输电线路除冰机器人除冰机构设计

第一章 绪言1.1引言2008年1月，郴州市出现了连续近一个月的低温雨雪冰冻天气，遭受了历史罕见的冰雪灾害。国家减灾委员会专家已定性为：“郴州发生的这次冰雪灾害，是世界上一次大面积、极端性气候事件，是江南地区持续时间最长的一次雨雪冰冻过程，影响地区的人口之多是世界罕见的”。这次郴州冰灾造成中心城区正值春节期间停电、停水10多天，个别地方达到20多天，交通、通讯、电视均出现不同程度的中断，成为了一座与外界隔绝的“孤城”。郴州成为我国南方冰雪灾害最严重的地区之一。特别是电力系统遭受毁灭性重创，冰灾引起了倒塔,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2060mm,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。专家解说，高压线高高的钢塔在下雪天时，可以承受2-3倍的重量。但如果下雨凇，可能会承受10-20倍的电线重量。电线结冰，遇冷收缩，风吹引起震荡，就使电线不胜重荷而断裂。随着我国经济的高速发展，超高压大容量输电线路越建越多，线路走廊穿越的地理环境更加复杂，如经过大面积的水库、湖泊和崇山峻岭，给线路维护带来很多困难而且在严冬及初春季节，我国云贵高原、川陕一带及两湖地区常出现雾凇和雨凇现象，造成架空输电线路覆冰，使线路舞动、闪络、烧伤，甚至断线倒杆，使电网结构遭到破坏，安全运行受到严重威胁在紧急情况下，寻道员用带电操作杆或其它类似的绝缘棒只能为很少的一部分覆冰线路除冰，人工除冰有很高的危险性。在国外，一些国家的地理与气候情况与我国相似，甚至一些国家的情况更加恶劣，为了保证电力系统的可靠性，提高高压输电线除冰的效率，减少损失，维护工人的安全，开发一种可以替代或部分替代工人进行除冰作业的新型设备一直是国内外相关研究的热点因此，研制安全有效的除冰机械以代替人进行导线除冰具有较好的应用前景和实用意义。电动机除冰装置的示意图和实际工作图1.2湖南省2008年冰灾的电网分析全球气候正经历以变暖为主要特征的变化，气候变暖导致“厄尔尼诺”和“拉尼娜”等极端天气气候事件的频率与强度明显增加，输电线路所处地质条件复杂，容易遭受冰灾等极端天气的影响，目前国内外对已多次发生的输电线路冰灾事故进行了相关的研究。2008年年初袭击湖南的持续低温、雨雪、冰冻天气过程来I临之前，湖南温度偏高、空气干燥。湖南东、南、西部三面环山，向中部、北部过渡为丘陵和平地，冷空气袭击湖南后，湖南降温迅速，冷暖空气交汇形成的锋面逆温强度大，加上湖南北低南高的地势使逆温层得以加强，地势陡增处南下冷空气因推进受阻而徘徊驻留，随着暖湿气流不断补充，易形成长时间降雨、冰冻，形成持续的雨凇。由于降温迅速，湘西高海拔山区和纬度较高的湘北地区地表气温低，但降水主要集中在湘南、湘中、湘东，且停留时间较长，导致湘南、湘中、湘东冰冻灾害强于湘北和湘西高海拔山区。湖南电网冰冻灾害是在大尺度天气形势控制下形成的，拉尼娜现象起到推波助浪的作用，冰冻灾害受损范围与程度具有较强的微地形影响特征。长时间的低温(05)、降水过程为覆冰提供了适宜条件。2008年初，受冷暖空气共同影响，湖南从01-1102-07，共出现4次明显的雨雪天气过程，这次持续时间长的冻雨和冰冻天气给湖南电网带来了灾难性的影响。湖南省电力公司500 kV线路33条有14条线路倒塔182基，变形75基，导线断线或受损159处，地线断线或受损322处；220 kV有44条线路倒塔679基，110 kV有121条倒塔1864基；35 kV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220 kV输电线路的受损情况，发现倒塔线路覆冰厚度主要集中在2060 mm，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49794983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500 