摘要：近年来，受大风、雨雪等恶劣天气的影响，因刮到高压线路上的异物造成的放电、短路等电力线路故障时有发生，严重影响电网安全运行和供电可靠性。传统的清障方法是停电检修或带电作业，不仅工作效率低，而且危及人身安全。因而高压输电线路的清障问题一直是一个难以解决的问题。架空输电线路清障机器人可以携带专用工具，快速准确地清除悬挂在输电线路上的风筝、塑料大棚棚布、塑料地膜等危及输电线路运行安全的异物。本文主要针对输电线路带电作业巡检清障机器人进行了相关研讨。
关键词：输电线路；带电作业；巡检；清障机器人
架空高压输电线路是输送电力的重要设备，尤其是500kV超高压输电线路。传送容量大，输电距离长，其运行的安全可靠性必须得到足够重视。架空输电线路上非金属异物的悬挂一直是影响电网运行安全的重要隐患之一，故需对架空输电线路上非金属异物进行清理。然而传统的停电或用绝缘操作杆、绝缘绳来清理输电线路上异物的方式存在安全风险大、管理成本高、作业周期长、效率低等问题，难以满足智能电网的需求，因而迫切需要发展新的异物清除方式。
1研究现状
国外对于这方面已有较成熟的研究，如东京电力公司的Sawada等人研制了光纤复合架空地线巡检移动机器人，美国TRC公司研制了悬臂自治巡检机器人的样机系统，加拿大魁北克水电研究院的研究人员开发了HQLineRover遥控小车等。总体而言，这些解决方案的基本思路是：人工背带设备上到输电杆塔上，用绝缘杆把设备放置于输电线路上，让设备顺着线路爬运清除导、地线上的导物。而这些方案基本都存在以下缺点：需要人员上塔安装；设备下线时，也需要人员上塔取带；无视频与夹持异物装置，易误操作；作业风险较大；设备的保护性较差，抗干扰性弱；自主跨越障碍物的能力较差。
研发输电线路带电作业巡检清障机器人可以很好地解决上述问题，此设备可在带电情况下作业，且能有效避免人工上线操作清除异物的危险，防止引发地线损伤、断裂等重大问题，有效加强输电线路巡检力度，提高运行检修效率，减少停电带来的经济效益上的损失和社会效益上的不良影响，为生产单位、应用单位和社会各界创造可观的经济和社会效益。因此，文章从实用性的角度出发，设计了一种具有线上行走功能，以地面遥控操作为主的输电线路带电作业巡检清障机器人，用于输电线路巡线清障。
2输电线路带电作业清障巡检机器人结构及特征
2.1系统架构
输电线路带电作业巡检清障机器人的系统架构图如图1所示。带电作业巡检清障机器人是一种采用模块化设计理念，应用于架空输电线路导、地线带电清除异物的专用设备，可在输电线路不停电的环境下操作使用，无需人工带其出线即可自动清除高压输电线路上各种形式的异物。该装置可在各种规格的钢芯铝绞线、钢绞线、铝绞线、铝包钢绞线、OPGW光缆等导、地线上行走，在清障的过程中不会对地线、导线等电力设施造成损伤。该设备由行走装置、上下线装置、异物清除装置、视频无线传输装置等部分组成。行走装置与异物清除装置分体设计，电源及主控装置置于行走主机内部，视频采集系统搭载于主机前部，整套设备通过地面操作遥控器进行无线遥控操作，整个行走切割清障过程的影像由搭载于主机前部的双摄相头无线传输给地面视频接收系统，使整个操作过程实时清晰可见，满足切割时微小的动作要求，安全性得以保证。
本设计采用铝合金材料，大大减轻了机器人的重量，提高了机器人的负载能力和机动性；供电系统采用双电源锂离子电池组，可以连续带动设备工作2h以上；行走系统：橡胶轮和导线摩擦力提供行走车的运动动力，而动能由蜗轮螺杆减速电机提供；清障系统：包括切割机构和异物夹持定位机构，在不伤及线路的前提下，采用切割清除方式可轻松清理吹挂在线路上的异物；遥控系统：采用无线电遥控；视频监控系统：巡检核心技术。
