配电线路架设中牵引绳空中展放工具的设计与应用

引言

随着国民生活水平的提高,用电量大幅增长,配网线路建设投入也在不断加大,其中架空线路涉及的工作量最大、地域最广,在配网新建线路工程中,架空线路的架设通常是通过二级牵引绳展放完成。从初级牵引绳到带动导线的过程耗费大量人力、资金及时间,而对于大档距跨越河流、高山、密林、高价值农作物等地区的线路施工更是难上加难。对于传统的地面人力放线方式则需要施工人员攀山越岭,清理沿途树障,趟水过河或踩踏田地,随之而来的青赔、蛇咬、溺水等安全隐患成为棘手的问题。要想不受地形限制,利用空中飞行器带牵引绳成为最佳选择,牵引绳改空中展放则能完全解决上述问题。本文主要根椐配电网络建设特点,提出一种适合配网施工要求的牵引线绳展放工具。

1配电架空线路网络特点

点多面广、地形复杂是配电网络建设的特点,杆塔往往组立在大山密林、斜坡田间,道路不通的地方:线路跨越的类型众多,有高低落差大的山岭、密林、农作物、河流、道路、高低压电力线路、通信线路等:线路两侧较窄、空间有限:耐张档距相差大,短档距只有15m、20m,长档距有100～800m。

2牵引线展放工具设计

空中牵引线展放工具设计主要着重两个方面:一个是飞行载体:另一个是牵引绳的投放方式。这两方面的选择主要参考现有技术和材料进行组合。

2.1飞行载体的选择

空中牵引绳展放这一施工技术在输电线路上已经得到应用,飞行载体主要以载人直升机或者载人动力伞这类大型飞行器为主。但从配电架空线路网络特点上看,不管是运输过程、起降场地,还是飞行路线的有限空间,都反映出载人飞行器并不适合配网作业。配网作业需要小型便携、重量轻、布置灵活、安全可靠的飞行器。早期也有利用航空模型来为输电线路展放牵引绳,例如充气飞艇、遥控直升机,其各自优缺点如下:

2.1.1充气飞艇

充气飞艇的优点在于重量轻,飞行时间长,展放距离远,可垂直起降、空中定点悬停:但其优点也成为了缺点,重量轻但体积大使得风阻也大,抗风能力差,飞行速度低,只有0～20km/h,每次更换地点都要进行气体充放,成本高,维护难度大。

2.1.2遥控直升机

遥控直升机的优点有体积小,重量轻,方便携带,飞行速度快,有利于高效率作业。起飞降落场地要求不高,只需要比直升机旋翼略大的场地就能起飞和降落。但存在的缺点也比较多,主要有机械运动部件多,野外场地粉尘大,磨损会增加,特别是采用了燃油发动机的直升机,维护工作量更大,故障率高,运行前检查项目多。每更换一个部件均要对整台飞机进行调整。另外高速旋转的螺旋奖最外缘的线速度可以达到60m/s(200km/h)以上,具有的高动能不可忽视,对在附近工作的人员有较大风险。在如此速度下,不同的重量产生的动能差也极大,造成巨大震动,螺旋奖的动静平衡要求也比较高。

2.1.3八轴飞行器

前面两种飞行器的智能程度低,不能超出视距操控,让这类飞行器很快就被淘汰。近年来随着航空模型电子科技的飞速发展,航空模型科技的智能程度大大加强,其中八轴飞行器是近年新发展的一种航模飞行器,以锂电池为动力源,飞行器的平衡姿态由微机飞行控制器代替人工操控。在飞行控制器中加入GPs定位功能使飞行器能自动保持平稳,不会产生漂移,通过微机飞行控制器控制电机,电子控制将机械结构变得更简洁,以米字形布局固定,电机直连螺旋奖,机械活动部件只有8个电机。另外飞行器的升力分配到8个旋翼,旋翼动能低,相对安全。载重量可通过增大电机功率或增加电机数量来提高载荷。八轴飞行器飞行速度为0～90km/h,具有机构简单,体积小,重量轻,方便携带,起飞、降落场地要求低:人身作业风险低:机械运动部件少,相对磨损效少,故障率低,运行保养简便:飞行控制容易,姿态稳定等优点。其控制系统、独特的机架结构使得纵使其中不相邻的电机损坏4个,仍能在可控的情况下安全降落,如图1所示。众多的优点让八轴飞行器成为牵引绳展放的最佳载体。

