输电线路除冰机器人除冰机构设计文档格式.docx
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≤35kV高压线路倒杆6万4千多基，发生断线超过5万处；
低压线路倒杆断杆33万多基，断线近37万处，在整个冰冻期间，发生了多次电网解裂和衡阳、郴州等地区大面积停电事故，使湖南电网受了有史以来最严峻的威胁，直接经济损失数10亿元。
现场调查了2008年湖南冰灾期间≥220kV输电线路的受损情况，发现倒塔线路覆冰厚度主要集中在20～60mm，同时微地形和微气象造成覆冰加重和覆冰的不均匀性，档距、塔形等对线路倒塔也存在影响。
分析倒杆断线的形式认为覆冰太厚超过设计值，垂直荷载压垮和不平衡张力拉垮是造成线路倒塔的原因。
江城线4979—4983段的冰情照片
2005年湖南冰灾后对覆冰倒塌的杆塔以及选择性选取的一些重要杆塔进行了改造，7条500kV线路新增和改造杆塔共142基，220kV共9条线路增加和改造铁塔32基，通过对局部区域杆塔更换塔型（将自立塔改为加强型转角耐张塔）、采用提高一级覆冰设计厚度（将15mm覆冰设计改为20mm）等措施提高杆塔的抗冰强度，通过新增杆塔缩小设计档距、缩短耐张段的距离，减少单基铁塔所受的重力荷载等技术措施进行改造，2008年这些改造的500kV杆塔未发生倒塌现象，220kV有2基因仅对主材加厚，在此次冰灾中发生扭曲受损，在同一区域有3基未改的杆塔发生了倒塌。
因此对杆塔抗冰强度适当加强，是防止覆冰倒塌的最好措施之一。
为应对冰冻灾害的影响，应进一步完善重大灾害的应急预案；
按照差异化原则，易覆冰区段线路按20mm及以上覆冰设计，建设电网最小骨干网架；
加快覆冰机理、融冰技术和冰情监测的研究和应用，覆冰期间提高重要线路的需送容量防止导线结冰，深入开展微地形、微气象的监测和冰区分布图的绘制工作。
第二章覆冰原理
影响导线覆冰因素很多，主要包括：
气象条件、地理及地形条件、海拔高程、导线悬挂高度、导线直径、水滴直径、电场强度等。
按不同的分类方法，导线覆冰类型可分为：
（1）按冰的表现特性分为：
雨凇、雾凇、混合凇、积雪和白霜等[1,5,6]；
雨凇是过冷却的降水碰到温度等于或低于0℃的物体表面时所形成玻璃状的透明或无光泽的表面粗糙的冰覆盖层，其密度较大，一般为0.85g/cm3。
雾凇分为两种：
一种是粒状雾凇，即过冷却雾滴碰到冷的物体后迅速结成粒状小冰块，其结构较为紧密；
另一种是晶状雾凇，结构较松散，稍有震动就有脱落。
一般雾凇密度为0.25g/cm3。
混合凇是过冷却水滴在导线的迎风面形成的雨凇和雾凇混合冻结的不透明或半透明覆冰，密度在0.26～0.6g/cm3，黏附力较强。
积雪为黏附在导线上的自然降雪，有干、湿之分。
干雪密度≤0.1g/cm3，粘附力很弱；
湿雪密度0.1～0.5g/cm3，粘附力较弱。
白霜是空气中的湿气与0℃以下的冷物体表面
接触凝结而成，对导线威胁不大，但会增加输电线路的电晕损失[7]。
冻雨覆冰形成的雨凇因密度大、附着力强，对架空输电线路的危害最大，08年初的南方电力冰灾主要由该原因造成。
（2）按冰的形成机理分为：
降水覆冰、云中覆冰和升华覆冰；
（3）按冰在导线上的横截面形状分为：
圆形或椭圆形覆冰、翼型覆冰和新月形等，如图1所示。
（4）按冰在导线表面的增长过程分为：
干增长、湿增长[1]。
这种分类利于分析导线覆冰的形成机理及形成过程中的热平衡及热传递。
雾淞和干雪是干增长覆冰过程，雨淞和湿雪是湿增长覆冰过程，而混合淞是介于二者间的一种覆冰过程。
导线覆冰截面图
第三章输电线路覆冰的危害
3.1线路过荷载
线路覆冰时，导线将承受数百到数千kg的荷载，导线和覆冰重量产生的拉力将通过导线、金具、绝缘子传递给杆塔，杆塔再传递给拉线，只要其中一个环节承受不住拉力，就将出现倒杆和断线事故，并往往会扩展至一个耐张段。
3.2不均匀覆冰或不同期脱冰