2.2主要特征
1）能沿导、地线顺畅行走。行走系统采用同步联动多轮驱动机构，驱动轮材料内芯为橡胶，轮毂为高强度铝合金，与导、地线接触的橡胶内芯将采用圆弧形凹槽设计，可以适应φ8～50各种规格的导、地线。在设备上线后，步进电机将施加压力使驱动轮和导、地线紧密咬合，橡胶内芯变形使咬合产生的静摩擦力远远大于整套系统在45°坡度线路上产生的顺线方向的切向重力，即使加上风速对设备施加的外力以及覆冰导致的摩擦系数降低，也能够使设备保持足够大的静摩擦力，保证了整套设备不产生滑移。由于采用摩擦系数大的橡胶内芯，所以施加在导、地线上的压力值并不大，因此与导、地线接触的橡胶轮既保证了足够的摩擦力，使设备在弧垂达到45°情况下不滑移，又能避免对导、地线咬合产生损伤。
2）以导、地线为轴心的定位系统保证了清障平台与导、地线相对位置的锁定，无论设备在导线还是地线上舞动或震动，切割机始终与导、地线保持固定的相对位置。“八”字形异物夹持器可将缠绕在导线或地线上的异物渐渐收拢到夹持位置夹持住，切割平台设计了切割自动行程控制系统，具有最大行程限制，保证了最大行程内完整切除异物的同时，也避免了切割设备在行程中对导、地线带来的损伤。
3）设备采用抛绳上线方式，自动卡位使导、地线穿入设备行走轮，合上上盖，旋转上线定位轴，解除上线绳，达到无需人工上线安装设备目的。遥控自动下线机构，无需上塔操作，采用热备双电源控制行程电机打开上盖，遥控旋转下线绳轮，释放下线绳，利用设备重力使设备安全下线。
4）视频监控系统通过Wi-Fi连接的双摄像头，可清晰观测导线、地线、异物的位置及切割情况，并对远程遥控的控制方式进行实时监控，对装置在导线、地线上进行的前进、后退、切割等操作进行监控，满足操作时的微小动作要求，保障设备以及输电设施安全稳定运行。
3产品效益
使用该产品能降低清障风险和管理成本、缩短作业周期、提高工作效率，满足智能电网的需求，同时也避免了人工背带设备上线和下线，降低了劳动强度及工作人员数量，保障了巡检人员的人身安全；作业效率高，正确按操作指导书作业，一次异物清理工作30min内就可顺利完成。
以某年度为例，220kV线路平均负荷一般要≥10万kW，每次紧急停电以2h计算，进行异物处理时每避免1次停电处理，可多送电量W=2×1×10=20万kW•h；社会用电平均电价取0.7元/kW•h，增加产值Y1=20×0.7=14万元；上网电价按0.46元/kW•h计，增加营业额Y2=（0.7-0.46）×20=4.8万元。可见，输电线路带电作业巡检清障机器人由于性能的提升而实现避免停电作业带来的经济效益是非常可观的，且符合可持续发展的理念。
结语
总而言之，输电线路巡检清障机器人通过自身上下线装置、行走系统、异物夹持及切割系统、自组网Wi-Fi视频传输装置等来工作，有效清除输电线路上的异物，并能及时将巡检线路上的状况反馈给巡检人员，大大减少了一线人员的工作负担及风险，降低了巡线与清除异物的工作强度，提高了工作效率，有利于确保电力系统持续、稳定、健康运行。
参考文献：
[1]庞文博，陈卫红，武婷婷，等.高压输电线路清理机器人：，CN204577985U[P].2015.
[2]张明，吴功平，刘夏清，等.高压巡线机器人清障机械臂运动学建模与分析[J].武汉大学学报（工学版），2015，48（4）：547-550.
论文作者:何文彪
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/4/1
标签：异物论文; 地线论文; 作业论文; 线路论文; 设备论文; 机器人论文; 输电线论文; 《电力设备》2018年第30期论文;