機器人的機體上，另一端由地面人力牽引，使機器人被吊到輸電導線上；機器人上線過程中，地面工作人員通過調向絕緣繩對機器人上線的姿態進行調整控制，以防因機體的傾斜、旋轉，導致機器人墜落；機器人上升至輸電線路后，桿塔上作業人員需將機器人掛載至上線點，隨后啟動機器人進行帶電檢修作業。人工吊裝下線流程則與上線相反。人工吊裝的方式存在高空作業風險，且由于桿塔高度與外界風力等因素，機器人上線狀態時的姿態難以把控，極易造成機器人墜落。

1.2" 人工輔助機器人上下線方案

如圖2所示，人工輔助機器人上下線是指機器人能夠借助設備上升到導線處，但仍需借助人工才能掛載到導線上，主要有以下3種方式：①通過起吊機構將作業機器人運送至作業點，然后由桿塔上的作業人員調整機器人的作業姿態，將機器人掛載到輸電線路作業點上；②利用絕緣斗臂車將機器人和作業人員送達至上線位置，再由作業人員手動將機器人掛載到導線上；③利用上線裝置或相關輔助平臺，將機器人抬升至輸電線路上，但仍需作業人員在輸電線上人工進行機器人掛線放置[2-3]。以上3種上線方式，機器人皆有高空墜落的風險，并且無法保證作業人員的人身安全，地理環境適應性和實用性低。相比前2種方式，第3種上線方式安全性更高，但其設備結構復雜、對工作環境要求高，實際作業效率和效果都不理想。以上3種方案都需要輸電線路停電或在地線上才能進行操作，不能滿足帶電作業要求[4]。

1.3" 基于自牽引卷揚的機器人自動上下線

由南方電網科學研究院有限責任公司主導、廣東冠能電力科技發展有限公司研制的帶電絕緣涂覆機器人設計了卷揚式自主上線裝置，其上下線流程如圖3所示。①遠程操控無人機將干燥絕緣細牽引繩掛在待上導線，牽引繩末端系上重物自然落至地面，絕緣帶一端與細牽引繩綁緊，通過細牽引繩將絕緣帶拉過導線后，細牽引繩與絕緣帶分離；②絕緣帶一端與自動上下線機器人的卷線盤固定，將絕緣帶末固定在機體內的一側交叉，靠近導線時用力拉絕緣帶，直至將掛線架扣入導線；③人工將絕緣帶捋順至無扭轉，分別穿入4個卷揚盤中；④啟動機器人，控制電機帶動卷筒機構將絕緣帶進行卷線，同時張開2組行走臂，避免上升過程與輸電線干涉。機器人上線與下線的流程相反。與前面2種上下線方法相比，基于自牽引卷揚的機器人自動上下線方法具有智能程度高、自主性強、安全性高和適應性廣泛等優點，但是由于卷揚電機的輸出功率是恒定的，當卷線盤繩子圈數少時，電機軸扭矩不大，電機輸出功率小于或等于額定功率，隨著卷揚半徑越來越大，電機軸扭矩也就越來越大，電流變大，電機就會越接近或大于額定輸出功率，因此，機器人上線的過程速度是由慢變快的，而下線過程剛好是由快變慢的。另外電機輸出扭矩也不恒定，對于應用在高距離的輸電線作業的機器人來說，機器人上升的過程就會存在較大的速度波動，穩定性較差，對抗風流、穩定重心的能力較弱。

2" 一種新型輸電線路自動上線方案研制

2.1" 自動上線機構的整體方案

基于220 kV輸電線路的作業機器人自動上下線的需求，結合豎直雙分裂導線的具體特點，研制一種能適用大負載機器人或升降平臺且在高距離導線上自動上下線的機構，具備勻速上線和下線的功能，整體方案結構如圖4所示。自動上下線機構由掛線架、壓線架、絕緣繩和卷揚機構組成。工作原理是絕緣繩通過無人機牽引掛到上導線上，人工手動拉絕緣繩把掛線架掛到上導線上，同時壓線架隨著絕緣繩上升卡到掛線架下方，防止設備上線過程中上導線下垂與下導線接觸，人工把絕緣繩的兩端分別插入卷揚機構的卷輪里，絕緣繩繞卷輪一周后沿導線輪進入收繩盤里固定，卷揚電機轉動時，機器人開始爬繩上線。每條絕緣繩的兩端連接2個卷輪，繩子從卷輪出來后由2個收繩盤進行收緊排序。機器人上線與下線的流程相反。

2.2" 掛線架和壓線架機構的研制

上線過程中，4個卷揚兩兩一組收縮掛線，且絕緣繩要掛在雙分裂的導線上，為了防止絕緣繩在上線過程中由于導線弧垂2個絕緣繩往中間擠，故要設掛線架固定2根絕緣繩在導線上的相對位置，掛線架采用如圖5所示的結構，上線時先隨絕緣繩往上升掛到雙分裂最上面導線上，掛線架下設壓線架將下導線阻擋，可防止駕駛艙自主上線時，因重量產生弧垂使上下2根導線接觸產生不安全的因素。掛線架上設計有3個導線槽，兩端的導線槽用來走絕緣繩，中間的導線槽可以掛安全繩，掛線架與導線接觸的中間有墊塊，墊塊采用耐磨絕緣的材質，利于設備走線時掛線架能順暢滑動而不會磨損導線，導線槽能使絕緣繩在上線的過程中自由滑動，從而保證2個卷輪的爬升高度一致。壓線架（圖6）采用絕緣材料制作而成，在上線的過程中能有效卡緊掛線架，防止上導線下垂與下導線接觸。