相邻档线路不均匀覆冰或不同期脱冰都会产生张力差，使导线在线夹内滑动，严重时将使导线外层铝股在线夹出口处全部断裂、钢芯抽动，造成线夹另一侧的铝股发生颈缩，拥挤在线夹附近，长达1～20m。
不均匀覆冰的张力差是静荷载，而不同期脱冰为动荷载，二者有所不同。
其次，直线杆塔承受邻档的张力差，会使绝缘子串产生较大偏移，碰撞横担而造成损伤。
再次，当张力差达到一定程度后，会使横担转动，导线碰撞拉线，电气间隙减小而烧断拉线，杆塔因失去拉线支持后倒塌。
3.3绝缘子串冰闪
冰闪为污闪的一种特殊形式。
绝缘子严重覆冰时，大量伞形冰凌桥接，泄漏距离缩短，绝缘强度降低。
融冰过程中，冰体表面水膜因溶解污秽中的电解质而形成导电水膜，使得绝缘子串的电压分布发生畸变，闪络电压被降低。
融冰时期常伴有大雾，使大气中的污秽微粒进一步增加融化冰水导电率，形成冰闪。
冰闪的持续电弧将烧伤绝缘子，绝缘强度降低。
3.4导线覆冰舞动
由于覆冰形状的不对称，改变了导线的空气动力学特性。
当风速在4～20m/s，且风向与线路走向≥45°
时，导线具有较好的空气动力性能，在风的激励下产生低频高幅振荡。
轻者发生闪络、跳闸，重者发生金具及绝缘子损坏，导线断股、断线，杆塔倾斜、倒塌等电气事故。
第四章除冰方法
序号
方法
定类
数据
消耗能量
比较系数
1
融冰（3mm）
除冰
理论
904
100
2
航空标准除冰法
实验
400
44
3
融冰（1mm）
301
33
4
射频+铲刮
305
34
5
加热法
防冰
180
20
6
红外线
170
19
7
激光+铲刮
120
13
8
形记合金
72
9
气动脉冲（50Ls）
6.8
0.75
10
电磁脉冲
2.3
0.25
11
气动低环
0.9
0.06
12
铲刮
0.2
0.02
碰撞试验
0.011
0.0012
14
牵引试验
0.007
0.00069
适用于输电线路的机械除冰技术
使用机械外力手工或自动强制使覆冰脱落的除冰方法，称为机械除冰方法。
研制机械除冰方法的历史远早于其他类型的除冰、防冰方法。
机械法是针对输电线路的，有“adhoc”法、滑轮辗压铲刮法和强力振动法，滑轮辗压铲刮法达到了实用水平。
“adhoc”法由Phlman和Landers于1982年提出，它需要线路操作者在现场执行。
并且处理方法千变万化，包括敲打、撞击等。
当线路停电，可以触及到冰时，可采用手工除冰，从地面向导线、避雷线抛掷短木棍将覆冰打掉，或用木棒、竹竿敲打。
在线路带电时，应用与线路电压等级相符的绝缘棒敲打。
此外，也可用木制套圈套在导线上，用绳子顺着导线拉，以消除覆冰，这种方法只是权宜之计，既不安全，又不十分有效，因此，很少有人推荐使用，如果要用，就得为这种方法制定标准的操作规则。
由加拿大Manitoba水电局研制的滑轮铲刮技术是一种由地面操作人员拉动滑轮在线路上行走而铲除导线覆冰的技术，运用这种技术的除冰方法叫滑轮辗压铲刮法（icingrolling），滑轮辗压铲刮法已在加拿大的Manitoba使用了50多年，是目前唯一可行的输电线路除冰的机械方法。
它由滑轮、牵引绳及涂漆的胶合板或环氧树脂板等器件构成，加在滑轮上的力要足够让导线产生弯曲，这样，产生的应力才能使冰破裂脱落。
如果在板的两边固定一把锯齿刀，则除冰效果更好，但拉扯时注意不要损伤导线、避雷线和绝缘子。
滑轮铲刮法的最大优点是效果很快，且不需要特别的设备和专家，简便易操作，耗能小，价格低廉，较为实用。
但它也有缺点，那就是费时，安全性能不完善，且受地形限制。
据统计，要对一公里长导线进行滚压除冰约需卜2小时。
强力振动法是1988年由Mulherin和Donaldson研制的。
加拿大魁北克水电局发明了一种电缆除冰装置。