kV线路新增和改造杆塔共142基，220 kV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500 kV杆塔未发生倒塌现象，220 kV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0.260.6 g/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0.10.5 g/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120m。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420m/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9041002航空标准除冰法除冰实验400443融冰（1mm）除冰理论301334射频+铲刮除冰实验305345加热法防冰实验180206红外线除冰实验170197激光+铲刮除冰实验120138形记合金除冰理论7289气动脉冲（50Ls）除冰实验6.80.7510电磁脉冲除冰实验2.30.2511气动低环除冰理论0.90.0612铲刮除冰理论0.20.0213碰撞试验除冰实验0.0110.001214牵引试验除冰实验0.0070.00069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“ad hoc”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(icing rolling)，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Donaldson、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(ElectroImpulse DeIcing，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Serge Montambault等人2000年开始研制的HQ lineROVer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D25 mm；(2)小车自重m20 kg；(3)电机功率降12 W，电压如12 V；(4)小车行走速度y=026 ms。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。第八章 除冰机构专利8.1三机械臂架空线除冰机器人多功能夹持机构（申请人湖南大学，公开日期2009.11.4）该机构安装于三机械臂架空线除冰机器人的机械手臂上，其特征在于，为左右开合结构，分为左半部和右半部，左半部和右半部结构对称，左半部和右半部都包括支撑架、驱动轮、挂线滚轮和用于侧面夹持架空线并除冰的外表面具有凸棱的出兵滚筒；所述的驱动轮和挂线轮均安装在支撑架的上端；除冰滚筒安装在支撑架内侧。所述的多功能夹持机构还包括用于锁住架空线的锁死机构。该机构能稳定悬挂在输电线上，能在动力的驱动下在输电线上行走，而且能在行进过程中实现除冰。8.2一种除冰机器人的挂线驱动机构（申请人湖南大学，公开日2009.11.4）此机构由主动齿轮，从动齿轮，张紧轮，过桥轮，电动推杆等组成。主驱动电机带动主齿轮，主齿轮带动正下方的一个从动轮，从动轮带动两个过桥齿轮来驱动另外的两个从动轮，从而实现机器人的驱动力；下面的电动推杆向上运动，推动固定四张紧轮的支架从而使得输电线夹在动齿轮和张紧轮之间。该机构使用一个驱动电机就可以实现机器人的行走，而挂线的电动推杆方便了操作员的机器人挂线和下线工作。