八轴飞行器扩展功能多,具有定点悬停、规划线路自动飞行、定高飞行、失控反航、一键返航等强大功能。内部数控总线还可以连接摄像机及摄像机稳定云台,通过无线图像传输到地面的显示屏上,使地面操控员能够清楚飞行器飞行状态、所处位置,也能看清牵引绳落下位置,使飞行器有超视距操控的能力。

2.2牵引线到位投放方式的选择

2.2.1带绳盘飞行

飞行器挂载整盘牵引绳飞行,绳头固定在起飞点,随着前进飞行,绳从线盘中拉出自由下落,操作简易,无损坏飞行器的风险。但牵引绳只能整盘全部展放,不能根据档距控制展放绳的长短。牵引绳展放时无张力,下落到树梢易缠绕。

2.2.2异地降落人工解绳

牵引绳盘放置在地面,牵引绳头直接捆绑于飞行器底部,展放到位后遥控飞行器降落,由终端点地面人员解除,但远距离时不利于遥控人员操作。风险大,牵引线附着方式不稳定,可能在飞行中产生牵引绳与树枝缠绕,对飞行造成影响:操作不便,飞行器降落时可能造成损伤。

2.2.3异地遥控脱扣

牵引绳盘放置在地面,牵引绳头直接捆绑于飞行器底部的遥控脱扣器,展放到位后通过遥控器发出指令,飞行器接收遥控指令,通过打开、闭合动作在空中直接对牵引绳进行投放。其优点是成本低:牵引绳可张力展放:操作简易,无损坏飞行器的风险,安全性高。

3试验

从以上几种牵引绳投放方式中,异地遥控脱扣投放方式最为理想。根椐飞行载体八轴飞行器和牵引绳投放的自动脱扣器配合使用的设想,2014年4月份开展样机的组装与测试,第一台样机为六轴结构,在当月成功完成300m牵引绳施放测试。测试地点有高州供电局荷花供电所新建车山配电台区N01～N03段,其中N01～N02档距300m,N01和N02之间有一条宽约18m的河,其河道两边都是竹林。按以往人工拉线,这一档线就要清理线行底下的竹林,施工人员原计划用5个人也要清理4天,才能满足放线要求,另外还要租船带线过河。施工周期长、施工成本高、清赔金额也很高。2014年5月5日上午,天气阴,3～5级阵风。多轴飞行器只用了5min就完成了N01～N02档的牵引绳施放。

试验机采用载重量3.5kg的六轴飞行器,成功把300m的6mm普通尼龙绳成功展放完。试验机的成功,标志着配网导线架设作业中牵引绳展放有了更好的工具,并在2014年开始了多次展放牵引绳的试验,试验主要数据如下:

最大牵引长度为:6mm的300m尼龙绳或2mm的500m尼龙绳。

抗风能力:<5级。

续航时间:空载25min,满载12min。

可控距离:500～800m(电磁环境影响）。

以上数据显示仍未能够完全满足配网牵引绳展放的需要,还必需加大载荷量,以增加牵引绳的长度。遥控信号也要增大发射功率,提高控制距离。

根椐试验数据作出了改进,在2014年12月组装了载重量为10kg的八轴飞行器,加大了遥控信号的发射功率,并把初级牵引绳更换成重量更轻、拉力更大的超高分子纤维绳(俗称迪尼玛绳）,经过测试主要数据如下:

最大牵引长度为:6mm的1000m尼玛绳或4mm的2000m

尼玛绳。

抗风能力:<7级。

续航时间:空载30min,满载15min。

可控距离:2400～3500m(无电磁环境影响）。

以上数据显示,该配置无论从展放长度、可控距离,还是抗风能力,都可以满足配电网络导线架设中牵引绳展放的需要。2017年4月,针对高山上35kV古马三线2.8km耐张段,又对八轴无人机进行载重与机架升级,载重负荷达到15.5kg,在强大的载重无人机协作下顺利完成架设任务。

4应用

4.1牵引绳展放工作状况

在到达起飞点后,需要在正式展放牵引绳之前先空机通电试飞,测试各功能正常后再挂绳飞行。起飞点与终端杆塔人员必须配有对讲机,保证牵引绳投放正确。在档距250m以上的,中间杆塔也应备有对讲机。

飞行器起飞点与导线放线点在同一地点,二级牵引绳在另一端。起飞点尽可能选择视野开阔的一端,方便观测飞行路线。飞行线路中的各杆塔上人员挂好滑轮准备好后通知操控员起飞,飞行过程中飞行器的飞行高度要比杆塔高出约20m,保证安全,但又不至于牵引绳被横向风吹离线路,飞行器操作员也要在飞行过程中做飞行调整,使牵引绳准确落在杆塔上。

线路中间的杆上人员要在牵引绳落到杆塔后把绳放入滑轮,并锁好侧板。在飞行器到达终端杆塔后应视牵引绳的落差大小,指挥飞行器继续向前飞行一段距离再下令投下牵引绳,保证投下后由于张力作用牵引绳往回退仍有足够长的绳到达终端杆塔。投下牵引绳后飞行器原路返回降落。

终端杆塔把初级绳与二级绳连接后,起点端就可以把初级绳收回,二级绳到达起点端,二级绳使用导线网套与导线连接,此时终端杆塔就可以运用机动绞磨或人力牵引导线。在导线到达后才能用飞行器展放第二条牵引绳,目的是防止导线与牵引绳缠绕。

4.2牵引绳展放应用效果

牵引绳空中展放的优势要通过实际应用才能表现出来。从第一台样机开始就是以实际测试数据为主,改进后的第二台八轴架线机已经成为高州供电局配网工程建设中的正式配置,完美解决了大档距跨越、河流、高山、密林、高价值农作物等地区的线路施工难题,投入使用5年多已经成为基础施工工具,与班组紧密配合,使架线作业高效运作,得到施工班组及业主的一致好评,已成为班组架设线路必不可少的工具。

牵引绳空中展放工具成功解决了施工周期长、施工成本高、清赔金额高等难题,同时也缓解了电网建设中砍伐竹木、损伤农作物等社会矛盾,使施工人员规避作业风险。由此可见,八轴飞行器施放牵引绳系统在实际应用中能有效降低施工成本,提高效率,降低安全作业风险并具有良好的社会效应。相对于其他的放线方式,其有着价格便宜、高效省时、轻巧易携带、飞行速度快、飞行稳定、维护简单等优点,可在不同地理环境下实施放线。从长远来看,不管在效率,还是效益方面,八轴飞行器牵引绳施放方法都有很大优势。

八轴飞行器牵引绳展放工具的结构功能还可扩展应用于高山作业的工器具、材料、食品、急救物资的远程投送,也可应用于线路巡视、故障查找等领域,可谓一机多能。

八轴飞行器虽然有众多优点,但仍存在局限性。多轴飞行器为了减轻重量,给电子设备散热,多采用了开放式机架,所以机体不防水,雨天使用或者飞行过程中突然降雨都有可能导致飞行器损坏,甚至坠机伤人,所以在雨天不能开展作业。对此,日后的研发有必要改进八轴飞行器的防水性能,使其能适应雨天作业环境。

5结语

配电线路施工环境较为复杂,往往需要结合区域施工要求和环境状况进行针对性线路架设牵引。本文介绍的牵引绳空中展放工具能够有效缩短线路架设时间,借助飞行器实现复杂地形的智能布线,通过异地遥控脱扣方式快速实现架线投放,从根本上降低了复杂区域配电线路敷设的难度,减少了人工作业风险,已经成为新时期配电线路架线施工中的关键配置。