该装置包括一对导线，导线连接到电缆上，并沿电缆呈螺旋形缠绕，导线的一端连接到一个能在导线内产生电磁脉冲的脉冲发生装置上，另一端连接在一起构成封闭电路，依靠导线中电磁脉冲的通路，在导线之间产生推斥力，该推斥力振动导线，使导线上的覆冰振碎脱落，由于要求外加振动源及振动会促使线缆疲劳，因而难以在工程实际中应用。
基于机械振动与撞击原理的电磁力技术和电脉冲技术是为飞行器除冰研制的。
但是，由于电磁力或电脉冲可以使导线产生强烈而又在控制范围内的振动，所以二者也是架空线路易接受的除冰方法之一。
为飞行航空器除冰研制的基于机械冲击和冲撞的3种技术是：
1985年由Finke和Banks、1988年由Mulherin和Donald—son、1991年由Graber和Mack等分别研究和改进的超声振动除冰技术；
1988年由zumwalt和Egbert、1993年Bond和Shin、1994年由Smith等分别研究和改进的电磁脉冲除冰技术；
1992年由Martin和Putt、1996年由Loughborough和Hass等研制和应用的气动脉冲除冰技术。
电磁脉冲技术将是输电线路除冰最易接受的方法。
美国堪萨斯州的wichita州立大学也提出了电脉冲法除冰（Electro—ImpulseDe—Icing，EIDI），即利用电容器组向线圈放电，由线圈产生强磁场，在置于线圈附近的导电板（即目标物）上产生一个幅值高、持续时间短的机械力，使冰破裂而脱落，但在线路融冰研究方面因技术不成熟和费用过高没有达到预期的目的。
由Gerardi等于1995年根据合金中记忆相位的变化为航空器除冰研制的。
另一种采用由电场或磁场力控制的柔韧性涂料机械方法仍处于设想阶段。
然而，这些方法可作为验证其典型除冰方法的实验和研制的基础。
第五章巡线机器人
巡线机器人是为了在线检测输电线路产生的机械电器故障、杠塔及其他地基和交叉跨越安全距离等变化，国外寻巡线机器人的研究始于20世纪80年代末，日本东京电力公司Sawada等人、日本Sato公司、每过TRC公司、加拿大魁北克水电研究院Montabault等人先后开展了巡线机器人的研制。
他们研制的巡线机器人可分为2类：
一类是具有跨越障碍物功能，但由于其结构尺寸大和重量重，因而实用性差，并大多仍处于实验室研制阶段；
另一类是只能在2个杆塔间的直线巡线，不具备跨越障碍功能物，因而其巡线作业范围受到了很大限制。
国内巡线机器人的研究始于90年代末，在2002年开开始国家“十五”863计划的连续2次资助下，已研制成功了具有沿220kV单分裂导线全程线路行驶和巡检作业的巡线机器人样机，并在机器人构件、电能在线补给、机器人局部自治和系统与技术集成等关键技术上去的了实质性的突破，该样机已经通关过了现场线路的带电运行实验，并表现出良好的发展前景。
同时在巡线机器人的基础上除冰机器人才有所发展。
在现场线路上的巡线机器人
巡线机器人机构
5.1巡线机器人机构
巡线机器人是机电一体化系统，涉及到机构、控制、通信、定位系统、移动平台上传感器的集成和信息融合、电源等，而机械机构是整个系统的基础，也是目前制约巡线机器人发展的技术障碍之一．巡线机器人机械机构的设计要求是：
（1）能在架空高压线上以期望的速度平稳爬行；
（2）具有一定的爬坡能力；
（3）能够避越高压线路上的防震锤、线夹、绝缘子、线塔等障碍；
（4）在故障情况下有可靠的自保安措施，防止机器人摔落；
（5）提供足够的空间安装所携带的电源以及探测、记录和分析处理仪器．
可实现在管线上爬行的机构可以分为步进式爬行机构和轮式爬行机构两类步进式爬行机构通过多只手臂的交替移动完成爬行，一般用于斜拉桥
缆索、管道外壁的检查维护；
轮式爬行机构依靠由电机驱动的行走轮与管线之间的摩擦，驱动机器人前进．轮式爬行机构行走平稳，速度快，有利于移动平台上线路探测仪器的可靠工作，因此，目前巡线机器人多采用此类爬行机构．越障机构是巡线机器人机构的关键．由于机器