8.3一种导线可越障机器人行走装置（申请人中国电力科学研究院，公开日2009.11.11）该装置采用双臂三关节轮式结构，越障时采用轮以保证行驶速度，包括前行轮1、后行轮2、前压紧轮3、后压紧轮4、前行走臂5、后行走臂6、前压紧轮7、后压紧轮8、四个前电机9、四个后电机10、前关节臂11、后关节臂12和本体13。本机器人行走装置可以跨越典型导线障碍如防震锤、压接管、间隔棒、悬垂线夹等，可作为高压输电线路巡线机器人以及导线除冰机器人行走装置。该平台较为简单，控制方式方便简单，控制精度要求低，行走及越障速度较快。8.4一种架空线除冰机器人的制动机构（申请人湖南大学，公开日2009.11.4）该装置安装在架空线除冰机器人机体上，其特征在于，包括用于架空线的夹具、用于夹具复位的回位弹簧、用于驱动夹具阿德电动推杆；夹具一端的内表面为与架空线外侧弧面，另一端与所述的电动推杆连接，所述的回位弹簧安装在所述的夹具的端部。所述的夹具宝库夹具安装杆和安装在夹具安装杆上两个夹片，所述的夹具安装杆固定在诉述的架空线除冰机器人集体上，所述的回位弹簧的两端分别安装在所述的两个夹片上。该发明的制动机构能够增加接触面的摩擦力，从而解决行走机构的打滑问题。在机器人冲击除冰使，也可以获得更大的冲击力。8.5架空线除冰机器人的除冰机构（申请人湖南大学，公开日2009.11.4）该装置安装于架空线除冰机器人的前端，其特征在于，在所述的除冰机构的前端设有冰刀底座，在所述的除冰底座上安装有用于在架空线除冰机器人推进过程中进行除冰的组合冰刀。所述的架空线除冰机器人的除冰机构还包括破冰锥套、安装于破冰锥套内的可伸缩的破冰锥、破冰锥底座、凸轮、弹簧和破冰电机。该除冰机构i结构简单、实用、安装、拆卸和更换都很方便，可以适用于不同覆冰程度的架空线，除冰效果好。第九章 综合设计除冰机器人9.1除冰机器人总装示意图：1. 除冰滚刀2. 滚刀支架3. 破冰盾4. 破冰盾支架5. 破冰锥6. 破冰锥预紧螺栓7. 破冰锥套8. 推杆突起9. 破冰锥推杆连接10. 凸轮11. 电磁感应耦合电源装置12. 破冰电机13. 冰层厚度测量装置14. 输电线15. 行走装置和夹紧装置16. 控制装置9.2除冰机器人结构和步骤： 此除冰机构安装于除冰机器人前端，在所述除冰机构前端设有冰刀底座，在所述的冰刀底座上安装有用于在架空线除冰机器人推进过程中进行除冰的组合冰刀。除冰机器人的行走装置和冰层厚度测量装置采用国家863项目巡线机器人装置。除冰机器人的夹紧装置和电磁感应耦合电源装置采用湖南大学除冰机器人专利。除冰机构的除冰步骤：通过电磁感应耦合电源装置11获取电力能源，通过冰层厚度测量装置13测量，无冰时可以给行走和夹紧装置15供电，有冰时可以同时给破冰电机12供电。破冰电机12将运动传动到凸轮10和除冰滚刀1，架空导线上方凸轮10推动推杆突起8在弹簧6的作用下往返运动，带动除冰锥5进行除冰，由除冰锥5的形状可以在架空导线覆冰层上方凿出一条冰缝，然后由破冰盾3切入冰缝进行除冰；架空导线下方除冰滚刀1旋转方向获得将冰层向下拖拽的切向力，由于滚刀1遭遇冰层在破冰锥5和破冰盾3除冰后，除冰效率而得以提升。9.3除冰机器人各组装模块:除冰锥电磁感应耦合电源装置（专利申请号200810190600.3，湖南大学）夹紧装置（专利申请号200810043577.X，湖南大学）控制装置（LEGO 机器人控制系统甘辰予 陈劲生）行走装置和测量装置（国家“十五”863计划资助项目2005A420006-1）9.4，除冰机器人复合除冰：通过除冰方法和国内外冰方法的研究中，其中微波除冰在道路除冰中有较长的历史，而且比较成熟，根据机械除冰不够彻底，容易引起覆冰再次形成，而微波除冰可以弥补这点，提高除冰效率。微波除冰的原理：冰层基本不吸收微波，所以微波可以穿过冰层，加热沥青路面。路面吸收微波，温度升高，热量传递给冰层，首先融化冰与路面结合处的冰层。降低冰层与路面的结合力：然后，再用机械装置破碎冰层，便能轻松实现道路快速除冰. 