基于无人机的输电线路智能除冰装置

基于无人机的输电线路智能除冰装置

林俊省1，张峰2，李国强3，蒙华伟4，廖建东5，罗文豪6

（广东电网有限责任公司机巡管理中心，广东 广州510335）

摘要：针对目前威胁输电线路安全稳定运行的覆冰问题，以及输电线路项目分布范围广、跨度大、环境复杂等特点，利用无人机在应对突发灾害时，不受地形地貌、交通条件限制的优势。设计了一种基于无人机的智能除冰装置，实现“生石灰+水”反应产热的融冰策略。可以有效避免冬季覆冰后机械除冰所面临的高空作业风险，其比人工机械除冰更加安全方便快捷，可有效提高安全生产工作效率。

0引言

自20世纪50年代起，我国发生了5000多起输电线路覆冰事故，严重威胁电网安全稳定运行。2008年初，中国南方遭遇大范围雨雪冰冻天气，导致多个省份受到不同程度的灾害影响。电力供应中断，整个电网系统瘫痪，受灾人口过亿，直接经济损失过千亿元。

为了有效应对雨雪灾害对输电线路的影响，当前电力系统除冰技术仍然是关键课题[1]。目前，架空输电线路的除冰技术包括热力融冰法、机械除冰法和自然脱冰法。然而，现有的融/除冰方法在实际应用中存在局限性。例如，常用的交直流融冰方法需要停电后才能进行操作，导致一定程度的经济损失。保持覆冰线路的正常供电状态成为融冰技术亟需解决的重要问题之一[2]。

为提高冰区线路的除冰效率和质量，增强电网运行安全性，本文将介绍一种基于无人机的智能除冰装置。该装置采用“石灰混合除冰粉剂+水”反应产生热量的融冰策略，可以有效避免冬季覆冰后进行机械除冰时的高空作业风险。相较于人工机械除冰，这种方法更为安全、便捷，能够有效提高安全生产效率。

1总体结构与工作原理

1.1无人机石灰混合除冰粉剂干粉（下称石灰混合干粉）喷撒挂件装置总体结构

无人机石灰混合干粉喷撒挂件装置采用四旋翼无人机（型号：DJI-M300RTK）平台，整体结构由石灰混合干粉喷撒挂件装置和控制设备组成，其中包括粉料箱（相应粉料出入口）、舵机、涡轮壳、防护罩。这些组件协同工作，使得无人机平台能够有效喷撒石灰混合干粉。

1.2工作原理

在作业过程中，首先通过将石灰混合干粉从粉料入口装入粉料箱，通过伸缩气缸形成内外压力差。采用舵机驱动调整入口挡板和进料调节板的间隙，实现喷洒速率调节。石灰混合干粉依次通过进粉槽和入粉室，最终进入出粉口并通过吹出装置排放[3]。随后更换无人机载荷或使用喷水无人机配合，在地线间隙喷水，实现“石灰混合干粉+水”反应产热的融冰作用。

2关键结构设计及技术效果

2.1进粉口控制结构

本设计的目标是开发一种设备，其主要功能是确保已放入粉料箱的干粉不会被喷粉装置吹散，并具备可调节的进粉量能力。由于不同冰覆盖程度的设备需要不同的干粉喷洒速度。为了满足多样化的使用需求，我们设计了一种灵活的喷粉进粉控制装置，以替代单一的进粉口。该装置适用于各种情况，并具有可调控进粉量的功能。该装置的主要工作原理是，干粉通过进料口进入喷粉装置内部后，通过操控驱动舵机驱动内部摆臂上的推拉杆，带动进料调节板的运动，控制进料间隙大小，进而调整进粉量时。为实现上述驱动过程，我们选择了体积小、重量轻的旋转型舵机作为驱动源。并适配了安装座，匹配料调节板的运动高度与现有舵机的活动端高度，以平顺旋转推动过程。

