國內(nèi)架空輸電線融冰裝置專利概況

李偉騰

摘要：架空輸電線是電網(wǎng)系統(tǒng)中重要的輸電線路。在寒冷的冬季，我國某些地區(qū)會發(fā)生冰、雪等惡劣天氣，嚴(yán)重影響傳輸效率，甚至導(dǎo)致斷線、桿塔倒塌等嚴(yán)重事故。因此，為了避免類似的事故，需要對架空線路進(jìn)行及時、有效的除冰。

關(guān)鍵詞：架空線；除雪；溶冰

如何防止冰凍天氣影響架空線路，是影響電網(wǎng)可靠運(yùn)行的重要課題。通過對架空輸電線融冰裝置相關(guān)裝置的分析，有助于進(jìn)一步改進(jìn)裝置。

一、架空輸電線融冰裝置的概況

經(jīng)過統(tǒng)計，全世界的公開專利文件共有2359件，包括發(fā)明專利、實(shí)用新型專利和外觀設(shè)計專利。圖1為各國申請量的統(tǒng)計結(jié)果。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，申請量最大的是中國，共1515篇；其次是日本，共361篇，再次依次是俄羅斯、加拿大、韓國和美國。根據(jù)圖1的結(jié)果，我們不難看出，圖中的這幾個國家均在北半球，并且部分領(lǐng)土冬季將受到冰雪災(zāi)害的影響，這是各國進(jìn)行該領(lǐng)域相關(guān)研究的主要動機(jī)。

再以申請日期為入口，對國內(nèi)申請進(jìn)行統(tǒng)計。

從圖2的統(tǒng)計結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在2007年以前，我國對該領(lǐng)域的研究幾乎為零，總申請量不超過20件，但2008年的申請卻突增至115件。經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)，2008年我國發(fā)生了嚴(yán)重的冰雪災(zāi)害，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計，國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)由于覆冰造成高壓線路桿塔倒塌17.2萬基，受損1.2萬基；低壓線路倒塌斷桿51.9萬基，受損15.3萬公里；各級電壓等級線路停運(yùn)15.3萬條，變電站停運(yùn)884座。南方電網(wǎng)公司系統(tǒng)桿塔損毀12萬多基，受損線路7000多條，變電站停運(yùn)859座。本次災(zāi)難過后，國家對架空輸電線融冰裝置作了大量的科研投入，直接導(dǎo)致了申請量的突增，且2009后的每年的申請量一直維持在高位。

二、國內(nèi)申請技術(shù)原理分析

實(shí)現(xiàn)架空輸電線的除冰主要有兩種基本方法，即電熱除冰和機(jī)械除冰。電熱除冰，利用通電產(chǎn)生熱量以融化架空輸電線上的覆冰；機(jī)械除冰，利用敲擊、捶打等物理沖擊除去覆冰。目前的所有架空輸電線融冰裝置均使用了這兩個基本原理，是研究架空輸電線融冰裝置的兩個方向。

（一）電熱除冰

在現(xiàn)有的設(shè)計中，實(shí)現(xiàn)電熱除冰也已經(jīng)發(fā)展出了幾個具體的方式。

1.直接給線路通電

例如公開號為CN101350510A的專利，其公開了一種利用直流大電流進(jìn)行融冰的裝置。將輸電線路與末端負(fù)載斷開，并將輸電線路短接；利用整流變壓器給已經(jīng)短接的輸電線路通入直流的大電流以融化輸電線路的覆冰；同時，該技術(shù)方案還利用融冰中的大電容為線路提供無功補(bǔ)償。這種方案無需在線路上添加任何元件，僅利用輸電線路本身就是導(dǎo)電體的特點(diǎn)，直接給線路通電即可產(chǎn)生電熱，融化覆冰。但是，這種方案需要停運(yùn)線路才能實(shí)現(xiàn)融冰，且無法去除線路上的積水，一旦停止融冰而空氣溫度較低時，殘留在線路上的積水將重新結(jié)冰，線路將再次被迫停電并啟動融冰。

再如公開號為CN101394073A的專利，其公開了一種在原輸電線路中疊加連續(xù)高頻電流，從而在線路上產(chǎn)生電熱融化覆冰。這種方法不需要停運(yùn)線路就可以實(shí)現(xiàn)融冰的效果，但為了保證用戶的用電質(zhì)量，絕對不允許用讓高頻電流流入用戶設(shè)備，因此，需要大量的大型濾波設(shè)備，投入很大。

2.利用附加電熱元件

在線路上增加附加的電熱元件，融化線路的覆冰，從而避免了線路被迫停電。例如公開號為CN1332684A的專利，其公開了一種通過在導(dǎo)線的外側(cè)增設(shè)電熱元件，給電熱元件通電產(chǎn)生熱量融化覆冰的方案。這種方法不需要停電就可以融化線路覆冰，線路本身繼續(xù)輸電，由另一外設(shè)電源給包繞在線路外側(cè)的電熱元件產(chǎn)生電熱融化覆冰。但是，這種方法需要對每一條可能覆冰的線路都加裝電熱元件，成本很高，融冰所需電能較大。