详细理论可以参照论文微波除冰国内外研究现状微波除冰系统框框图理想除冰机构设计模型破冰锥破冰盾结 论“输电线路除冰机器人除冰机构设计”介绍了除冰原理，除冰方法，除冰机器人，除冰机构，并综合各功能模块设计高效除冰机器人，并在除冰机构上进行除冰。通过总结国内的巡线机器人，除冰机器人专利和除冰机构专利，在老师的指导开始选择了复合式除冰的方法提高除冰的效率，通过对国内外近30种的除冰方式的选择，选着了调节合适的微波和在导线上涂抹吸热材料，打到高效除冰的方案，并同时设计了一个机械复合式的方法除冰。在对覆冰导线带来的严重后果，通过2008年的冰灾让我们认识到了除冰机器人研制的重要性，希望我的设计能在输电线路除冰上面有一份贡献。在本次设计中，一方面我自己做了大量的努力；另一方面也得到了各位指导老师的大力帮助，这才使得我的设计能够按时完成。可以肯定的是，本次设计中由于本人的知识层次及设计经验不足，难免会有一些不足之处，恳请各位老师批评指正！致谢将近两个月的毕业设计就这样伴随着我们的大学毕业而完成了，在这段值得珍藏的岁月里，我在我的指导老师张高峰老师的带领下，从开始的不知所措，到一步步的进入设计状态：收集资料，查信息，图纸绘制，直至说明书的完成及后期检查。通过本次毕业设计，不仅使我系统的学习和应用了以前的知识，而且也锻炼了自己独立动手思考的能力。同时我也得到了我们机械工程学院老师的无私指导，在此我深表感谢。我们的老师“授我们以渔”，而且在设计当中教导我们做人如做事一样，要踏塌实实，来不得马虎取巧。我会记住这次设计，以后努力的工作，为母校争光!参考文献1张屹，邵威，高虹亮，罗成. 高压输电线路除冰机器人的机构设计J.三学大学学报，2008.12，Vol.30 No.6：P69-72.2高虹亮，孟遂民，罗成，马小强.架空输电线路除冰机器人的结构设计J.电力建设，2009.3，Vol.30 No.3：P93-96.3甘辰予，陈劲生.LEGO 智能除冰机器人的设计J.大众科技，2009.10，No.10.4蒋正龙，陆佳政，雷红才，黄福勇. 湖南2008年冰灾引起的倒塔原因分析J.高电压技术，2008.11，Vol.34 No.11：P2468-2474.5 吴功平，肖晓晖，肖华，戴锦春，鲍务均，胡杰. 架空高压输电线路巡线机器人样机研制J.电力系统自动化，2006.7.10，Vol.30 No.13：P90-107.6 张运楚，梁自泽，谭民. 架空电力线路巡线机器人的研究综述J.机器人，2004.9，Vol.26 No.5:P467-473.7 许源 刘人玮 李军. 湖南电网防冻融冰体系改革之探讨J.2003,Vol.23 No.5:P24-27.8 李红旗，陈志高，于钦刚，李翔，陈懿夫. 输电线路机械除冰技术研究J.自然灾害对电力设施的影响与应对研讨会2008.5,Vol.23 No.5:P24-279 李宁，周羽生，邝江华，彭琢. 输电线路除冰技术的研究J. 防灾科技学院学报,2008.9, V0110 No3:P33-37.10Serge Jourden. Deleer Installation at Lrvis Substation on Hydro Qurbecs High Voltage SystemJ.SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY，20099，Vol.3 No.1：P1-6.11濮良贵，纪名刚. 机械设计M. 北京:高等教育出版社，2002. 12 张红先，李波，方针. 2008年湖南电网冰灾中技术措施的应用效果分析J. 湖南电力,2008,Vol.3 No.3:P10-1613周良德，朱泗芳. 现代工程图学M. 湖南科学技术出版社，2002.14濮良贵 ,纪明刚. 机械设计M. 北京：高等教育出版社，2006.15 杜蕴莹，邢军，王澄，叶勇，严行健. 南方覆冰灾害造成输电线路倒塔原因及策略的研究J. 江苏电机工程，2008.11,Vol.27 No.6:P14-17.16 李庆峰，苑峥，吴穹，高剑，宿志一，周文俊. 