架空线路更换绝缘子的智能化升级策略研究

0引言

随着电力需求的持续增长和电网规模的不断扩大,架空线路作为电力传输的重要载体,其安全稳定运行至关重要。绝缘子作为架空线路的关键部件,承担着支撑导线和绝缘的重要作用。然而,长期运行的绝缘子会因老化、污秽、雷击等因素性能下降,长期使用过程中材料会出现老化与损耗,需要进行故障修复及技术升级,确保线路绝缘性能、机械强度及供电可靠性[1]。更换绝缘子的环节,需要先将固定在绝缘子上的导线松绑,提升导线,再将绝缘子进行更换,然后将导线重新固定在绝缘子上。本文根据智能化升级策略的指导,引入无人机技术、机器人技术和通信技术,开发了一套完整的自动化装备,以实现绝缘子更换过程的智能化、自动化和高效化,提高绝缘子更换的效率和质量,以助力降低电网的运维成本和安全风险,提升电网的智能化水平和可靠性,具有重要的现实意义和应用价值。

架空导线更换绝缘子,需要完成四个主要的功能动作:高空导线解绑、导线抬升、绝缘子更换和导线二次固定。因此,需要开发相应的智能化作业装备,以及高空吊运和远程作业操控设备,使人员始终远离带电体,确保作业的本质安全,以实现自动化升级策略。

1 高空导线解绑装备

智能化的高空导线解绑装备,用于自动化去除绝缘子绑扎线[2]。该装备作业前由无人机通过电磁吸附,将其吊运至高空导线上放置,然后无人机飞离,等导线解绑完成,无人机将其重新吊运至地面。

整套装备包括自适应夹紧机构、旋转切割机构和自适应横向移动机构。

1)自适应夹紧机构:位于装备两侧,包括V形槽安装板、导线触发片、限位片、夹持杆、扭簧、拉伸弹簧、限位销、铰链销等。如图1所示,拉伸弹簧通过弹簧定位销1和弹簧定位销2连接两端,限位片绕铰链销2转动,并由扭簧和限位销2限位,夹持杆绕铰链销3转动,通过限位片弧形限位,并由弹簧拉紧,导线触发片可以上下浮动。

工作原理:当装备挂在高空导线上时,导线触发片接触导线并向上移动,带动限位片转动直至越过弧形限位,此时在拉伸弹簧作用下夹持杆夹紧导线。夹持杆和V形槽安装板与导线接触部分有若干楞条用于稳固卡持导线绝缘皮,防止作业时装备沿导线方向移动。

2)旋转切割机构:包括无刷电机、砂轮片、导轨、安装座、挡片、固定轴、螺母等。如图2所示,双砂轮片通过螺母固定锁紧在电机轴上,挡片位于两个砂轮片之间,无刷电机和导轨固定在安装座上。无刷电机直驱双砂轮片高速转动切割绑扎线,挡片紧贴在导线表面上,防止砂轮片划伤导线绝缘皮。

3)自适应横向移动机构:包括滑块、移动块、直流减速电机、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮螺母、丝杆、导向轴、光电开关、拉伸弹簧2、压缩弹簧1、限位滑块、挡块、滚轮等。如图3所示,触发片固定在V形槽安装板上,光电开关固定在移动块两端,丝杆固定在V形槽安装板上,直流减速电机转动,带动第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮螺母依次转动,实现移动块在导向轴上移动。导轨在滑块内部上下滑动,导轨上端安装有滚轮,滚轮贴在限位滑块曲面上,拉伸弹簧2一端固定在导轨上端,另一端固定在移动块上,实现拉紧导轨的功能。移动块上有可左右移动的限位滑块,限位滑块在底部压缩弹簧作用下,保持一定弹力不动。当移动块向限位滑块伸出端移动至限位滑块抵住V形槽安装板时,其下方的压缩弹簧压缩,限位滑块移动,通过曲面滚轮组合带动导轨向上移动,实现旋转切割机构向上移动的功能,直至光电传感器触发时停止动作。