2.2改善干粉结块结构

出于以下原因，我们设计了一种旨在解决干粉结块和难吹送问题的防结块装置。干粉常吸收周围环境的水分或杂质，导致结块，特别在潮湿的季节和地区，这种情况尤为严重。结块的干粉与松散的粉状干粉相比，更难以顺利吹送，从而容易引发堵塞。我们的设计旨在解决这些问题。在本结构中，干粉通过进粉接头进入喷粉装置内部，然后电机提供动力将干粉吹送到外部，从而完成喷粉过程。为了应对干粉结块问题，当干粉块从进粉接头的上端脱落时，搅拌轴在电机的驱动下开始旋转，逐步打散小团块的干粉，使其均匀分散[4]。因此，电机通过搅拌轴的敲击作用，实现了干粉的第二次打散。为了提高连接的便捷性和稳定性，我们引入了连接座作为搅拌轴和旋转轴的过渡部件，这使得它们的安装更加方便且连接更牢固。整个装置在干粉下落路径上设计了两个阶段的打散，同时充分利用了自然重力的作用。这种设计简单而实用，成本低廉，能够有效防止结块，为装置增加了实用性。

3试验

3.1试验线路位于广东省韶关市，其部分辖区在冬季多处于-4~0℃低温，并多伴随雨夹雪或冻雨，是输电线路覆冰重灾区。

3.2研究内容

(1)试验时间：2023年1月。

(2)试验机械、材料：四旋翼无人机（型号：DJI-M300RTK）、石灰混合干粉（1千克）、纯水（2升）

(3)试验方法：考察四旋翼无人机石灰混合粉末喷撒除冰与人工机械除冰的效果与效率对比。

图 1无人机喷撒石灰混合干粉第一视角

图 2无人机喷撒石灰混合干粉第三视角

4结果与分析

基于无人机的智能除冰装置的作业用时相较于人工机械除冰可缩减2/3，工作效率有很大的提升。通过伸缩气缸推动完成喷射，通过无人机遥控器远程控制喷射挂载的开关及喷射速率，最终实现线路关键部位的智能除冰，满足多个电压等级线路杆塔地线间隙的除冰要求。

随着无人机的续航能力、载重能力逐渐加强，未来将更具有实用性，通过添加化学除冰剂等技术手段，使基于无人机的智能除冰装置更加可靠科学，有效解决了地形条件恶劣导致工作人员无法进行正常除冰工作的问题。

表1装置核心参数指标

表2基于无人机的智能除冰装置效率表

5结束语

通过本课题设计的基于无人机的智能除冰装置，可以有效解决人工机械除冰作业存在的劳动强度大和作业时间长等问题。试验证明，无人机生石灰干粉喷撒挂件装置能够确保生石灰粉末均匀施撒，适应输电线路通道多种复杂地形，提高受灾时间输电设备的除冰效率。这不仅有助于保障抢修施工人员的安全，降低人工劳动强度，还能提升突发灾害的应对能力。

参考文献

[1]蒋兴良, 马俊, 王少华, 等. 输电线路冰害事故及原因分析[J]. 中国电力, 2005, 38(11):27-30

[2]陈鹤,朱旭东,等.覆冰输电线路除冰技术研究综述[J]. 吉林电力, 2022, 50(6): 30-34

[3]林峰铭.毛竹林植保无人机喷粉挂件装置设计与试验[J]. 南方论坛, 2021, 12(2): 14-16

[4]曹璟玉,王嘉宇,廷行,等.新型外墙喷涂无人机设计[J]. 现代盐化工, 2019(5): 37-38

作者简介：

张峰（1980），男，河南洛阳, 高级工程师,本科，研究方向智能巡检；

李国强（1989），男，陕西延安，工程师，硕士研究生，输电线路运维；

林俊省（1981），男、广东广州，工程师，本科，研究方向智能巡检；

蒙华伟（1973），男，江西赣州，高级工程师,本科，研究方向智能巡检；

廖建东（1984），男，广东广州，高级工程师,本科，研究方向智能巡检；

罗文豪（2003），男，湖南常德人，本科，测绘工程专业。