人悬挂在架空线上，越障时应保证机器人姿态平稳，并保持与其它导线和线塔金属部件的安全间距，因此设计难度较大．文献采用了仿人攀援的弧形手臂越障机构，姿态控制较为复杂，文献中给出的分体蛇形越障机构不适合跨越直径和间距较大的障碍，文献的越障机构也同样存在跨越间距小的问题巡线机器人越障操作类似人的空中攀援行为，因此，仿生设计是解决这一难题的有效方法．一种很有前景的方案是采用多只可伸缩机械臂结构，机械臂上部为爬行驱动机构，下部通过旋转关节相互链接．遇到障碍时，机械臂之间相互配合，采用仿人攀援策略调整姿态，跨越障碍．由于采用多只多自由度机械臂，机器人可以完成更为复杂的空中姿态调整，因而可跨越各种类型的线路障碍．
电能在线补给和电源监控系统
5.2工作电源
要保证巡线机器人在野外大范围内长时间工作，必须提供持续可靠的电源．巡线机器人功率一般为几百瓦，由于受体积和重量的限制，蓄电池组不能满足长时间供电要求．文献[3]尝试采用小型汽油发电机为机器人供电，但汽油发电机需携带油箱，工作时受环境影响大，可靠性差．由于巡线机器人一般沿大工作电流的电力线爬行，因此，最好能直接从电力线上获取能源，即耦合供电．文献[7]对采用电流互感器耦合从电力线上获取电源的设计方法进行了深入研究，分析了机器人所需的最大驱动力与其重量的比率、磁芯的截面积、副边线圈匝数等变量的关系，实验结果验证了方案的可行性．采用电力线耦合供电虽然解决了巡线机器人长期工作的电源问题，同时也导致机械机构及控制系统的复杂化．这是因为机器人越障时，电流互感器磁芯须从电力线上脱离，需解决磁芯分离机构控制和备用电源切换技术．
5.3控制系统
控制系统
第六章除冰机器人机构
目前国内没有技术成熟的除冰机器人，而国外技术相对比较成熟的代表产品是加拿大魁北克水电研究院的SergeMontambault等人2000年开始研制的HQlineROVer遥控小车。
它主要用于清除电力传输线地线上的覆冰。
但是该机器人质量过大，结构复杂，并且只能清除两杆塔之间的覆冰，不具备越障的功能，因此不能完全代替人工上线除冰。
借鉴国内外除冰机器人以及巡线机器人的优点，三峡大学设计了一种高压线路除冰机器人。
本机器人理论上可以满足直导线上覆冰不是太厚情况下的除冰需求，同时具备自主越障功能及高效、环保、节能的特点。
本机器人运用模块化结构，采用仿生学原理进行设计，组成模块包括夹紧装置、行走装置、除冰装置、越障装置等。
机构运动简图
机器人模型整体设计参数如下：
（1）导线直径D≤25mm；
（2）小车自重m≤20kg；
（3）电机功率降1．2W，电压如12V；
（4）小车行走速度y=0．26m／s。
越障过程图
除冰机器人越障时技术难度最大的是跨越导线上的附属元件．包括绝缘子、线夹、防震锤和间隔棒等障碍物。
机器人需要满足以下几个功能：
越障有效、越障过程应平稳、越障完成后能适时随动。
这也就要求机器人在线上应能够保持姿态平稳，不与线路附件干涉。
考虑到机器人越障时的平稳性、安全性和有效性．机器人的越障方式是模仿猴子爬树的方式进行越障。
也就是采用手臂交替前进方式进行越障。
目前单导线巡线机器人的手臂模式主要有2种，一种是双手臂模式，一种是三手臂模式。
综合考虑各因素，本除冰机器人采用双手臂结构。
目前越障方式有：
手臂上升式越障、手臂上升旋转式越障、手臂上升偏转式越障、轮子剖分式越障。
考虑到除冰装置和夹紧装置的安装以及通过减少控制电机数量来提高控制能力方面考虑，本机器人采用的是上升偏转式越障。
这种越障方式有2种实现方法：
一是采用2个电机分别控制上升和偏转这2个动作；
二是设计一个可以实现上升偏转的导轨，这样就可以通过一个电机控制来完成手臂的上升和偏转动作，从而提高机器人的控制性能。
本设计中采用后者。
具体越障动作：
当机器人遇到障碍物时．首先机器人整体停机．启动越障电机，电机带动越障手臂在越障导轨上上升到行走轮脱离导线，越障电机继续工作带动整个越障手臂在越障导轨上发生偏转。
直到整个越障手臂不与障碍物发生干涉时。
越障电机停止：
然后前面的整个越障手臂在前进电机的带动下．通过丝杠推动整个前面的机构部分越过障碍物；