再如公開號為CN101286280A的專利，其公開的是一種通過在導(dǎo)線的外側(cè)增設(shè)熱風(fēng)管，給熱風(fēng)管通熱風(fēng)而融化覆冰的方案。這種方法的本質(zhì)與上一種方法相同，都是通過外設(shè)電熱元件進(jìn)行融冰。但是，這種方法顯然沒有上一種方法實(shí)際，但熱風(fēng)抵達(dá)熱風(fēng)管末端時，溫度將會明顯降低，融冰效果不佳。

（二）機(jī)械除冰

現(xiàn)有的機(jī)械除冰方法主要包括機(jī)器人除冰和振動除冰。機(jī)器人除冰通常是利用可以在線路上移動的除冰機(jī)器人進(jìn)行機(jī)械除冰，振動除冰則是利用線路自身的振動以使覆冰破裂脫落。

1.振動除冰

振動除冰是早期機(jī)械除冰的一種常見方式。例如公開號為CN1150502A的專利，其在輸電線路的外側(cè)設(shè)置一根導(dǎo)線，給導(dǎo)線通入高頻電流，產(chǎn)生高頻磁場，相鄰之間線路由于磁場之間的不斷變化的相互作用力而發(fā)生高頻振動形變，從而使覆冰發(fā)生高頻的振動，進(jìn)而產(chǎn)生斷裂，從線路上脫落。這種方法同樣也需要對每一條輸電線路都設(shè)置導(dǎo)線，需要一定的成本。對振動幅度的控制要比較精確，以免幅度過大導(dǎo)致斷線事故，這就需要對通電電流的大小和通電時間進(jìn)行精確控制，并對線路的覆冰情況進(jìn)行實(shí)時的檢測。

再如公開號為CN1486525A的專利文件，其在輸電線路上增設(shè)振動器，使線路產(chǎn)生振動，振落線路覆冰。該方案還設(shè)有感應(yīng)電磁線圈，利用線路的電流發(fā)電給振動器供電。這種方法通過增設(shè)振動器使線路產(chǎn)生振動，以使線路覆冰振動脫落。但是，這種方法無法使線路產(chǎn)生大幅度振動，當(dāng)覆冰較厚或線路較長時，該振動器產(chǎn)生的振動只能是振動器附近的覆冰脫落，無法傳輸?shù)骄€路的兩端，除冰效果不佳。

2.機(jī)器人除冰

機(jī)器人除冰就是在輸電線路上設(shè)置除冰機(jī)器人，機(jī)器人利用敲打、刨除等機(jī)械方式去除覆冰。例如公開號為CN1404644A的專利，其公開了一種除冰機(jī)器人，其使用滾輪在線路上移動，利用翼刀敲擊、破除覆冰。這種設(shè)計可以去除線路的覆冰，且不需要停運(yùn)線路。但是，這種設(shè)計無法跨越間隔棒和絕緣子，只能用于單根導(dǎo)線的線路，且一段線路除冰完成后需要人工將其取下放到另一段線路上。

為了解決機(jī)器人不能跨越間隔棒和絕緣子的問題，公開號為CN102255270A的專利給出了一個可以解決這個問題的方案。該方案利用仿生學(xué)的方式，設(shè)置多處活動關(guān)節(jié)，從而解決這一問題。這種設(shè)計雖然可以解決跨越間隔棒和絕緣子的問題，但是由于活動關(guān)節(jié)較多，為了抵御惡劣天氣，機(jī)器人自身必須做得穩(wěn)固、牢靠，這就增加了制造成本。另外，機(jī)器人的能量來源是一個重要的問題，如果使用專用電源供電，那么如何設(shè)計電源供電模塊是一個技術(shù)難點(diǎn)；如果使用蓄電池或在機(jī)器人上設(shè)置取電模塊，那么可能會導(dǎo)致機(jī)器人能量不足的情況。

三、架空輸電線融冰裝置的展望

從現(xiàn)有的研究來看，電熱融冰和機(jī)械除冰仍是最主要兩個的研究方向。電熱融冰方法主要需要克服在融冰電流疊加進(jìn)入輸電線路后，如何防止線路損壞以及防止疊加電流進(jìn)入用電負(fù)載，同時需要研究如何控制設(shè)備成本。機(jī)械除冰，無論是振動除冰或是機(jī)器人除冰，都需要解決裝置能量來源的問題，這是是首要問題；其次，需要優(yōu)化設(shè)計以適應(yīng)不同的實(shí)際需要，例如，振動除冰需要考慮如何增大振動幅度，保證整條線路的覆冰都能被振落，機(jī)器人除冰則需要將機(jī)器人設(shè)計得能夠適應(yīng)不同的線路情況，以保證除冰的順利完成。