架空輸電線路振動(dòng)除冰裝置設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)除冰方法效率低、成本高且受地形條件限制的問(wèn)題，提出了一種小巧輕便、高效穩(wěn)定的架空輸電線路機(jī)械除冰裝置。首先，采用振動(dòng)除冰原理，結(jié)合高壓取電與電池供電系統(tǒng)，保證了裝置的長(zhǎng)期穩(wěn)定供電；然后，通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)覆冰檢測(cè)與自動(dòng)除冰操作。該裝置具備長(zhǎng)期掛載、安裝簡(jiǎn)便和自動(dòng)除冰的特點(diǎn)，有效提升了除冰效率和作業(yè)安全性，減少了人工干預(yù)，保障了輸電線路的可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：架空輸電線路；線路覆冰；除冰裝置；振動(dòng)除冰

中圖分類號(hào)：TH122" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）05-0044-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.05.011

0" " 引言

嚴(yán)重覆冰會(huì)導(dǎo)致架空輸電線路故障，引發(fā)大面積斷電等安全事故，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-5]。然而，傳統(tǒng)的除冰方法存在效率低、成本高以及對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行影響較大的問(wèn)題[6]。因此，亟需設(shè)計(jì)一種高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的輸電線路除冰裝置。

目前，國(guó)內(nèi)外除冰方式大致可分為熱力融冰和機(jī)械除冰[7]。熱力融冰法是通過(guò)增大導(dǎo)線的電流密度，產(chǎn)生焦耳熱，提高導(dǎo)線表面溫度，從而使覆冰融化并脫落[8-9]。Lu等[10]使用交流融冰方式在覆冰線路的對(duì)側(cè)或中間段進(jìn)行三相短路，通過(guò)施加幾百至上千安培的短路電流快速將線路覆冰融化；張璐等[11]研發(fā)了特高壓線路直流融冰系統(tǒng)，實(shí)測(cè)表明，融冰裝置輸出直流電流能安全完成特高壓線路帶電融冰。機(jī)械除冰法是指利用機(jī)械外力迫使覆冰碎裂脫落，現(xiàn)可用于輸電線路的機(jī)械除冰法主要有滑輪鏟刮法[12]和機(jī)器人除冰[13]?；嗙P刮法是由地面操縱人員拉動(dòng)滑輪在線路上移動(dòng)，使導(dǎo)線彎曲產(chǎn)生應(yīng)力而鏟除覆冰[14]；除冰機(jī)器人主要利用其攜帶的除冰裝置對(duì)輸電線路表面進(jìn)行敲擊、沖擊和銑削等[15]。上述方法在輸電線路除冰過(guò)程中均有一定的應(yīng)用效果，但是存在操作煩瑣、運(yùn)行成本高以及可能對(duì)線路造成損傷等問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種架空輸電線路機(jī)械除冰裝置，以提高除冰效率。首先，基于振動(dòng)除冰原理，結(jié)合高壓取電與電池供電系統(tǒng)，確保裝置在長(zhǎng)期運(yùn)行中的電力供應(yīng)穩(wěn)定可靠。隨后，通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)覆冰的監(jiān)測(cè)及自動(dòng)除冰操作。該裝置具有長(zhǎng)期掛載、安裝便捷和自動(dòng)化除冰的優(yōu)勢(shì)，有效提高了除冰效率和作業(yè)安全性。