越过障碍物后，越障电机反转，越障手臂即可复位。
在越障机构设计中。
可以采用直线电机来取代电机加丝杠的驱动方式。
使得机器人的结构更为简单，定位更加精确．反应速度更快。
机器人具体越障动作如图所示。
除冰机构1
除冰机构2
机器人跨越悬垂绝缘子等障碍物时一只手臂悬空，另一只手臂越过绝缘子，而此时障碍物另一侧导线上的覆冰未清除，轮子和铣刀处于一个平面上面，这样就会造成轮子无法在电线上落脚的情况．基于这种情况的考虑，提出了第2套除冰方案．具体示意图如图所示，采用2个铣刀，其中铣刀中心线和导线中心线垂直，在无障碍物时和上面的除冰装置类似，铣刀电机驱动铣刀旋转除导线两侧面的覆冰，后面的楔形块在机器向前行走的推力作用下可以破碎铣刀未清除的覆冰．当遇到悬垂线夹这样的障碍物时，首先还是行走电机停机，然后启动驱动螺杆运动的电机，使电极正转，在螺杆转动下带动与螺母相连的楔形块以及前面的铣刀一起向前推进，直到将通过悬垂线夹并且将线夹前面的覆冰除掉，直到当一只手臂越障后轮子可以落到导线上面为止．当除完该段覆冰后，螺杆电机反转将刚前进的装置收回，然后再进行如上述的越障动作．图第2套方案除冰机构
整体图
第七章国内除冰机器人专利
7.1一种线缆除冰机器人（申请人河海大学，公开日2008.11.19）
该除冰机器人，由机架、除冰盾、电源、夹持机构和行走机构构成，除冰盾的结构包括振动驱动装置和在向前进方向的前端设有向盾牌，盾牌固定前伸出的若干根尖锥，振动驱动装置时机架上安装振动偏心电机，安装的振动偏心电机带动除冰盾前后运动；
夹持机构包括起码两对夹持导轮和夹持的开启闭合装置构成，开启闭合装置时合页结构，没对导轮分别安装在一侧合页上，围绕着合页轴开启闭合，采用夹持导轮，行走机构采用行走电机和线缆驱动轮构成，电源采用蓄电池。
7.2输变线路除冰机器人（申请人汤靖邦，公开日2008.11.5）
该输变电线路除冰机器人包括主机，所述主机上连接柔性推动臂、悬挂导向臂，在柔性推动臂的前端连接一颗开合点击动力组，悬挂导向臂的前端连接一开合除冰工作头，所述可开合除冰工作头的前端可弧线摆动的连接只少两个正向除冰转到组。
7.3一种可跨越障式多分裂除冰机器人（专利权人国网北京电力建设研究院,公开日2009.1.14）
该机器人包括：
导线爬行装置，用于所述高压输电线路爬行；
旋转除冰装置，安装于所述导线爬行装置，用于采用旋转敲击力去除导线上的覆冰；
动力装置，用于爬行装置和除冰装置，提供驱动力；
控制装置，用于对所述导线的爬行以及对所述旋转除冰装置的旋转进行控制。
该机器人不仅适用于单导线除冰更适用于多分裂导线的除冰，该机器人通过传感器感测障障碍物并实施有效避让措施，尤其适合在诸多障碍的多分裂导线上作长距离自主爬行。
7.4高压输电线路导线除冰方法与装置（申请人国网北京电力建设研究院，公开日2008.10.14）
该除冰装置包括：
由燃料发动机驱动的导线行走机器人，所述的导线除冰装置还包括：
旋转除冰装置，安装于所述导线行走机器人，用于利用旋转敲击力去除导线上的覆冰；
动力装置与所述旋转除冰装置相耦合，用于驱动所述旋转除冰装置选装；
控制装置，用于控制所述导线行走机器人的移动以及所述动力装置的运转。
本发明的高压线路导线除冰装置在导线行走机器人上安装旋转敲击棒、震动冲击锥以及刮冰铲，由这三个除冰装置同时工作，通过横向敲击、轴向冲击、轴向挤压有效的将导线上的覆冰去除。
7.5电力设施的微波除冰装置和除冰方法（申请人中国科学院电工研究所，公开日2009.7.8）
该机器人由移动装置、微波辐射融冰器和微波电极切冰刀组成。
该装置的除冰方法采用微波辐射融冰和微波电极切冰两种模式，通过两种模式的有机结合和相互配合，应对不同的覆冰状态，对电力设施覆冰绝缘子进行除冰。
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