摘要：随着配电架空线路运行长度的不断增加，常有各种异物缠挂在配电线路上，使得相间距离、导线对地距离缩小，极易引发短路和接地事故，造成很大的经济损失，同时给运维带来很多难题。人工清除带电线路异物的方式主要是人在绝缘斗臂车上进行带电作业，但人体离带电线路和异物较近，且异物会在风力作用下飘动，具有一定的安全风险。而非人工直接操作清障技术有基于无人机的热熔技术、基于大功率二氧化碳激光器的远程烧蚀技术等，但由于配电线路的相间距较小，且导线为绝缘导线，因此不宜使用易损坏绝缘层的热熔和烧蚀技术，宜使用不改变导线温度的机械手段来完成。本文通过研究架空配电线路上异物清理机器人的挂载行走机构和异物清除机构，结合监视和遥控部分来解决配电线路异物清除问题，改善目前异物清除运维手段不足的情况。本文设计一种10kV架空配电线路带电清障装置，下文进行具体的阐述。
关键词：配电;带电;清障;
1 总体设计
如图1所示，清障装置以挂载机构、行走机构、清障机构为机械动作主体，以视频监控和遥控通信作为控制部分来实现清障能力。为了控制装置的重量，便于将清障装置送到线路上，清障装置主要采用轻型铝合金材料和减材加工方式，由CNC完成加工，并通过阳极氧化工艺来避免表面腐蚀和磨损。外壳部分采用增材加工方式，由3D打印机完成加工，材料选用机械强度较好的尼龙。对于强度要求较高的零部件，选用304不锈钢材料，采用CNC或激光切割、机械折弯方式加工。需要注意的是，虽然304不锈钢具有较好的机械性能和防腐蚀能力，但密度较高，因此不宜大量使用。
2 挂载和行走机构设计
目前的配电线路带电清障技术中，绝缘杆和清障部分是一体设计的，两者同时移动，从而可使用绝缘杆为清障机构移动提供动力。但实际上线路障碍物所在位置下方可能有低压线路、水域、田地、绿化的存在，阻碍绝缘杆的移动和作业人员的进入，从而限制了清障装置的使用便捷性和适用范围。为此，绝缘杆和清障装置主体采用了可脱离结构，用绝缘杆将清障装置主体送上带电线路后，使用遥控操作触发锁定机构的解锁动作，解除绝缘杆与清障装置的锁定，而绝缘杆保持在带电线路上。清障装置主体带有蓄电池，在作业人员遥控下完成移动和清障工作后，遥控清障装置主体移动到绝缘杆位置，直到触发相应的位置传感器动作，表示此时可进行两者的结合动作，再使用遥控器操作触发锁定机构的锁定动作，绝缘杆与清障装置主体结合为一个整体后，操作绝缘杆取下装置整体。
行走机构采用电动遥控轮式行走。行走轮选用包胶轮，并采用夹紧机构保持行走轮与导线之间的压力，以维持适当的摩擦力，实现一定弧垂条件下的爬坡能力。常用的配电线路导线截面积为95～240mm2，因此包胶轮需能容纳此范围内的导线，且夹紧机构也要根据导线的截面积自动检测和调整行程，以保持正确的压力。步进电机或伺服电机的体积和质量都较大，同时步进电机的驱动能力很小，高速运行下的力矩也大大低于低速运行下的力矩，伺服电机的驱动电路较复杂，依赖外置的控制器工作，而直流无刷电机由于没有电刷，不易磨损，免维护，使用寿命更长，调速性能也比直流有刷电机更好，因此装置的驱动机构采用直流无刷减速电机，并使用传动机构实现两个驱动轮的同步转动。与一个驱动轮和一个从动轮的机构相比，这种机构能增大驱动能力，有利于装置翻越导线中间接头。为了保证高空作业存在风、行走及清除异物过程中产生振动情况下不脱落、坠落，将重量较大的结构和部件设计在导线下方，使装置整体重心低于导线，从而可增强其稳定性。其中重量较大的蓄电池放在最低的位置，可起到很好的降低重心的作用，导线上方的结构均采用轻型材料设计制作，并尽可能减少导线上方的机构和零部件数量。
3 清障机构设计
为保护10kV架空配电线路绝缘层，清障机构宜采用机械方式。同时考虑到障碍的多样性，清障机构需具有较好的广泛适用性，因此采用锯状刀具旋转机构。在旋转过程中，锯齿设计比普通刀片能更好地钩住和破坏待清除障碍物，且遥控操作简单。为了防止待清除障碍物缠绕到机构上，需对旋转轴做好保护，避免异物进入。同时，清障刀具设计为可更换样式，从而可通过更换刀具耗材来维持较好的切割效果。为了实现导线四周环绕型障碍的清除，清障刀具具备旋转能力，可绕导线旋转一定角度，多刀具配合后切割范围能实现360°的完整覆盖。高速旋转的刀具应尽量靠近固定不动的保护片，控制切割深度和切割区域，防止刀具切伤导线。同时，保护片还能起到一定的防缠绕作用，与旋转刀具配合可尽快撕开异物，避免异物与刀具一起旋转。
4 遥控通信和视频监控设计
目前，主流的物联网无线数字通信技术有WiFi、蓝牙、ZigBee、LoRa等，特性对比见表1。
由于视频传输需较高的传输速率，同时考虑到显示终端采用手机更便于操作，因此选用WiFi技术。目前主流使用的WiFi标准为802.11n和802.11ac。其中，802.11n可工作在2.4G或5G频段，提供600Mb/s的通信速率;而802.11ac工作在5G频段，是802.11n的继承者，它采用并扩展了源自802.11n的空中接概念，包括更宽的RF带宽、更多的MIMO空间流、多用户的MIMO及更高阶的调制，能提供1Gb/s的通信速率。以720P视频流为例，2Mb/s就能达到较好的清晰度，因此WiFi技术可满足视频传输的要求。
而遥控操作选用传输距离和延时性都较好的LoRa技术。LoRa技术常被用来与NB-IoT技术进行对比，NB-IoT指窄带物联网 (Narrow Band-Internet of Things) 技术，是工作在授权频段的技术，能提供最高250kb/s的通信速率，核心是面向低端物联网终端 (低耗流) ，对长距离、低速率、低功耗、多终端的物联网应用具有较大优势，但需向运营商缴纳资费才可使用，且需后台服务器配合工作，因此不适用于该装置。而LoRa工作在1GHz以下的非授权频段，可独立组网使用，无需依赖运营商的网络支撑，无需额外费用，其提供的带宽略低于NB-Iot，如支持LoRa的芯片SX1272能提供最高38.4kb/s的通信速率。由于遥控传输仅需极小的带宽，因此可选用LoRa技术来完成通信传输。
5 结语
本文提出的10kV架空配电线路带电清障装置，采用绝缘杆和清障装置主体可脱离的技术和遥控驱动技术，在待清除障碍物下方有低压线路、水域、田地、绿化等不便进入区域的情况下也能遥控操作使用，具有较好的应用前景和经济效益。
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论文作者:陆宁,
论文发表刊物:《中国电业》2019年第11期
论文发表时间:2019/9/29
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