基于微波物理热效应的高压电线除冰装置方案设计

2016-03-30杜丽袁勇张凯黄俊

科技视界 2016年2期

杜丽　袁勇　张凯　黄俊

【摘要】高压电线除冰装置对于保障高空输电线路的安全具有重要意义。针对现有除冰装置的不足，设计了一种集微波物理加热与机械破冰于一体的新型高压电线除冰装置。该装置分为驱动与行走部分、除冰机构与控制部分，其中驱动与行走部分设计了以适应各种冰况及防滑的驱动轮，除冰机构上以微波物理热熔化和间歇式机械敲击相结合，实现了低能、高效、平稳、安全的除冰。

【关键词】低成本；高效率；微波；机械；除冰

1 背景及意义

2008年初，我国南方数省输电线路遭遇历史上罕见的冰雪灾害。长时间持续的高强度、大范围低温雨雪冰冻天气，导致湖南、江西、浙江、安徽、湖北等地的电网发生倒塔、断线、舞动、覆冰闪络等多种灾害。按国家电网局灾后统计结果显示，仅国家电网的重建修复资金就耗资300多亿，并且恢复任务非常艰巨。雪灾所导致的电网瘫痪不仅让国家耗资耗力，还让广大灾区人民备受煎熬。因此，必须及时破除高压输电线路上的结冰，保障电网安全。然而，目前的破冰方式还是以人工除冰为主，需要工人攀爬到高空进行作业，不仅存在重大安全隐患，而且效率低下，并且受限制于一些特殊地区，如高原、丛林地带。

目前已有的高压电线除冰装置，其基本方法主要包括热力除冰法、被动法、机械除冰法。热力除冰效果明显，但能量损耗大，设备投资成本高；被动法简单易行，但可能因不均匀或不同期脱冰产生导线跳跃，引起线路事故；机械除冰法……。此外，人们还提出或正在研究电子冻结、电晕放电和碰撞前颗粒冻结、电磁脉冲除冰法、气动脉冲除冰法以及高压高频励磁除冰法等技术，但都存在费用较高、技术不够成熟等问题。

为了达到高效率、低成本、低功耗、安全性强、操作方便的除冰目的，我们结合人因工程学的理念，将物理微波激振与电子机械相结合设计出了一种新型高压电线除冰装置。

2 设计方案

新型高压电线除冰装置结构组成如图1所示，整套装置主要靠横架结构（27）组成，由自带电瓶箱供电，首先利用测距传感器（4）测量电线覆冰厚度，并反馈到箱体盒（2）中的微型计算器进行处理，通过无线显示到远程App终端，由人工远程操作微型计算器实现电动机（24）的启闭、电磁离合器（11）的离合以及微波发射器（5）的融冰工作。并由一台40W电动机（24）驱动，通过圆柱齿轮（13）将转速与扭矩传到驱动半轴上，然后直接经由槽轮（12）通过皮带将动力传输到锥齿轮对（18），从而将动力换向到凸轮（10）上，由凸轮（10）的周期旋转实现破冰伸出臂（7）的摇摆运动，迫使弹簧（9）因其刚度要求而实现碎冰器（6）对覆冰的重力敲击，而其弹簧销杆（8）顶端距离限制则可避免碎冰器（6）损伤电线。而采用皮带传动具有过载保护的作用，当敲击力太大时，皮带通过打滑以实现过载保护。其行走则是通过电磁离合器（11）将驱动半轴的动力传到链轮（19），再由链条（20）将旋转传到链轮（23），由输出轴带动前轮驱动轮（26）沿电线行走，其配合轮（21）通过钮扣板（25）限制可调范围和弹簧（22）压紧，使驱动轮贴和覆冰进行受力行走，从而实现“一机两用”控制装置的移动与破冰。

综上所述，整套装置机构组成可分为三个主要机构，驱动与行走机构、除冰机构以及控制机构。

2.1 驱动与行走机构方案设计

采用40W电动机进行单机驱动，通过一对传动比为2的圆柱齿轮将电动机动力传至驱动半轴上，再经离合器和链轮及链条将动力传至前轮驱动轮上，其中链轮之间传动比设计为3.2，总体齿轮传动将电动机转速减速传至驱动轮，由驱动轮齿槽啮合电线行走，由于覆冰并不能完全除去，故配合轮与驱动轮间用弹簧和钮扣板保证装置能平稳越冰行走。

其中，齿槽设计可增大驱动轮与电线间的摩擦阻力，亦可在行走于残冰时能越过残冰，并对其进行进一步破碎处理。

2.2 除冰机构方案设计

此套除冰机构分为两个部分，物理微波融冰和机械破碎除冰。

物理微波融冰，是在伸出臂端安装频率为24125MHZ的磁控管。利用高压电线比冰层吸收微波能力强易于加热的特性，利用磁控管发出的微波在电线与发射面板间不断反射进行能量加强，加热电线融化覆冰。

机械破碎除冰，是利用凸轮回转以及弹簧缩紧的杠杆机构驱动破碎器来回敲击覆冰。采用双三角尖端对冰的破碎更有利，能更高效破冰。

2.3 控制机构方案设计

控制机构，是测距传感器对装置与电线间进行测距反馈，由远程终端App发出电动机与离合器的启动与闭合指令，经由装置自带微型简易计算机处理进行控制的系统机构。

3 设计创新点

3.1 驱动和行走部分

利用链条与齿轮定传动比传动到驱动轮，驱动轮轮面设计成齿槽形，能有效防止除冰装置在冰面打滑，也能除去除冰机构未处理的残冰。弹簧钮扣板能适应各种冰面，以保证行走轮夹紧在电线上不脱落，同时弹簧也能减缓由冰面不平引起的振动和冲击，使整个装置在冰面上行走更加平稳。

3.2 融冰除冰部分

利用微波融化除冰使冰脱离电线，形成应力集中区，结合机械式双三角尖端敲击破冰。除冰效率大大提高，并能使除冰效果更加明显。