輸電線路除冰雪專利技術(shù)分析

羅愛玲

摘 要：輸電線路覆冰雪作為一種常見的自然現(xiàn)象會對正常供電造成巨大的影響，引起輸電線路舞動、斷線、相間短路、跳閘、桿塔變形、倒塌、金具和絕緣子損壞等一系列問題，是威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行的最大自然災(zāi)害之一，文章基于CPRSABS和DWPI數(shù)據(jù)庫，檢索篩查國內(nèi)外有關(guān)架空線路除冰技術(shù)的專利申請，梳理了該領(lǐng)域除冰裝置的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，為今后輸電線路除冰雪的研究發(fā)展提供參考價值。

關(guān)鍵詞：除冰；輸電線路覆冰雪；專利分析

中圖分類號：TM75 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）09-0019-02

Abstract： As a common natural phenomenon， the ice and snow over transmission lines will have a great impact on the normal power supply. It causes a series of problems， such as transmission line galloping， wire breakage， interphase short circuit， tripping， pole tower deformation， collapse， hardware and insulator damage and so on， and it is one of the biggest natural disasters threatening the safe operation of power grid. Based on CPRSABS and DWPI database， this paper searched and screened patent applications of overhead line deicing technology at home and abroad， and sorted out the technical development of deicing device in this field. It provides reference value for the research and development of snow and ice removal of transmission lines in the future.

Keywords： deicing； ice-covered transmission line； patent analysis

1 概述

線路覆冰雪作為威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行的最大自然災(zāi)害之一，全球多個國家均受其影響遭到重創(chuàng)，其中典型事件有1998年魁北克省因線路覆冰雪造成轄區(qū)內(nèi)34%的電網(wǎng)被破壞，需重建電線桿16248根[1]；2008年，中國中、南部地區(qū)受雨雪天氣造成14個省區(qū)的電力災(zāi)難，致使約19%的500kV的輸電線路和343條22kV輸電線路遭到嚴(yán)重破壞[2]，據(jù)統(tǒng)計南方冰災(zāi)造成107人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失1111億元人民幣；因此，輸電線路除冰成為了世界范圍內(nèi)電力行業(yè)中的研究熱點(diǎn)，同時國外申請量分別在1998年之后和2008年之后有一定的驟增，我國則在2008年之后呈現(xiàn)井噴式增長。

在全球輸電線路除冰技術(shù)原創(chuàng)國和技術(shù)應(yīng)用目標(biāo)國中，中國均位列第一，表明我國對于輸電線路除冰技術(shù)有較大的應(yīng)用需求并掌握一定的技術(shù)實(shí)力；其次與我國地域相鄰、有著相似氣候特點(diǎn)的日本在技術(shù)原創(chuàng)國和技術(shù)應(yīng)用目標(biāo)國中位列第二；次之還有俄羅斯、美國、加拿大等國家；這表明全球多個國家在對輸電線路除冰技術(shù)進(jìn)行研究獨(dú)立創(chuàng)新的同時也相互保持著一定的交流和學(xué)習(xí)。

2 技術(shù)分類

目前，根據(jù)除冰機(jī)理，輸電線路除冰技術(shù)大體上分為三類：機(jī)械除冰、電熱除冰和其他除冰方法。機(jī)械除冰經(jīng)濟(jì)成本低，而除冰效率高，因而是多種除冰技術(shù)中專利申請量最多的一種，約有1005項；電熱除冰可以大面積的自動除冰，申請量僅次于機(jī)械除冰，約有924項；其他除冰約有400余項。

機(jī)械除冰法即借助機(jī)械外力進(jìn)行除冰，機(jī)械除冰法從早期效率低、安全性低的敲打冰（如鏟刮和強(qiáng)力震動等方式）經(jīng)過不斷演進(jìn)，相繼出現(xiàn)了除冰效率高且安全性高的電磁力振動除冰法和可沿線路行走的除冰機(jī)器人，上述兩種方法均無線上人員參與，有效防止了人體長期處于強(qiáng)電場中受到電磁輻射的侵害。電熱除冰即通過將電能轉(zhuǎn)化為熱能使輸電線路自身或附加熱源發(fā)熱實(shí)現(xiàn)除冰，是一種國際上應(yīng)用更為廣泛的除冰方法，除冰速度快、安全性高；2008年冰凍災(zāi)害中，電熱除冰得到了廣泛的應(yīng)用，只是該方法需要針對覆冰導(dǎo)線計算融冰電流的大小和工作時間。其他的除冰方法還有采用電暈放電、電子凍結(jié)等進(jìn)行除冰。

3 技術(shù)路線分析

本文采用人工閱讀篩選方式，通過對輸電線路除冰技術(shù)各個時期的專利和文獻(xiàn)進(jìn)行梳理和分析，選取21項重點(diǎn)專利，繪制出架空線纜除冰技術(shù)在不同時期的專利技術(shù)演進(jìn)路線。輸電線路除冰技術(shù)專利申請的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個重要發(fā)展階段：

第一階段（1977年以前）為技術(shù)探索起步階段，此時我國尚未有知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)體系和意識，主要專利申請均為國外申請，輸電線路除冰技術(shù)早期涉及到的技術(shù)手段主要是機(jī)械除冰，除冰效率較低，多需要人工參與，除冰裝置較為簡單，但當(dāng)時對于機(jī)械除冰的方式卻已有多樣性，具體細(xì)分也有振動除冰、滑輪鏟刮法和電脈沖除冰等；當(dāng)時以機(jī)械除冰為主的技術(shù)領(lǐng)域中，電脈沖除冰開辟出了提升除冰效率的新天地，但該方法并未得到推廣。