1" " 架空輸電線路覆冰及除冰原理

1.1" " 架空輸電線路覆冰危害

架空輸電線路的覆冰一般可分為白霜、霧凇、混合凇、雨凇和雪五類[16]。在零度以下、風(fēng)速較低時(shí)，空氣中的水分會(huì)與輸電架空線和絕緣子串接觸，在其表面形成白霜，白霜主要以針狀或葉狀晶體形式存在。霧中的過(guò)冷水滴在風(fēng)的作用下，會(huì)不斷與導(dǎo)線、絕緣子串表面碰撞，凝結(jié)成霧凇，霧凇外觀如松針，呈白色。當(dāng)溫度下降到-5～0 ℃、空氣相對(duì)濕度在85%以上、風(fēng)速為2～15 m/s時(shí)，如果有霧或毛毛雨，輸電線和絕緣子串就會(huì)開(kāi)始形成雨凇，在條件不變的情況下，短時(shí)間內(nèi)就會(huì)形成一層很厚、附力很強(qiáng)的雨凇。如果溫度繼續(xù)下降，就會(huì)出現(xiàn)雨雪天氣，雨和雪在雨凇表面迅速生長(zhǎng)，形成密度在0.6 g/cm3以上的結(jié)冰。如果氣溫繼續(xù)從-5 ℃下降到-15 ℃，冰層將被霜覆蓋，這一過(guò)程中，輸電線或絕緣子表面會(huì)形成雨凇-霧凇混合層。當(dāng)晴冷天氣交替出現(xiàn)時(shí)，霧凇剛開(kāi)始融化就又重新結(jié)冰，會(huì)增加冰的密度，發(fā)展成雨凇與霧凇交替重疊的混合物，即混合凇。

覆冰對(duì)輸電線路安全運(yùn)行存在不利影響：1）覆冰會(huì)顯著增加輸電線路導(dǎo)線和塔架的重量，特別是在覆冰較厚的情況下，導(dǎo)線和塔架所承受的機(jī)械負(fù)荷可能超出設(shè)計(jì)承載極限，導(dǎo)致導(dǎo)線下垂增大，可能出現(xiàn)斷線、塔架變形甚至倒塌等嚴(yán)重后果。2）覆冰后的導(dǎo)線由于質(zhì)量增加，對(duì)風(fēng)的響應(yīng)更加敏感，容易產(chǎn)生大幅度舞動(dòng)，這不僅可能導(dǎo)致相鄰導(dǎo)線碰撞，引發(fā)機(jī)械損傷或短路，還會(huì)因舞動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械疲勞加速設(shè)備老化，縮短使用壽命并增加維護(hù)成本。3）當(dāng)冰層形成后，遇到融化、結(jié)霜或濕度變化時(shí)，可能會(huì)在導(dǎo)線與塔架之間產(chǎn)生電弧，導(dǎo)致閃絡(luò)，從而引發(fā)短路故障。

1.2" " 振動(dòng)除冰原理

機(jī)械振動(dòng)除冰的原理是通過(guò)施加機(jī)械振動(dòng)來(lái)破壞冰層的穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)除冰。即機(jī)械振動(dòng)裝置在輸電導(dǎo)線上施加一定頻率和幅度的振動(dòng)激勵(lì)，導(dǎo)線在外力作用下產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，尤其是在激勵(lì)接近其固有頻率時(shí)，共振效應(yīng)將顯著增大振動(dòng)幅度，使附著在導(dǎo)線表面的冰層受到顯著的交變應(yīng)力和慣性力作用，從而結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性被破壞。冰層在振動(dòng)過(guò)程中所受的剪切應(yīng)力、拉應(yīng)力及慣性力超過(guò)其附著強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生裂解并從導(dǎo)線表面剝離。此外，振動(dòng)所產(chǎn)生的離心力也有助于克服冰層的粘附力和重力，使其有效脫落。

2" " 振動(dòng)除冰裝置設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)除冰裝置，其能夠長(zhǎng)期掛載在輸電線路之上，通過(guò)振動(dòng)除去輸電線路表面覆冰。裝置總體設(shè)計(jì)如圖1所示，本裝置由供電系統(tǒng)、振動(dòng)除冰系統(tǒng)、控制系統(tǒng)構(gòu)成。

2.1" " 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)除冰機(jī)器人需要反復(fù)上線更換電池才能保證裝置持續(xù)作業(yè)，大大降低了除冰作業(yè)效率。本文設(shè)計(jì)了一種高壓取電裝置與電池協(xié)同的供電系統(tǒng)，其原理圖如圖2所示。輸電線路、鐵芯和線圈構(gòu)成電流互感器，產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過(guò)整流濾波后輸出；取電功率調(diào)節(jié)電路能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)輸出的電壓值，通過(guò)雙向可控硅對(duì)線路的磁通進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，起到穩(wěn)壓和調(diào)節(jié)功率的作用；電流互感器輸出功率受輸電導(dǎo)線電流大小的影響，當(dāng)輸出功率能滿足負(fù)載正常運(yùn)行時(shí)，充電電路對(duì)電池模組進(jìn)行充電，直至充滿；當(dāng)輸電導(dǎo)線上的電流過(guò)低導(dǎo)致輸出功率不夠時(shí)，電池模組自動(dòng)進(jìn)行供電，從而實(shí)現(xiàn)不間斷供電。