全国输电线路覆冰情况调研及事故分析J. 电网技术，2008.5,Vol.32 No.9:P33-36.17 陆佳政。张红先，李波，方针. 2008年湖南电网冰灾中技术措施的应用效果分析J. 湖南电力，2008,Vol.28 No.3:P10-16.18 何清，阮羚. 输电线路除(融)冰新技术分析及实施可行性研究J. 湖北电力2008.4, Vol.32 No.2:P42-44.19 马一民,白雪松. 浅谈输电线路除冰方法，R.报告地:北京，报告会主办单位：国网北京电力建设研究院，2008.5.20 许树楷，赵杰. 电网冰灾案例及抗冰融冰技术综述J. 南方电网技2008.4, Vol.2 No.2:P1-6.附录1魁北克水电公司高压电网Levis变电站的融冰装置Serge Jourden(阿海珐榆配电(中国)公司电力电子一高压直流和柔性输电，北京100020)文摘:魁北克水电公司Levis变电站的融冰装置是一项独特的研发成果。设计成可对输电网提供两种截然不同的功能。在一种运行模式下，它是一台高压直流输电整流器，给从这个变电站引出的735 kv和315 kV线路提供高达7200A的直流电以融掉这些线路上的覆冰。该融冰装置产生的174 kV直流电压可在输电线路不同相之间通过线路开关依次切换。毕竟冰暴是偶发事件，这套装置在其余大部分时间内将以另一种模式，即配置成为一台静止无功补偿器运行给735 kv输电线路提供+250 Mvar-125 Mvar的动态无功支持。实现这两种模式转换所需的时间不到1小时。关键词：高压直流输电；柔性交流输电系统；静止无功补偿器；晶闸管控制电抗器；晶闸管投切电容器：冰暴1998年1月，魁北克电网遭受异常大和持久的暴风雪袭击，相对于这种极端天气事件造成如此程度的破坏，证明了输电线路的脆弱性，为了持续性供电，魁北克公司决定提高位于结冰区域的变电站的输送线路的安全，以确保至少有一输送路线。电力装置要求能在735KV的线路上提供高电流，从而达到融冰的温度。不同的数据显示，Levis变电站所处的输电线路是展开首次融冰试验的最佳地点。因为连接Levis和Riviere-du-loup两个变电站的564km的线路上有4条735kv的中心网络和1条315kv双回路可以用这种装置除冰。这是一个非常灵活的电力装置，可作为高压直流电融冰的静止无功补偿器成为了可能。除了大部分时间提供额外动态补偿的散装系统外，这中操作模式还有助于保持设备的有效性，从而确保其在有效的电动补偿的也能切刀融冰的模式。在范围为250 Mvar到-125 Mvar的功率补偿装置将允许转换能力提高到通路的300Mv.但是，魁北克水电公司所要求的这种装置现在在市面上还买不到而且有待研究。1 技术解决方案在融冰装置趋近于主要设计参数的确定融冰装置是除冰能力。换句话说,交流电压的转换器是由直流电压时的最大的无功功率需求是由相同的方式运作。融冰装置转换器需交付7200直流电压的最大1740千伏直流给予的支持率为250兆瓦的环境温度低于- 5,10%的连续负载电流(一)和7920除某些线,一个临时过压20.8千伏直流是必需的。设备由两个转换器和直流边并联在一起。这样的额定电流变换器3600直流变流器及两者连接在43千伏有效值的交流,后者学报连接转换器,以前有一个绕组的系统,在43千伏转换器是连接在6脉冲配置。在短暂的融冰线,在低电压转换器运营,他们一起工作,所以不寻常的发射角度共计330 Mvar反应的支持已经被提供满足系统的无功功率范围指定的动态范围为静止无功补偿器是+225Mvar /-115Mvar结果在标称对象310千伏特的电压融冰装置。利用作为一个静止无功补偿器可以在一个号码的方式解释,在常规操作,转换器是一个背靠背的配置或短暂吸收一些无功功率产生的谐波过滤器,这导致高亏损,因为转换器是运行于发射角度给予高损耗和电路可以包括直流电抗器,增加了损失。自从资金的损失为代表的范围75 Mvar相当比例的总成本,一种全新的方式配置融冰电路作为一个静止无功补偿器孕育。