基于可控電磁鐵的新型輸電線路無人機掛架研究

摘 要：針對“無人機+電動升降裝置”作業(yè)方式存在的掛設(shè)與摘取絕緣繩困難等問題，提出一種基于可控電磁鐵的新型輸電線路無人機掛架。將無人機掛架與電磁鐵相結(jié)合，在操作無人機掛設(shè)與摘取絕緣繩時，遠程操控電磁鐵的磁性，提高作業(yè)的速度與精準度。在某±800 kV直流輸電線路上，針對“無人機+電動升降裝置”的作業(yè)方式，對掛設(shè)與摘取絕緣繩的過程進行重復(fù)實驗。結(jié)果表明，基于可控電磁鐵的新型輸電線路無人機掛架提高了掛設(shè)與摘取絕緣繩的速度與精準度，有效提高了作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：電磁鐵；輸電線路；無人機；掛架

中圖分類號：TM755" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）04-0074-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.04.018

0" " 引言

近年來，我國經(jīng)濟快速發(fā)展導(dǎo)致電力需求持續(xù)上升，輸電線路作為電力系統(tǒng)中不可或缺的一環(huán)承擔(dān)電能傳輸?shù)娜蝿?wù)，因而愈發(fā)顯得重要，于是輸電線路的停電檢修與帶電作業(yè)也越來越關(guān)鍵。然而，傳統(tǒng)的作業(yè)方式過度依賴人工，不僅效率低下，還存在較大的安全隱患[1-2]，亟須改進與升級。近年來，無人機技術(shù)快速發(fā)展，無人機以其高效、靈活、安全的特點，逐漸在輸電線路停電檢修和帶電作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，為輸電線路作業(yè)提供了新的解決方案[3-6]。尤其是“無人機+小飛人（電動升降裝置）”的作業(yè)方式[7]，實現(xiàn)了繩索掛設(shè)、作業(yè)人員自由起降的機械自動化，避免了人員攀登桿塔、攀爬軟梯登高的煩瑣的作業(yè)程序，降低了作業(yè)風(fēng)險，提高了作業(yè)效率[8]。

文獻[8]在超、特高壓輸電線路帶電作業(yè)中引入“無人機+小飛人”的作業(yè)方式，并多次在750 kV輸電線路成功實踐。它實現(xiàn)了超、特高壓輸電線路帶電作業(yè)的自動化，顯著減少了人力需求，同時確保了快速、安全、高效地完成帶電搶修。而且其不受塔型和地形限制，有效解決了緊縮型鐵塔及大跨越地段進入強電場的難題。文獻[9]采用“無人機+小飛人”的作業(yè)方式進行500 kV緊湊型桿塔的帶電作業(yè)，有效解決了傳統(tǒng)“軟梯”等電位作業(yè)法無法適用于緊湊型線路的問題，大幅減輕了作業(yè)人員的體力負擔(dān)，并切實提升了作業(yè)效率。

“無人機+電動升降裝置”的作業(yè)方式，即無人機飛手操作無人機先掛設(shè)攜帶絕緣防墜繩的掛架在導(dǎo)線上，再掛設(shè)攜帶絕緣升降繩的掛架，之后作業(yè)人員可以乘坐電動升降裝置進行作業(yè)，待作業(yè)完成后，再次操作無人機將各個掛架摘取下來。目前，在掛架的掛設(shè)與摘取過程中，由于導(dǎo)線距離地面較遠，存在著掛架掛設(shè)與摘取困難、對無人機飛手操作要求高、對現(xiàn)場實時天氣條件要求高等缺點。

為克服以上缺點，本文提出了一種基于可控電磁鐵的新型輸電線路無人機掛架，將電磁鐵和現(xiàn)有的無人機掛架相結(jié)合，通過控制電磁鐵磁性的有無，提高掛設(shè)與摘取絕緣繩的速度與精準度，有效提高了“無人機+電動升降裝置”的作業(yè)效率。

1" " 方法

1.1" " 無人機掛架

無人機掛架是連接無人機與絕緣繩（包括絕緣升降繩、絕緣防墜繩等）的重要部件，負責(zé)承載并固定這些繩索，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖2為操作無人機掛設(shè)絕緣繩。無人機通過裝載的掛環(huán)與掛架的傘形掛鉤連接，攜帶掛架與絕緣繩上升，無人機給傘形掛鉤一個向上的力，在重力作用下，掛架閉鎖裝置解開。掛住導(dǎo)線后，掛架受力至上側(cè)弧形溝槽位置，掛架掛牢導(dǎo)線，掛架閉鎖裝置自動鎖止，無人機攜帶掛環(huán)飛離。由于導(dǎo)線通常距離地面較高，掛環(huán)與掛架的傘形掛鉤連接及分離較為困難。

1.2" " 遠程控制的電磁鐵

電磁鐵是利用電流的磁效應(yīng)制成的裝置，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、智能家居和科學(xué)研究等領(lǐng)域。當(dāng)繞在鐵芯外側(cè)的線圈中有電流通過時，會在線圈周圍產(chǎn)生磁場，從而使鐵芯磁化，產(chǎn)生磁性。在回路中加入紅外繼電器，可以實現(xiàn)電流通斷的遠程控制，繼而實現(xiàn)對電磁鐵磁性的控制。帶遠程控制的電磁鐵結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.3" " 基于可控電磁鐵的新型輸電線路無人機掛架

通過電磁鐵和現(xiàn)有的無人機掛架相結(jié)合，本文提出一種基于可控電磁鐵的新型輸電線路無人機掛架。

在無人機的傘形掛鉤內(nèi)側(cè)裝設(shè)“移動電源—紅外繼電器—電磁鐵”回路，通過遙控器控制紅外繼電器可以遠程控制回路的通斷，繼而控制電磁鐵的磁性?！皰旒?電磁鐵回路”結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

