梁显涛 廖梓杰 林俞先 李 谨

(天津农学院工程技术学院，天津 300384)

高压输电线路覆冰灾害一直困扰我国的电力部门。2008年初，广西、浙江、湖南、湖北、云南、江西、贵州等13个省市遭到了十分严重的冰雪冻雨凝冻灾害，南方电网、国家电网直接经济损失分别达到了150亿元和104.5亿元[1]。因此，减少高压线覆冰，保障电力输送安全可靠高效的措施刻不容缓。

高压线上的覆冰和积雪会使得其电气和机械性能急剧下降，比如引起绝缘子覆冰闪络、导线舞动线、导地线断裂、电力通信中断和倒塔等多种严重的事故。近年来，全球气候变暖影响越来越大，天气变化反复无常，因电线覆冰引发的事故也越来越频繁，冰灾对高压输电线路安全的影响更加显著，因此，如何清除高压电线的覆冰具有重要意义[2]。

高压线在通电的情况下，由于电线本身就有电阻的特性，它会发出热量，虽然这个热量很小，但是对于融化一枚雪花还是能做到的，融化了的雪花会变成水，粘在高压线上。在下雪极大的情况下，高压线发出的热量，不足以把挂在它身上的雪花全部融化，而是把开始的雪花融化成了水，后边的只能融化成冰，最后边是冰上挂着一层雪，高压线还在持续发出热量，就这样的循环，使电线外边的冰雪会越积越多，电线也会变得越来越粗。高压线上的冰雪结冰到一定的程度，危害很大，轻的电线压弯，重的电线压断，或电线杆折断。

随着科学的进步，人们生活水平的提高。一些以前需要人力来完成的工作可以靠机器来完成，同样，一些高危的工作同样可以由机器人来代替。现在机械设备的发展十分迅速，功能不断增多的同时，能操作的工作也越来越复杂。因此本研究在结合以上不足后决定制作一个改良的除冰装置。本装置在制作初期也查阅了许多资料，才有了制作这个装置的雏形。首先除冰装置是基于一个巡检装置上设计的，该装置可以在高压沿线上来回走动，检测是否发生漏电或有杂物的情况，还可以实时监控附近的天气情况，做出预警和反馈；其次，除冰部分是可拆卸的部分，根据不同的情况可进行拆装，而且与一般的除冰设备不同的是本装置采用了除冰刀来除冰，通过高速旋转的除冰刀来破除冰雪，保证沿线没有结冰覆盖；还采用了可移动充电桩来保证其电量充足，充电桩采用太阳能充电，不用人工频繁地给其输送电能，这样能保证装置的实用性和提高可行性。

除冰刀的设计灵感来源于豆浆机的刀片，通过刀片的高速旋转来破开附在电线上的冰块，使其掉落；该方法简单有效，配合巡检机器人十分方便；为了与巡检部分的造型功能相符合，本研究针对此来设计一种特制的除冰刀：该除冰刀有4片刀片，刀口呈锯齿状、刀尖略向上弯曲，中间中空，呈圆环状，可以使高压线通过；由于除冰刀是需要拆卸的，故将其分成相等的2部分，并在分开处两边各加上一个凸起的半圆和凹陷的半圆(如图10)，使其在安装时能够互相契合，固定位置。除冰刀的“圆环”往后延伸，中间设计一条凹槽是为了将固定将除冰刀固定在除冰设备上，前半部分在设备外部，后半部分在内部，并且做了一个设计，将一部分曲面改为平面，样可以将两半的除冰刀卡住，并起到固定的作用。将两半除冰刀固定可以用一个齿轮将其固定，齿轮是特制的与除冰刀结构相契合的，齿轮在设备内部与电机相连，为除冰刀提供动力支持。

为了确保除冰刀的高效运行，需计算出除冰刀的切削力，从而选定适合的材料制作除冰刀[3]。按照预期实现的功能，预期破冰前进速度为1m/min，破冰的厚度为30mm，4片刀片每片的与冰的接触面积为66mm2，厚度为5mm。假设除冰刀工作环境温度为-10℃，则覆冰的抗拉强度δb=1.5MPa，抗剪强度τb=δb/1.64=0.92MPa。

当刀片覆冰的接触面积达到最大时，每个刀片的切割面积为15mm2。此时单块刀片对覆冰的剪切力为Fτ=τbAτ=0.92*106*5*10-6=13.8N，总剪切力为Fτ总=Fτ*4=4.6*4=55.2N。

当除冰刀切割覆冰时每个刀片对冰的挤压力为：Fδ=δbAδ=1.5*106*66*10-6=99N，总的挤压力为Fδ总=4Fδ=4*9.9=396N。

为了保证除冰装置的动力、对其进行精准的控制，应采用步进电机对其进行控制。步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步；作为一种控制用的特种电机，步进电机无法直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源：因此除冰刀采用DRV8825芯片作为步进电机的驱动芯片。该芯片为除冰装置的自动化提供了一个电机驱动的方案。其的内部输出驱动模块最高速可达三十二分之一微步，输出电压为12伏，其工作状态的峰值电压在25℃的时候达到2.5A。200mΩ的电阻通过ISENA/ISENB两个引脚来保证该芯片具有良好耐热性，可以保证芯片使用时的稳定。该芯片还具有专门的休眠模式，通过nSLEEP引脚来设置，该模式可以让芯片尽可能地处于低能耗的状态，由于除冰部分并不是经常使用，因此此功能能减轻电源带来的负担。同时该芯片内部还能通过nFAULT引脚来实现实时监控芯片的状态，为芯片提供短路保护、过流保护、过温保护以及欠压锁定等，进而保护电机与芯片[4]。