2.3" 卷揚機構的研制

卷揚機構是由機架、爬繩機構、收繩機構組成，爬繩機構在機架下層，收線機構在機架的上層，爬繩機構內設置有左右2個卷輪，每條絕緣繩的兩端分別穿過2個卷輪之后出來通過收繩機構，收繩機構的電機驅動可以根據繩子的松緊隨時調整收繩的速度，通過調節可實現收繩速度與爬繩速度大致相等，并在收繩時自動排序收緊。如圖7所示。

2.3.1" 爬繩機構的研制

爬繩機構主要部件包括電機、齒輪箱、面板和卷輪。整個爬繩機構通過面板固定在機架上，當電力設備要上線時，通過掛線架的絕緣繩兩頭分別經導線環進入入繩口1和入繩口2，絕緣繩繞卷輪一圈后從出繩口出來經過線架進入收繩機構，2個卷輪在電機帶動下反向轉動，收絞同一根絕緣繩的兩端，整個電力設備在摩檫力作用下沿絕緣繩上升。如圖8所示。

2個卷輪由同一電機通過減速器及齒輪傳動進行驅動，實現2個卷輪同時反方向旋轉。卷輪電機選用750 W大功率86步進帶剎車電機，并配備1∶60大減速比平行軸齒輪減速機，實現較大動力輸出。卷輪上設計有按同一方向傾斜的絞齒，2個絞盤兩兩相對，可帶動絕緣繩向動力方向出線。

2.3.2" 收繩機構的研制

收繩機構包括電機、主動輪、傳動輪、導向裝置（包括絲杠、導杠、排線塊、同步帶和帶輪）和收線裝置（包括卷軸、收繩盤和夾繩塊）。當繩的自由端經過線輪穿過往復排線塊繞在卷軸上并固定在夾繩塊里時，電機轉動帶動主動輪，主動輪與傳動輪嚙合帶動卷軸轉動，繩子繞卷軸一圈圈收緊，同時通過同步帶的作用，帶輪帶動絲杠轉動，排線塊在絲杠上進行往復運動，使繩子在轉軸上有序排列收緊，隨著繞繩圈數增多，電機自動調整轉速，使得收繩的線速度保持勻速并約等于爬繩的速度。如圖9所示。

為防止收繩機構與爬繩機構產生相互作用，設計正常收繩速度略小于爬繩速度，同時在導向裝置上安裝位置傳感器，當由于絕緣繩松弛造成排線塊拉至后方極限位時，后位傳感器給出信號，控制收繩電機加快收繩速度，防止絕緣繩由于松弛造成爬繩機構失效。當絕緣繩被拉緊，排線塊向前移動至前方極限位后，前位傳感器給出信號，可控制收繩電機以正常速度進行收繩。如此往復循環，可實現從爬繩機構出來的絕緣繩被適度拉緊，并有序收卷在收繩機構上。

通過收繩機構的電機驅動調節技術，在收繩和放繩的過程中，能夠無極調整繩子的線速度并約等于爬繩的速度，使得收繩排列整齊有序，節省了空間，使得整個卷揚機構更加緊湊，實現了勻速爬繩上線和下線的效果，對于載人設備上線作業的安全性和舒適性都有極大的改善，由于自動收繩完全不需要人工的干預，因此實現了全自動化上下線操作。

3" 結束語

基于220 kV輸電線路帶電機器人自動上下線的需求，結合豎直雙分裂導線的具體特點，將爬繩機構與收線機構進行創新融合構成了新型卷揚機構，實現了勻速爬繩上線和下線的效果，特點是高負載、高穩定性，對于載人設備上線作業的安全性和舒適性都有極大的改善。由于自動收繩完全不需要人工的干預，實現了全自動化上下線操作，提高了機器人的智能化。該機構可應用于高距離輸電線路，未來可用于運載大型的載人作業平臺或者設備裝載平臺，為帶電作業檢修的智能化機器人發展提供了更多的可能。

參考文獻：

[1] 徐顯金，李維峰，吳功平，等.沿架空地線行駛的自主巡檢機器人及應用[J].武漢大學學報（工學版），2010，43（6）：752-756，761.

[2] 張德惠.自升降帶電作業機器人的機構分析[J].機械設計，2012，29（1）：40-43.

[3] 王滿，吳功平，熊一飛，等.巡檢機器人自動上下線系統制動裝置研究[J].機床與液壓，2020，48（9）：1-4，15.

[4] 張書俊.超高壓輸電線路帶電作業的發展方向研究[J].中國新技術新產品，2016（3）：55.