模块式高压电线除冰器设计

郭文凤 张启功

（沈阳理工大学装备工程学院 辽宁 沈阳 110159）

模块式高压电线除冰器设计

郭文凤 张启功

（沈阳理工大学装备工程学院 辽宁 沈阳 110159）

在分析高压输电线路覆冰的形成机理和覆冰的种类基础上，设计了一种新型的模块化高压电线除冰器。该除冰器采用模块化设计理念，引入仿生学原理，实现积木式拼接，有效实现越障，并利用机构不同组合搭配完成除冰工作。该设备具有构造简单，设计巧妙，实用性强等特点，为研制高压电线除冰器提供了一种新的思路，具有一定的应用价值。

模块化高压电线除冰器；越障；除冰

0 引言

高压输电线路覆冰不仅会影响运行日常维护工作，严重时还会导致碰线短路、绝缘子闪络、线路故障停运，甚至交、直流线路大量倒塔和断线引发大面积停电等灾难性事故影响人们的生产、生活[1]。输电线路覆冰随着风速、气温、水滴大小等条件的不同，主要可分为雨凇、雾凇、雪凇、混合凇、白霜[2]。对于不同机理、种类的覆冰虽然现在的防冰除冰方法较多，有的已应用于实际线路，并取得了一定的效果，但操作困难，消耗较大，技术不成熟，不能因冰施技等缺点；即效果不高又使高压电线出现二次损伤的可能。

为了保证电力系统的安全可靠，提高高压电线除冰的效果，保护工人的安全，提高除冰方法的简便性和可操作性，开发一种构造简单，设计巧妙，实用性强的新设备去代替或部分代替人工除冰一直是国内、外研究的方向。因此，通过分析设备所处的环境，所要面对的覆冰情况，操作工人的能力范围，及分析提高设备利用率等方面；研制安全有效的除冰机械设备以代替人工进行高压电线除冰具有较好的应用前景和实用意义。文章提出的一种模块式高压电线除冰器即通过多方面分析考虑设计的一种安全有效的除冰设备。

1 模块式高压电线除冰器整体方案

通过调研分析表明不同天气变化所生成不同冰体结构，存在不同的电线附着能力。目前，面对不同冰情冰况，除冰设备却在除冰力度、单位除冰效果及对电线的二次伤害等方面制约除冰设备实用化。针对这种情况设计了一种新型实用的模块化高压电线除冰器，该除冰器由两个除冰模块，两个辅助模块和一种驱动模块组成。具有以下特点：该除冰器在电线上以间歇的方式平稳行走，具有一定的驱动爬坡能力，可以平稳跨越电线上的障碍物；利用不同的除冰模式除冰，并保护电线不受二次伤害。

1.1 击锤模块的设计

为了提高打击力度、减少高压电线二次损伤、提高机构的可调节性、提高机构的维修性，击锤模块采用打击杆、分置两侧的蓄力装置及保护装置等，实现敲击、挤压透明坚固，比重大粘附力强的冰体完成清除电线上的覆冰工作。

击锤模块为左右对称结构，打击杆由下部中轴连接分置两侧。打击杆与冰层接触的凹面上的齿面能减小打击面积，增大打击力，从而提高除冰效率。可更换打击杆为易损部件，故设计为可拆卸式，便于操作工人维修，也能根据冰层厚度及线路结构的差异更换尺寸、强度不同的打击杆，提高机构的可调节性和机构的维修性。

图1 击锤机构结构图

蓄力模块为打击杆提供能量。利用多弹簧的势能转换，在同等长度下能储存更多的能量。在打击杆中轴位置安装弹簧装置，提高打击 力度。当打击杆离开电线时，在齿条部蓄力模块储能的同时，在中轴弹簧装置同时积聚势能。当打击杆作用冰面时，蓄力模块和弹簧装置释放能量，给打击杆提供更大的敲击力量。在打击杆敲击冰面后，不完全齿轮带动打击杆对冰面进行挤压，达到更好的除冰效果。

保护装置由弹簧、滑块、卡销等组成，能防止打击杆过度挤压电线而造成损伤，预防不完全齿轮与齿条出现卡死情况。通过调节齿条螺栓改变齿条位置，使不完全齿轮与齿条在一定的位置接触和脱离。调节顶头螺栓位置的移动，蓄力模块的变形量发生改变，改变打击力度及打击垂直距离。提高击锤模块的可调节性。

1.2 振摆模块的设计

本设计振摆模块采用对称结构，基于二自由度的五连杆机构，由齿轮传动机构、凸轮机构连杆机构组合而成，通过工作轮的振动和挤压的方式有效去除粘附力较弱的薄的覆冰体。本设计根据工作要求的轨迹和位置导引进行设计，通过调节主、从动曲柄的起始位置角可获得不同的连杆点轨迹。工作轮表面的类铣刀设计，能提高除冰效率。