在掛架的掛環(huán)上放置鐵塊。當(dāng)無人機掛環(huán)與掛架臨近時，遠程控制電磁鐵通電，產(chǎn)生磁性，吸附掛環(huán)上的鐵塊，提高無人機掛環(huán)與掛架連接的成功率。分離無人機掛環(huán)與掛架時，則控制電磁鐵斷電，使兩者相互分離。

2" " 驗證

2.1" " 實驗設(shè)備

基于可控電磁鐵的新型輸電線路無人機掛架設(shè)計如圖5所示，其中電磁鐵固定在掛架的傘形掛鉤內(nèi)側(cè)，鐵塊固定在掛環(huán)上。

絕緣繩捆綁在無人機掛架的絕緣繩掛鉤上，“無人機+電動升降裝置”作業(yè)中掛設(shè)與摘取絕緣繩的過程如下。

1）掛設(shè)絕緣繩：無人機通過裝載的掛環(huán)與掛架的傘形掛鉤連接，絕緣繩與掛架的絕緣繩掛鉤連接。此時控制電磁鐵帶有磁性，吸附鐵塊。無人機飛手操控?zé)o人機攜帶絕緣繩上升，觀察無人機掛架和導(dǎo)線的位置，緩慢操控直至掛架掛牢導(dǎo)線，掛架閉鎖裝置自動鎖止。然后遠程遙控除去電磁鐵的磁性，再操控?zé)o人機使其掛環(huán)與掛架脫離。

2）摘取絕緣繩：無人機飛手操控?zé)o人機使裝載的掛環(huán)與導(dǎo)線上的掛架靠近，此時遠程遙控使電磁鐵產(chǎn)生磁性，吸附鐵塊，無人機掛環(huán)和掛架相互吸引后掛牢。無人機上升，將掛架從導(dǎo)線上帶離。再控制無人機攜帶掛架飛至地面，將絕緣繩從掛架的絕緣繩掛鉤上取下。

無人機采用大疆M350 RTK，是一款集高度穩(wěn)定飛行、厘米級精確定位、全方位智能避障及強大負載能力于一體的先進無人機，適用于測繪、電氣、建筑等多個領(lǐng)域，如圖6所示。

2.2" " 實驗驗證與結(jié)果分析

在某±800 kV直流輸電線路上，針對“無人機+電動升降裝置”的作業(yè)方式，無人機飛手操作無人機掛設(shè)絕緣繩，待作業(yè)完成后再操作無人機摘取絕緣繩[10]。對掛設(shè)絕緣繩與摘取絕緣繩的過程進行10輪重復(fù)實驗，每輪實驗反復(fù)進行掛設(shè)或摘取，直至成功為止。將其與常規(guī)不帶電磁鐵的掛架做對比實驗，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，本文設(shè)計的新型輸電線路無人機掛架顯著提高了掛設(shè)與摘取絕緣繩的速度和精準度，縮短了作業(yè)時間，有效提高了作業(yè)效率。

3" " 結(jié)束語

輸電線路的停電檢修和帶電作業(yè)對于維護電網(wǎng)“主動脈”安全穩(wěn)定運行十分重要，其中“無人機+電動升降裝置”的作業(yè)方式得到了廣泛應(yīng)用，本文設(shè)計的基于可控電磁鐵的新型輸電線路無人機掛架顯著提高了掛設(shè)與摘取絕緣繩的速度和精準度，縮短了作業(yè)時間，有效提高了作業(yè)效率。

[參考文獻]

[1] 徐浩，王成，吳煒.三點式線路停電檢修作業(yè)平臺的研制[J].電工電氣，2020（8）：60-63.

[2] 廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院.輸電線路帶電作業(yè)和停電檢修安全防護措施研究[Z]，2011-01-01.

[3] 王強.高壓輸電線路智能巡檢新技術(shù)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（27）：157-158

[4] 李敏，李捷，崔浩，等.輸電線路中的無人機自主巡檢技術(shù)應(yīng)用[J].集成電路應(yīng)用，2023，40（5）：144-145.

[5] 劉貴新，張貴濤，李旺.無人機圖像識別技術(shù)在架空輸電線路檢修中的應(yīng)用[J].智能物聯(lián)技術(shù)，2024，56（4）：115-118.

[6] 盧自強.輸電線路無人機巡檢技術(shù)在輸電通道巡檢中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2024（增刊2）：89-91.

[7] 吳二波，呂瀟，王軍，等.無人機在輸電線路帶電作業(yè)中的研究與應(yīng)用[J].農(nóng)村電氣化，2022（2）：22-24.

[8] 成保，謝煒，呂強，等.超、特高壓輸電線路帶電作業(yè)實現(xiàn)機械自動化——基于“無人機+小飛人”帶電作業(yè)新工法的研究[C]//探索科學(xué)2016年6月學(xué)術(shù)研討會議論文集，2016：62-63.

[9] 李冉，楊浩晨，倪天一.“無人機+小飛人”在500 kV緊湊型桿塔帶電作業(yè)中的應(yīng)用[J].農(nóng)村電氣化，2024（9）：7-9.

[10] 特高壓直流線路帶電作業(yè)技術(shù)導(dǎo)則：DL/T 1242—2022[S].

收稿日期：2024-11-06

作者簡介：郭江震（1993—），男，河南焦作人，碩士研究生，講師，從事輸電線路智能運檢、帶電作業(yè)培訓(xùn)工作。