高空导线解绑装备的智能化作业方案:调整自适应夹紧机构至松开状态并将自适应横向移动机构调至初始位置(限位滑块抵住V形槽安装板,此时旋转切割机构上移,作用是无刷电机启动时,防止砂轮片摩擦到导线而无法启动),通过无人机把装备吊运并挂在绝缘子绑扎线处的导线上,导线触发片动作,使装置夹持住导线,遥控操作让锯片旋转同时横向移动,随着横向移动,限位滑块释放弹力,砂轮片慢慢往下降直至触碰到导线位置,此时限位滑块弹力释放完,砂轮片开始沿着导线横向切割绑扎线,移动至另一端光电传感器触发时停止,此时便完成绑扎线切除的功能,操控无人机将装置从导线上取下。

2 导线抬升装备

导线抬升装备用于远程操控,一次作业可以抬升一根导线。其结构包括夹持模块、提升模块和控制模块,如图4所示。

夹持模块由旋紧圆环、双锥齿轮传动螺杆、压块、固定支架、固定圆管组成。使用通用的射枪操作杆勾紧旋转圆环,转动射枪操作杆,双锥齿轮将竖直螺杆旋转转换成水平螺杆旋转,使压块沿着丝杆轴向平移,与固定支架夹紧横担,完成装置在横担上的固定安装。固定圆管下方装有操作杆,可根据使用需要调节角度,手持操作杆可将夹持模块上移至横担的安装位置。

提升模块由锂电池、电机、长螺杆、升降螺母、固定方形套管、升降方管、导线支承圆弧叉、连接框架组成。固定方形套管通过连接框架固定在夹持模块的固定圆管上。升降方管套装在固定方形套管内,可沿固定方形套管内壁上下滑移。升降螺母固定安装在升降方管下端。导线支承圆弧叉安装在升降方管顶端。锂电池驱动电机旋转,电机输出扭矩使长螺杆定轴旋转,带动安装在长螺杆上的升降螺母沿长螺杆螺旋升降,并推动升降方管上下移动,当上升时,导线支承圆弧叉可推动导线上升,实现导线与绝缘子分离,更换绝缘子后,电机反向旋转,实现导线支承圆弧叉下降,导线在重力作用下,降至更新的绝缘子上进行安装。

控制模块由遥控器和单片机组成,功能包括电机驱动控制、通信与电源管理、实现远程操控、升降高度设定等。

3绝缘子更换

绝缘子通过螺栓固定在横担上,等导线抬起远离横担至适合作业距离后,通过机械手完成螺丝的拆卸与绝缘子的转移作业。

机械手是一种安装在飞行机械臂上的螺丝刀头装置,代替人工完成螺丝拆卸工作。飞行机械臂由六个自由度的关节组成,可实现±360°无死角作业。机械臂灵活移动,将螺丝刀头精准定位到绝缘子的螺丝位置。

飞行机械臂固定在底座上,底座为下开口的分腿结构,由无人机吸附吊运至导线上,底座的两腿夹在高空导线上,通过自重稳定处于导线上,如图5所示。

远程操控机械手拆卸螺栓,并将螺栓与绝缘子转移到专用收纳盒中。

技术特点:飞行机械臂具备高精度伺服电机与视觉定位系统,能实现螺丝快速识别和精准锁住。

4导线二次固定

导线采用专用的固定金具进行二次固定,替代人工绕线捆绑的方式。固定金具采用安装在飞行机械臂末端的按压工具来实现压紧固定。

专用的固定金具为一次性配件,固定安装在绝缘子上,起固定导线作用,其结构包括固定架、楔块、压缩弹簧、导向螺钉,如图6所示。

楔块通过压缩弹簧和导向螺钉在凹槽内滑动。下压金具时,楔块缩回凹槽内部,下压到位时楔块弹回从而锁紧绝缘子上导线,如图7所示。

按压工具为人工预先安装在飞行机械臂末端,用于远程操控安装按压装置。其结构包括外壳、电源、夹紧模块、下推模块、图传模块、控制模块,如图8所示。

机械臂连接头主要用于和飞行机械臂便携式连接。

夹紧模块主要由夹紧驱动电机、夹紧驱动齿轮、夹紧从动齿轮、夹紧丝杆等零件组成。夹紧丝杆__头为30O左旋螺纹,__头为30O右旋螺纹,控制线缆夹爪的开合。

下推模块主要由下推驱动电机、下推电机安装块、下推驱动齿轮、下推从动齿轮、下推丝杆、下推结构固定块、下推块、下推导向杆、平面轴承等零件构成。下推丝杆为直径8mm的30O右旋T型丝杆,将下推丝杆下端与下推块固定,下推导向杆不仅有导向的作用,还能限制下推块转动,从而达到下推丝杆不旋转,丝杆螺母旋转带动下推丝杆下行,最终下推驱动电机通过齿轮传动带动下推丝杆与下推块向下运动的目的。