图2 振摆机构效果图

击锤模块和振摆模块同为除冰装置根据不同的冰况，通过使用合适的除冰模式能够达到保护线路，提高除冰效果。除冰模式可分为4种：

（1）无除冰模块——装配传感器模块可以用于日常的巡线；

（2）振摆机构——有效去除粘附力较弱的薄的覆冰体，可以在秋、冬季巡线或有薄覆冰体时使用，打断覆冰生成的循环过程。以减少严重覆冰灾难的出现；

（3）击锤机构+振摆机构——先通过打击杆的敲击和挤压的方式敲掉透明坚固，比重大粘附力强的冰体，然后通过振摆机构除去碎冰和残余覆冰已达到对覆冰的去除；

（4）振摆机构+击锤机构+振摆机构——先通过振摆机构除去覆冰表面的雪凇以减少对击锤打击的缓冲作用，提高击锤的除冰效果，去除严重覆冰，减少灾难性事故发生。

1.3 辅助模块的功能设计

辅助模块是由两个结构不同的连接部积木式拼接而成。连接部“1”对整个系统起到导向的作用；连接部“2”对整个系统起到止退并对后方模块提供稳定的工作环境的作用。

图3 连接部1结构效果图

连接部“1”由伸缩套和可变滑轮组合构成。伸缩套基于对螺纹的旋转抬升的原理通过所需的高度和角度设计出的一套壁障机构。可变滑轮通过弹簧的作用随冰层厚度调整滑轮的宽窄，使整个机构始终保持在电线垂直上方，沿线路直线运动。当遇到障碍时，滑轮和伸缩套相互配合能够自动抬升有效地规避障碍，控制整个机构的行驶方向，对整个系统起到导向的作用。

连接部“2”由作用轮和弹簧轨道构成，两个作用轮水平以非对称组合而成，可以实现单向自锁防止在爬坡过程的倒车现象，还可以保证驱动模块的行走稳定性。靠近驱动模块的作用轮有弹簧轨道的设计，可以实现连接部“2”随时避障。

1.4 驱动模块的功能设计

目前国内外已研究出许多输电线行走方式，但面对除冰作业环境，驱动力、稳定性及与除冰机构的配合等方面制约除冰设备的除冰效果。针对这种情况设计了新型的驱动模块。驱动模块是整个除冰系统的载体，能够保证整个除冰机构沿导线平稳行走；以间歇运动提高除冰效果并能依靠机械动作完成自动跨越障碍。

图4 驱动机构结构效果图

驱动模块由两个夹紧机构和行进机构组合而成。夹紧机构由机爪和伸缩套组成，保证整个模块稳定悬挂在电线上。行进机构是驱动模块的核心，在设计中引入仿生学理念，模仿虫子蠕动动作。电线锁杆在电机带动下在电线上实现自锁，以自锁点为支点，向前移动。在电线锁杆端部安装耐磨性好的防滑套能够避免机构在行进过程中出现打滑。当机构在行进过程中如遇到障碍，机爪能够通过机械碰撞感知，上升旋转实现避障，通过障碍后弹簧与伸缩套相互配合使机爪迅速回弹，保证机构始终悬挂于电线之上，从而提高除冰安全性和机构稳定性。

2 结论

通过对机构进行力学分析和校核，所有机构完全符合设计要求。对所设计的模块化除冰器进行了样机制作，通过模拟实验验证，该机构能够实现顺利行走，除冰效果基本符合设计需求。

本装置对于猫头塔，酒杯塔、直线塔等塔基构架的高压电线线路的除冰工作基本适用，能有效清除电力输变电线路，通信线路等电力设施上的覆冰。另外在非结冰期利用巡线模块用于日常巡线，达到一机多能，提高设备利用率。本装置模块式高压电线除冰器设计减少了人工除冰高空作业的安全隐患，减轻了寒冷作业的伤害，大大提高除冰效率。

［1］新疆电力公司生产技术部.新疆电网输电线路覆冰故障分析[Z].2010.

［2］赵大乐,姚秀平,纪冬梅,等.高压输电线路覆冰问题研究[J].上海电力学院学报,2011(1):19-24.

［3］耿欣,周延泽.巡线机器人的爬行方案设计[J].机器人技术与应用,2002(4):19-21.

［4］成大先.机械设计手册[M].北京:北京化学工业出版社,2010.

［5］成大先.机械设计手册[M].北京:北京化学工业出版社,2004.

Design of Modular Deicing Machine for Transmission Lines

GUO Wen－fengZHANG Qi－gong
（School of Equipment and Engineering Shenyang Ligong University,Shenyang Liaoning,110159）

On the analysis of the overhead line cladding ice internal texture,the type of ice covering,designs a new type of modular deicing machine for transmission lines.The deicing machine adopts the design idea of modularization,uses the bionics design driver module,realizes the modular splicing,climbs over obstacles effectively,and completes deicing through the different combinations of modular machines.The equipment has the advantages of simple structure,artful design and practical features.The machine has a certain application value and supply a new thought for deicing machine research.

Modular deicing machine for transmission lines;Deicing;Climbing over obstacles

郭文凤（1980—），女，汉族，辽宁辽阳人，硕士研究生，讲师，主要研究方向为可靠性。

张启功（1990—），男，汉族，辽宁沈阳人，在校本科生。

王洪泽］