无人飞行器搭载的输电线路易熔断外飘物清理装置设计

无人飞行器搭载的输电线路易熔断外飘物清理装置设计

黄海鹏1周海峰1赵义南1裴慧坤1

（南网深圳供电局有限公司广东深圳518000）

摘要：近年来，深圳城市用地紧张，高压线路路径通道周围经过公园、鱼塘、农田等，比如，在公园里，放风筝的市民越来越多，导致风筝、广告横幅等漂浮物缠绕在输电线路的情况时有发生。当输电线路飘挂漂浮物时，应根据现场情况及时处理，对于相间或线间缠绕，应立即采取有效方法进行拆除。本文设计了一种多旋翼无人机搭载的外飘清除装置，通过实际测试和分析，验证了该装置可操作性以及效率高，同原有处理方式对比凸显了本设计的优越性。

关键词：无人机；无人飞行器；外飘物；电热丝

bstract：Inrecentyears，Shenzhencitylandshortage，aroundthehighvoltagetransmissionlinepaththroughthepark，fishponds，farmlandandsoon，forexample，inthepark，moreandmorepeopleflykites，kites，leadingadvertisingbannersandotherfloatingaroundthetransmissionlineoccurs.Whenthetransmissionlineisfloatingandfloating，itshouldbetreatedaccordingtothesituationintime，andtheeffectivemethodshouldbetakentoremovethewireandthewire.ThispaperdescribesthedesignofamultirotorUAVequippedwithfloatingremovaldevice，throughtestingandanalysis，verifythedeviceoperabilityandhighefficiency，withtheoriginaltreatmentcomparisonhighlightstheadvantagesofthisdesign.

Keywords：UAVunmannedaircraftfloatingmatterelectricwire

引言

近年来，深圳城市用地紧张，高压线路路径通道周围经过公园、鱼塘、农田等，比如，在公园里随着公园逐步开放使用，放风筝的市民越来越多，风筝、风筝线等浮物极其容易缠绕在输电线路。当输电线路飘挂漂浮物时，应根据现场情况及时处理，对于相间或线间缠绕，应立即采取有效方法进行拆除。

按照以往的传统人工作业方式，发现外飘隐患后，分析隐患处理方式，向调度申请紧急停电，电网调整运行方式，变电部门倒闸操作，输电部门组织人员抢修，装设安全措施，人员登塔、出导线，处理同类隐患需要5-8小时，并且在非计划停电期间存在电网风险以及人工出导线作业风险。因此，迫切需要研制一种高效的拆除异物装置。

多旋翼无人机，是一种具有三个及以上旋翼轴的特殊的无人驾驶直升机。其通过每个轴上的电动机转动，带动旋翼，从而产生升推力。旋翼的总距固定，而不像一般直升机那样可变。通过改变不同旋翼之间的相对转速，可以改变单轴推进力的大小，从而控制飞行器的运行轨迹。具有高空飞行、远距离、快速便捷、稳定性强、可操控性特点。

近几年，多旋翼无人机的发展有了很大的进步，输电管理所在运用多旋翼无人机协助运维输电线路有一定的经验。

因此，通过不断调研与探索，尝试无人机携带操作杆清除漂浮物来解决这一棘手问题。无人机搭载操作杆清除漂浮物作为一种新型的带电清障方式出现，对降低劳动强度，提高拆除输电线路漂浮物工作效率等方面优点突出，对保障电网高效、稳定运行，电力工业自动化起着至关重要的作用。

通过综合考虑多旋翼无人机的性能、载荷能力、以及外飘物特点、熔断装置的特点，研制此装置

1可行性分析

1.1方式定型研究

深圳地区输电线路具有密度大、近城区的城市电网特点，线路走廊密集，存在同一走廊有多回线路。同时，根据历年的外飘隐患统计分析，主要发生外飘事件集中在深圳的五大公园（宝安公园、大沙河公园、龙华广场、东湖公园、围岭公园），主要外飘物为风筝线。据统计仅2014年发现线路外飘物隐患48起，其中有11引起线路跳闸，占全年跳闸的13%。存在发生风筝线外飘时，存在多回路多相位缠绕问题。增加传统抢修作业的人身作业风险，以及电网风险。若不及时处理在潮湿天气极有可能引发线路跳闸。

市面上常用线有尼龙线、南韩丝线、马克线、多股轮胎线、透明盘鹰线、马凯芙拉特多纶线等，长度在500-1000米不等，线径1.2毫米左右，其最大特点是韧性强，难以扯断。即便有电力设施保护条例要求放风筝区域需远离高压线路300米以上，但设计的风筝线过长，也是容易发生风筝外飘的原因之一。

针对风筝外飘发生率高、缠绕复杂以及风筝线细小特点，利用高温轻便的发热装置，将其烫断，使导线回路之间、相与相之间恢复安全的运行距离，以实现消除外飘隐患。经过理论与实际试验验证，最终选定电热丝为发热源，发热结构如图下所示。

1.2发热材料定型研究

电热丝，按其化学元素的含量和组织结构的不同，可分为二大类：一类是铁铬铝合金系列，另一类为镍铬合金系列，它们作为电热材料分别具有各自的较多的优点，而得到广泛的使用。

铁铬铝合金系列优缺点：优点：铁铬铝电热合金其使用温度高，最高使用温度可达1400度，使用寿命长、表面负荷高、抗氧化性能好、电阻率高，价格便宜等。缺点：主要是高温强度低，随着使用温度升高其塑性增大，元件易变形，不易弯曲和修复。