2.2" " 振動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)振動(dòng)裝置往往設(shè)計(jì)尺寸較大，在實(shí)際安裝應(yīng)用中難以搬運(yùn)。本文提出一種結(jié)合蝸桿電機(jī)和敲擊桿的振動(dòng)除冰系統(tǒng)，如圖3所示。當(dāng)伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)蝸輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，蝸輪帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，與蝸桿同軸的半齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)半齒輪進(jìn)入有齒條周期時(shí)，半齒輪帶動(dòng)機(jī)架和敲擊桿向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而壓縮儲(chǔ)力彈簧；當(dāng)半齒輪進(jìn)入無(wú)齒條周期時(shí)，儲(chǔ)力彈簧回彈，帶動(dòng)敲擊桿敲擊裝置上方外殼。

圖4為裝置安裝俯視圖。本裝置利用振動(dòng)原理除去輸電線上的大多數(shù)覆冰，且由于敲擊面為裝置上方外殼，不會(huì)對(duì)導(dǎo)線造成損傷。

2.3" " 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖5所示，本裝置控制系統(tǒng)主要由監(jiān)控模塊、信號(hào)模塊、控制模塊構(gòu)成。

具體工作流程如下：

1）當(dāng)監(jiān)控模塊監(jiān)測(cè)到線路覆冰后，通過(guò)信號(hào)模塊將線路覆冰情況實(shí)時(shí)上傳至遠(yuǎn)控終端；

2）遠(yuǎn)控終端下達(dá)除冰控制命令，由信號(hào)模塊傳輸給控制模塊；

3）控制模塊接收到控制命令后，控制動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)始除冰工作；

4）工作期間，監(jiān)控模塊將除冰情況實(shí)時(shí)反饋給遠(yuǎn)控終端，以監(jiān)控最終除冰效果。

3" " 架空線路除冰裝置應(yīng)用

將除冰裝置安裝于輸電線路的兩端，如圖6所示，其中“▋”為本裝置。

裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝工作如圖7所示，安裝應(yīng)用步驟如下：

1）技術(shù)人員攜帶工具上塔，塔下工作人員將設(shè)備吊裝上塔；

2）技術(shù)人員通過(guò)鎖緊銷將裝置固定在架空輸電線路上，確保裝置的上層外殼緊貼導(dǎo)線；

3）除冰作業(yè)開(kāi)始時(shí)，控制本裝置同時(shí)開(kāi)始振動(dòng)除冰，通過(guò)同頻率的強(qiáng)振動(dòng)將架空輸電線路上的大多數(shù)覆冰去除。

4" " 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種高效、穩(wěn)定且小巧輕便的架空輸電線路機(jī)械除冰裝置，旨在解決傳統(tǒng)除冰方法效率低、運(yùn)行成本高且受地形條件限制的問(wèn)題。該裝置能夠長(zhǎng)期掛載于輸電線路上，采用振動(dòng)除冰原理，結(jié)合高壓取電與電池供電系統(tǒng)以及智能化控制模塊，有效提高了除冰作業(yè)的連續(xù)性和安全性。裝置的小巧輕便設(shè)計(jì)使其更易于安裝和維護(hù)，能夠在復(fù)雜的氣候和地理環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行，減少人工操作，提高除冰效率，保障輸電線路的可靠運(yùn)行。未來(lái)工作中，仍需進(jìn)一步優(yōu)化裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制策略，以提高對(duì)不同覆冰類型的適應(yīng)性，確保其在更為廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮作用。

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收稿日期：2024-11-25

作者簡(jiǎn)介：吳旭杰（2001—），男，湖北宜昌人，助理工程師，研究方向：輸電線路運(yùn)維。

通信作者：余浩睿（2000—），男，湖北宜昌人，碩士研究生在讀，研究方向：輸電運(yùn)維技術(shù)。