第二階段（1977年-1992年）為技術(shù)發(fā)展期，申請量明顯見長，與此同時，涉及的主要技術(shù)手段則從機(jī)械除冰轉(zhuǎn)為電熱除冰，另外開辟了采用LC磁熱線除冰的先河，當(dāng)時大量的研究成果表明LC磁熱線具有良好的磁穩(wěn)定性和可加工性、施工安裝方便、對運(yùn)行導(dǎo)線無損害[3]。具體電熱除冰有直流除冰、交流除冰等。初期的電熱除冰中，直流融冰占多數(shù)，且多采用單一的晶閘管形成整流電路，直流電源的穩(wěn)定性較差。同時穩(wěn)定性好、效率高的交流融冰技術(shù)受到廣泛的應(yīng)用，多個國家都對交流融冰有過一套完整的技術(shù)體系。其中湖南省從1955年開始研究交流融冰體系；而加拿大Manitoba Hydro在1990年進(jìn)行了三相短路融冰實(shí)驗[4]。

第三階段（1992年-2008年），此階段對于輸電線路除冰的研究逐漸趨于智能化和靈活性控制。國外率先開發(fā)了機(jī)器人除冰方法，可以實(shí)現(xiàn)自動行走、覆冰巡視、監(jiān)控采集和自動控制除冰等一系列的功能，使得除冰更為靈活可控。相對于第一階段的電脈沖除冰和磁熱線除冰，開辟出了電磁脈沖震動除冰，其包括至少一對導(dǎo)線，連接到電纜上并沿電纜呈螺旋纏繞各對導(dǎo)線的一端連接、相互電氣絕緣，通過脈沖發(fā)生裝置在導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生電磁脈沖，利用各對導(dǎo)線之間產(chǎn)生的推斥力震動導(dǎo)線進(jìn)而震碎附著在線纜上的冰。

第四階段（2008年至今），2008年對我國來說是輸電線路除冰的迅猛發(fā)展階段。成功研發(fā)出了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、適用于各電壓等級線路融冰的大功率直流融冰裝置，如2008年的專利CN101540491；2010年的專利CN101882774；2011年的專利和CN102255273；后續(xù)又不斷從融冰速度、減少能耗、改善整流電路等角度不斷對直流融冰技術(shù)進(jìn)行改善；同時也開始了除冰機(jī)器人的研究，有擊打式、沖擊式、銑削式、輪式越障、臂式越障、輪臂混合越障式、現(xiàn)場總線巡線監(jiān)控式等等，不斷向爬行越障能力強(qiáng)、能夠?qū)崟r監(jiān)控線纜狀態(tài)并通過無線網(wǎng)絡(luò)與地面基站進(jìn)行實(shí)時通信等方面邁進(jìn)使得除冰更加高效靈活。同時在此基礎(chǔ)上，也不放棄對其他除冰技術(shù)的研究。

綜上所述，輸電線路除冰技術(shù)的發(fā)展整體呈現(xiàn)“傳統(tǒng)人工控制的機(jī)械除冰-簡單的電熱除冰-可靈活控制的電熱除冰-機(jī)器人機(jī)械除冰”的研究過程。

4 重要申請人分析

4.1 國外重要申請人分析

國外對于輸電線路除冰技術(shù)的專利申請量從高到低分別是：古河電氣工業(yè)株式會社、日立、藤倉、住友、三菱、關(guān)西以及烏法航空研究所等。其中申請量超過20的日本公司有8名，可見日本具備豐富的輸電線路除冰技術(shù)的經(jīng)驗和創(chuàng)新能力。另外有一些申請量不多但對輸電線路除冰技術(shù)有重要影響的單位，如：加拿大魁北克水電公司以及美國達(dá)特茅斯大學(xué)，都對輸電線路除冰作出過具有推動性技術(shù)的創(chuàng)新。

4.2 國內(nèi)重要申請人分析

國內(nèi)對輸電線路除冰雪的專利申請量統(tǒng)計中，排名第一位的是國家電網(wǎng)公司，其次有地處南方的湖南電力科學(xué)研究院、湖南湘電實(shí)驗研究有限責(zé)任公司，洛陽科學(xué)技術(shù)研究院、中國電力科學(xué)研究院、南方電網(wǎng)、北京十暢園科技有限公司、中國南車集團(tuán)株洲電力機(jī)車研究所、重慶大學(xué)、華北電力大學(xué)等；可見除了首當(dāng)其沖的電網(wǎng)公司、大量研究院以及部分高校和公司都對輸電線路除冰雪展開了研究，并發(fā)揮了重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]《電力建設(shè)》編輯部.輸電線路除冰新技術(shù)[J].電力建設(shè)，2008.

[2]王文慶，李浩峰.輸電線路上除冰技術(shù)分析[J].甘肅科技縱橫，2012.

[3]蔣興良，萬啟發(fā)，吳盛麟，等.輸電線路除冰新技術(shù)——低居里（LC）磁熱線在線路除冰中的應(yīng)用[J].高電壓技術(shù)，1992.

[4]KALMIN L P， SOLDATOV V A. The Application of Phase-shifting Transformers to the Power Line Ice Melting [C]//5th Presented at the Int. Workshop on Atmospheric Icing of Structures， Oct. 29-Nov.1，1990，Tokyo，Japan：1990.