镍铬电热合金系列优缺点，优点：高温强度较铁铬铝高，高温使用下不易变形，其结构不易改变，塑性较好，易修复，其辐射率高，无磁性，耐腐蚀性强，使用寿命长等。缺点：由于采用较稀缺的镍金属材料制成，故该系列产品价格高出铁铬铝最多达几倍，使用温度较铁铬铝低。

市面上常见的风筝线：大力马线：熔点低，强度高。丝百克线：熔点低，强度高。凯夫拉线：熔点高，强度高。轮胎线：熔点低，强度一般。白色风筝线：熔点低，强度一般。根据熔点高低对比，熔点较低的大力马线熔断温度在145℃左右，熔点较高的凯夫拉线熔断温度在345℃左右。

架空导线主要绞丝材料为铝，相对密度2.70。熔点660℃。沸点2327℃。

综合比对，若需熔断风筝线而不损伤导线，经过理论计算以及实验认证，确定使用温度区域为400℃-600℃之间，最终采用铁铬铝电热合金，控制电压为12V，电热丝发热温度450℃左右，具体参数如下表：

1.3结构架研究

结构架主要为了作为支撑延伸作用，使无人机与导线保持距离，使电热丝与无人机保持距离，使外飘物与无人机保持距离。材料选择轻便优先。

碳纤维，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。碳纤维与传统的玻璃纤维相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯夫拉纤维相比，杨氏模量是其2倍左右，在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性突出。

结构定型原理：利用材料轻、硬度强的碳纤维管作为主体支架，一端固定在连接板上，利用柱形金属螺丝将连接板与无人机机架的上盖板连接，另一端碳纤维棒制作成的“V”型引导槽，在引导槽“V”内角中部横拉电热丝。利用螺丝将电热丝与导线接触固定。选用碳纤维材料，便于切割组装，使整个机构更轻量化。

1.4耐热材料研究

由于连接电热丝与碳纤维固定架之间，需采用耐高温材料，耐高温材料既可以由于支撑电热丝，又可以保护碳纤维不受高温高热而变型。

耐火材料通常是指能耐1580℃以上温度的无机物材料。它们是修建窑炉、燃烧室和其他需耐高温的建筑材料。一般用石英砂、粘土、菱镁矿、白云石等作原料而制成，耐高温隔热保温涂料，是一种组份无机涂料，耐温幅度在-80—1800℃，导热系数为0.03W/m.K，可抑制高温物体和低温物体的热辐射和传导热，对于高温物体可以保持70%的热量不损失。涂料在1100℃的物体表面涂上8mm耐高温隔热保温涂料，物体表面温度就能从1100℃降低到100℃以内。另外耐高温隔热保温涂料还有绝缘、重量轻、施工方便、使用寿命长等特点，也可用做无机材料耐高温耐酸碱胶联剂使用，附着物体牢固。

耐高温纤维在较长时间经受高温（例如200℃以上）尚能基本保持其原有的物理机械性能的化学纤维.高温下不软化、仍能维持一般力学性质的特种纤维，又称耐热纤维。这类纤维具有以下的基本特点：①熔点和软化点高；②纤维在高温下尺寸稳定；③大分子结构不易降解（长期使用温度在200℃以上）；④具有良好的耐水解和耐化学药剂等性能。耐高温纤维的制备工艺大多采用溶液缩聚和溶液纺丝法，少数用熔融缩聚或界面缩聚。

根据市场调查，以及所存有的材料选型，最终经过试验认证，确定选用涂布有耐高温硅橡胶的玻璃纤维。高温硅橡胶的玻璃纤维特点是耐温高、质量轻且便于手工加工。

2.应用分析

利用无人机携带装置到达隐患点点进行消除易熔断异物，能够在很大程度上减轻人员劳动强度，保障人身安全。

该装置是实际应用中可处理细小的飘带物（风筝线、钓鱼线等），按照以往的传统人工作业方式，发现外飘隐患后，分析隐患处理方式，向调度申请紧急停电，电网调整运行方式，变电部门倒闸操作，输电部门组织人员抢修，装设安全措施，人员登塔、出导线，处理同类隐患需要5-8小时，并且在非计划停电期间存在电网风险以及人工出导线作业风险。现场作业认证，利用无人机对同类隐患消除，可以大大提高工作效率，并且避免了电网风险以及人身作业风险。

2015年深圳电网所利用无人机处理外飘隐患7次，相对于人工作业，单次节约抢修费2.5万，总节约17.5万元，同时减少非计划停电时间56小时，避免电网电量损失或转运8253MW，避免经济损失560万元。若推广该改进装置后，按以往的外飘次数算，估计每年可拆除外飘物48次，直接经济效益120万元，减少非计划停电时间72小时。

3.结论

本文详细描述了输电线路易熔断外飘物清理无人机搭载装置研制的必要性、可行性，并且对结构设计、电路设计以及实际应有进行分析，对比了传统的人工操作方式，具有较明显的效率提升，并且降低了消除同等隐患的电网及作业风险，值得更深入去研究、改进及应用。

参考文献：

[1]俞祥九.电热丝烧毁断路的机理探讨[J].家用电器科技，1982（4）.

[2]虞国平.家用电器大全[M].轻工业出版社，1984.

[3]邹盛欧.耐高温硅橡胶[J].化工新型材料，1988（7）.

[4]张可达.碳纤维复合材料[J].材料导报，1993（1）：59-62.

[5]赵晨，杜勇.四旋翼无人机在输电线路巡视中的应用[J].湖北电力，2012，36（6）：35-36.

[6]蔡国玮.无人驾驶旋翼飞行器系统[M].清华大学出版社，2012.

[7]龚华生.元器件易学通：常用元件分册[M].电子工业出版社，2011.

[8]国家电力公司机械局.电线、电缆及其附件实用手册[M].中国电力出版社，2000.