图传模块主要由相机以及相机天线组成,主要作用为随时监控飞行机械臂所处的位置。

控制模块为开发的电路模块[3—4]。

导线二次固定的智能化步骤如下:

1)尾端工具抓取金具:遥控操作线缆夹爪执行抓取动作,将固定金具放置到合适位置后,操作线缆夹爪执行释放动作,通过线缆夹爪上的凹口与固定金具上的凸起配合,来达到抓取金具的目的。

2)无人机吊运:操控无人机将飞行机械臂投放到导线上。

3)将尾端工具固定到线缆上:通过相机和相机天线将其实时图像传到遥控器屏幕,工人通过操作飞行机械臂调整到合适位置,操作线缆夹爪夹紧线缆,此时固定金具的卡扣松开,将按压工具和线缆紧固,方便后续操作不发生位置偏移。

4)下推金具锁紧悬式绝缘子:按压工具和线缆固定好之后,可通过相机观察金具是否有倾斜的情况,执行后续操作前,务必保证此时固定金具的位置是沿绝缘子中性轴方向。如果固定金具有较大的倾斜角度会导致后续按压发生卡顿的现象。确保金具位置没有问题后,操作遥控器发出下推命令,此时下推驱动电机驱动齿轮带动丝杆转动,下推块在下推丝杆的作用下前行,固定金具在下推块的作用下前移,楔块在绝缘子的压力下退回到凹槽内部,下推到合适位置后楔块在弹簧的作用下弹出,从而达到锁紧绝缘子和导线的目的。在固定金具完全锁住之后,可操作遥控器发出松开线缆的命令,操作飞行机械臂与固定金具分离。分离后固定金具锁在绝缘子上,如图7所示。

5 结论

1)传统的导线解绑需要人工采用专用裁剪刀进行登高作业,劳动强度大。本智能化策略采用一键遥控电动去除绑扎线,远程操控作业,与带电导线保持较远的安全距离,对作业要求低,作业风险系数低,操作简单,作业效率高。

2)原有的抬升导线、更换绝缘子的方法是用绝缘杆(或绝缘绳配合滑轮)从导线下方缓慢挑起,将导线临时固定在电杆的更高位置。导线提升的稳定性差,导线抬升时,人员近距离接触导线,不停电作业安全难以保障,限制了带电作业的开展。同时,劳动强度大,需要多人配合作业。本智能化策略采用电动导线抬升器自动化作业,可以提高导线提升时的稳定性,人员可以远程控制装置将导线抬起,安全性高。装置体积小,一人即可携带,使用不受地形限制的影响,可在田地、山坡等地形使用。只需使用射枪操作杆旋转圆环,便可将装置固定在横担上,安装方便。

3)本智能化策略开发飞行机械臂可以采用无人机吊运至架空导线上进行固定,开发的飞行机械臂末端工具可以代替人工进行拆卸螺丝的工作,完成绝缘子的拆卸与转移作业。 飞行机械臂还可以与开发的其他末端工具进行配合,完成多种类的高空作业,非常适合复杂地形的不停电作业,具有良好的推广前景。

4)传统的导线二次固定方式主要是人工操作登高作业,近距离用压块加螺丝的紧固方式紧固,或使用扎线重新捆绑的方式紧固,带电作业存在较大的风险,对操作人员的技能和经验要求很高。本智能化策略开发的按压工具结构简单,重量在1.3 kg左右,比较轻,携带方便;可远程操控固定金具的安装操作;无须工人登高作业,避免了工人操作的不确定性和安装质量的不稳定性,降低了工人劳动强度,提高了工作效率。

[参考文献]

[1]严程峰,叶俏莹.架空输电线路无人机运维巡检技术研究[J].光源与照明,2024(1):174—176.

[2]穆佳鸿.探讨电力配电电缆敷设技术的应用[J].塑料包装,2025,35(2):103—107.

[3]杨爱书.电力自动化与配电网智能化技术的应用[J].集成电路应用,2023,40(11):304—305.

[4]刘军会,张艺涵,陈兴,等.农村源网荷储一体化项目经济性消纳比例研究[J].河南电力,2025(增刊1):63—67.

《机电信息》2025年第22期第3篇