部分的转换器阀放置作为一个单元,通过连接两个模块的每一阶段的四个在转炉的逆平行结构,剩下的一半给双向条件的转换器是外部阻塞和接地端和第二转换器的阀门。晶闸管控制电抗器断开连接在一起,两台交流反应堆来形成一个单元,这是连接到一个20千伏特的母线。这是母线从三绕组变压器下来。减少设备总输出无功功率. 静止无功补偿器的过滤器是由43kV公共除冰装置.到20千伏特的汽车在静止无功补偿器模式。一些无功功率的支持对于模式的20kV总线连接的占有率。因此,在经营范围内的损失是评价(静止无功补偿器)来减少晶闸管投切电容器被识别。在融冰装置中，转换器和谐波过滤器是连接到43千伏总线和晶闸管投切电容器是连接到20个主要设备。在静止无功补偿器模式。一个谐波过滤器被连接到20千伏特的总线与变频器在配置从一个模式则痛到另一个是由操作一系列切断与自动控制,两者在交流和直流后者允许这个过程要说明一小时,然而,只有几分钟的路程。图1 单线除冰简图图1显示单一线图表,减少无功功率电路产生的滤波器在静止无功补偿器模式之一,谐波滤波器高通连接转换器总线.这些总线连接到43千伏公共融冰模式。所以滤波器,并在55Mvar 产生静止无功补偿器趋近于连接转换器20千伏特的总线时,产生l2Mvar.在过滤的其他高通滤波连接到43千伏总线通过断开,以致于静止无功补偿器模式是断开连接。它是在融冰模式中.两个切断电路产生的变形和识别阀门的阀之间联系的两个不同的交流耦合反应器中趋近于第二阶段(静止无功补偿器转换器是断开的模式中。(静止无功补偿器)2设计研究在此过程中,大量的研究进行了探讨,主要类别下面。它应该注意的是,不寻常的是,研究必须重复涵盖了两种模式,即静止无功补偿器模式和融冰装置模式,并指定的性能要求,已经成为了两模式。2.1主计划参数两组进行的研究,确定了项目的主要参数的形成融冰装置.在一些案例中,两种不同的级别被分配到相同的设备,使两种环境温度较高的最大值(+ 40)静止无功补偿器的方式比融冰装置模式(+ 10)或在融冰装置测试模式(+ 30)、AC耦合反应堆被用作识别核反应堆,所以他们的额定电压静止无功补偿器模式必须既适用于模式。2.3谐波滤波性能和评级所产生的谐波电流变换器在融冰装置模式是大于静止无功补偿器模式,这样AC谐波过滤器必须满足性能为最坏的情况下,结合当代存在谐波的系统必须满足直流谐波滤波器的性能,在不同的配置l3迥异的线路长度和阻抗。在一些病例中,融冰路线是在相同的走廊线在正常刷卡所以60赫兹感应管委会接痕入直流电缆不得不考虑设计的直流滤波器2.4绝缘配合一个绝缘研究来确定绝缘的间隙和（材料、金属等的）蠕变整个融冰装置.为了迎合结冰条件、户外设备应用以增强BIL.指定和电气间隙和爬电相配。2.5的动态性能大量的研究进行了检查有配偶的变化对步目标(静止无功补偿器)电压为一系列系统短路水平,保证指定的反应速度是其特征算法进行检查,确保正确的斜坡是达到了5千1路总线,与电压测量的行为的私立千伏总线控制进行了欠电压和过电压。在融冰模式控制回路稳定性检查以及开关,在正确的直流等级。晶闸管投切电容器在缺乏偏差的操作要点超越极限,稳定状态的准确性,所有I/ O.没有冗余控制(转换断层活动),并没有被控制系统设备被报道在电子干扰的环境测试。除了按照IEC的调查结果证实了对控制操作并不发生。没有控制失败是允许由于热应力或潮湿的环境中静态和动态性能进行了验证第一个发展隔间连接到一个实时模拟位于厂商进行控制系统执行同样的程序代码作为真正控制系统/融冰装置(静止无功补偿器)安装包括识别和暗影/ 融冰装置发射脉冲单位、2额外的硬件和软件来模拟输入所需的植物和模拟分站系统总线开关监测。静态和动态测试计划包含下列事项:1)静态试验顺序控制与UCD融冰装置控制控制回路融冰特性(电压、权力和电阻)。莱恩转换控制平稳,VI曲线和无功电压控制功率控制开环控制莱恩转换特殊的控制功能(得到主管,电流限制器等)。谐波性能阀门的数据控制系统正常运作的缺点AC保护直流保护2)动态试验