架空线路无人机异物清除喷火装置的研制

钟明亮 王伊

摘  要：高压架空输电线路在大风等季候性天气条件下，经常会悬挂或缠绕一些塑料薄膜、风筝线等，由于雨雪天气的影响，时常会导致发生线路相间短路或接地故障。鉴于此，文章研制出一款高效、稳定的异物清除喷火装置;将其搭载于多旋翼无人机下，可在线路带电情况下高速、有效地清除异物，极大地降低了人力物力的消耗，确保了输电线路的安全稳定运行。

关键词：架空线路;异物清除;无人机;喷火装置

中图分类号：TM755        文献标志码：A         文章编号：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

新疆送变电工程公司管辖的输电线路，涵盖35kV～1100kV电压等级，线路全长12897km。线路通道附近的大量村庄、农户从事着农业种植等生产活动，在大风天气下，风筝线、编织袋或塑料大棚使过用的塑料布被大风吹起，缠绕在导线上，雨雪天气下有可能造成线路接地或短路的故障[1-2]。新疆常见的大风主要有两种类型：强大的冷空气活动所造成的大风，风力一般能达到5级左右，阵风可达8～10级，以冬、春季出现最多;夏季午后到傍晚，当积雨云过境时会有较大风力产生，这种大风持续时间短、风力大、破坏性强。而传统的架空线路异物清除方法主要有两种：一是停电后人工上塔摘除;二是等电位带电作业摘除。两种方法都需要较大的人力物力，且作业复杂、劳动强度大、效率低，同时又无法保证人身安全[2]。因此，该输电工区需要研制出一款高效、稳定的异物清除装置，提高工作效率，保证线路安全稳定运行。

1 无人机喷火装置的结构设计

由于缠绕在导线上的异物主要为风筝线、编织袋、塑料薄膜等，都为可燃物，因此可以研制一款特种作业喷火装置，并搭载于多旋翼无人机下，靠近导线异物进行喷火作业，便能够安全、快速、高效地消除缺陷[3-5]。

目前，国内使用的无人机喷火装置的作业距离在3～5m，且抗风性能差，在大风条件下无法正常作业，难以满足新疆输电工区的作业要求。因此需要研制一款无人机特种作业喷火装置，以满足长距离、高质量火焰的作业要求，实现该工区输电线路的异物清除。本文拟提出的研制方案如下：

（1）特种球形泵替代叶轮泵;

（2）添加燃料预热装置;

（3）使用定制喷头;

（4）防风点火装置替代火花塞，实现两段式点火。

无人机喷火装置的结构系统图如图1所示。

1.1 压力系统

压力系统主要部件为球形泵，其体积和重量较小，适合无人机搭载，有效减小重量负载，提高无人机的高空作业时间。其特点如下：

（1）密封可靠：任何需要防止工质泄漏的动密封处，都能设计成具有相当寬度的面配合动密封，避免了线密封结构，使其达到可靠的密封效果;

（2）无进排气阀：不需要设置进排气阀，减少能耗减低噪音，成本低，可靠性好;

（3）结构紧凑、零件少：只有三个运动件，空间占用小;

（4）运转平稳，高速变频性能良好：由于无气阀，零件受力润滑好，无往复运动件和引起高振动的运动件，运转平稳，高速变频性能良好;

（5）机械摩擦损失小：由于活塞与转盘的转速只有主轴的一半，所以机械摩擦损失小;

（6）能耗低：由于无气阀、密封可靠、机械摩擦损失小等特点，所以效率高;

球形泵的结构如图2所示。

该球形泵出口压力为3bar、流量600ml/min，能够很好地满足喷头的适配要求。泵体转速、压力、流量关系如图3所示。

1.2 预热系统

低温汽油从喷头处高速喷出，明火也难以引燃，必须对燃料进行预热。若直接在燃料箱中预热存在爆炸的危险，选择在喷头前加装一段螺旋状的预热管。同时，利用防风点火装置点燃的明火对其加热，这样在燃料喷射的过程中，会流经预热管，提高温度，使燃料从喷头喷出后更易被点燃，提高整套系统的可靠性。

1.3 定制喷头

采用特殊设计的喷头，其特点如下：

（1）高压力可形成液柱流（0°）或扁平扇形喷雾形状，液滴颗粒中等大小;在1至10bar工作压力下喷射角度为5°至65°;

（2）使用内置导流叶片稳定紊流，实现均匀喷雾分布;

（3）喷嘴侧面有铣削出的平台，它与喷雾平面平行，对快速校准喷射位置提供参照;

（4）使用特殊硬化不锈钢材质以延长使用寿命，提高流量控制的精准度;

（5）配合球形泵的高压力，能实现完全燃烧的效果。

1.4 点火系统

基于安全考虑，火焰要与整套燃料系统分离，并且能够保证一次性完全点燃火焰，因此选择使用两段式点火方式。第一段通过防风点火装置点燃设置在喷头处的丁烷气体，形成明火;第二段通过明火将喷头喷射出的燃料引燃，完成火焰的喷射。

其中，防风点火器通常为单次触发式放电，如果在放电瞬间丁烷气体未达到燃烧条件，就会发生无法点燃的情况，需要进行多次点火，为了解决这一问题，利用原点火器的放电触头，设计了新的震荡电路，使触头能够以0.2s的间隙连续放电，由于不同电压下产生的电弧长度均有不同，通过对测试，得出放电曲线如图4所示。经过大量实验，将放电触头间隙设定为4.5mm，调整输入电压，电弧长度可稳定在5mm左右，电弧明亮，点火成功率达到百分之百。

圖4 点火装置放电曲线

2 试验研究

本文研制的无人机特种作业喷火装置的功能参数见表1。

同时，通过模拟现场异物工况条件，对该无人机喷火装置进行试验验证，效果如图5所示。通过分析得出，无人机喷火装置喷射火焰距离为6.15m，喷火时间为5～8s，可连续喷火工作3次，平均工作时间大约5min（传统异物清除工作时间1小时左右），大大提高了工作效率，且能够满足新疆输电工区不同工况环境线路的异物清除，确保架空输电线路的安全稳定运行[6]。

3 结论

本文通过研制无人机特种作业异物清除喷火装置，并进行改造升级，提高了火焰喷射距离、喷火工作时间、带电作业效率，有效地满足了新疆输电工区的工况要求。此种作业方法无需停电状态下人员登塔作业，降低了劳动强度、保证了人身安全，大大节约了人力、物力、财力等。

参考文献：

[1]李昊.电力输电线路的运行维护及故障排除[J].黑龙江科学，2014，5（11）：231.

[2]刘明亮，杨厚峰.导线易漂浮物清除工具的研制与应用[J].自动化博览，2011，29（S2）：185-187.

[3]曹燕军.输电线路异物清除机器人机构设计与分析[D].沈阳：沈阳理工大学，2015.

[4]梁伟，陈杰，刘洋，等.清除架空线路异物的新型装置及其试验研究[J].中国电业（技术版），2015，66（9）：57-59.

[5]赵慧斌，马兴誉.电线异物遥控夹线爬行烧除机简述[J].科技情报开发与经济，2011，21（33）：194-197.

[6]金立军，姚春羽，闫书佳，等.基于航拍图像的输电线路异物识别[J].同济大学学报（自然科学版），2013，41（2）：277-281.