架空輸電線路振動除冰裝置設計

摘 要：針對傳統除冰方法效率低、成本高且受地形條件限制的問題，提出了一種小巧輕便、高效穩定的架空輸電線路機械除冰裝置。首先，采用振動除冰原理，結合高壓取電與電池供電系統，保證了裝置的長期穩定供電；然后，通過控制系統實現覆冰檢測與自動除冰操作。該裝置具備長期掛載、安裝簡便和自動除冰的特點，有效提升了除冰效率和作業安全性，減少了人工干預，保障了輸電線路的可靠運行。

關鍵詞：架空輸電線路；線路覆冰；除冰裝置；振動除冰

中圖分類號：TH122" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）05-0044-04

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

0" " 引言

嚴重覆冰會導致架空輸電線路故障，引發大面積斷電等安全事故，從而造成巨大的經濟損失[1-5]。然而，傳統的除冰方法存在效率低、成本高以及對電網運行影響較大的問題[6]。因此，亟需設計一種高效、穩定、經濟的輸電線路除冰裝置。

目前，國內外除冰方式大致可分為熱力融冰和機械除冰[7]。熱力融冰法是通過增大導線的電流密度，產生焦耳熱，提高導線表面溫度，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側或中間段進行三相短路，通過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]研發了特高壓線路直流融冰系統，實測表明，融冰裝置輸出直流電流能安全完成特高壓線路帶電融冰。機械除冰法是指利用機械外力迫使覆冰碎裂脫落，現可用于輸電線路的機械除冰法主要有滑輪鏟刮法[12]和機器人除冰[13]。滑輪鏟刮法是由地面操縱人員拉動滑輪在線路上移動，使導線彎曲產生應力而鏟除覆冰[14]；除冰機器人主要利用其攜帶的除冰裝置對輸電線路表面進行敲擊、沖擊和銑削等[15]。上述方法在輸電線路除冰過程中均有一定的應用效果，但是存在操作煩瑣、運行成本高以及可能對線路造成損傷等問題。

針對以上問題，本文設計了一種架空輸電線路機械除冰裝置，以提高除冰效率。首先，基于振動除冰原理，結合高壓取電與電池供電系統，確保裝置在長期運行中的電力供應穩定可靠。隨后，通過控制系統實現對覆冰的監測及自動除冰操作。該裝置具有長期掛載、安裝便捷和自動化除冰的優勢，有效提高了除冰效率和作業安全性。

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、風速較低時，空氣中的水分會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。霧中的過冷水滴在風的作用下，會不斷與導線、絕緣子串表面碰撞，凝結成霧凇，霧凇外觀如松針，呈白色。當溫度下降到-5～0 ℃、空氣相對濕度在85%以上、風速為2～15 m/s時，如果有霧或毛毛雨，輸電線和絕緣子串就會開始形成雨凇，在條件不變的情況下，短時間內就會形成一層很厚、附力很強的雨凇。如果溫度繼續下降，就會出現雨雪天氣，雨和雪在雨凇表面迅速生長，形成密度在0.6 g/cm3以上的結冰。如果氣溫繼續從-5 ℃下降到-15 ℃，冰層將被霜覆蓋，這一過程中，輸電線或絕緣子表面會形成雨凇-霧凇混合層。當晴冷天氣交替出現時，霧凇剛開始融化就又重新結冰，會增加冰的密度，發展成雨凇與霧凇交替重疊的混合物，即混合凇。

覆冰對輸電線路安全運行存在不利影響：1）覆冰會顯著增加輸電線路導線和塔架的重量，特別是在覆冰較厚的情況下，導線和塔架所承受的機械負荷可能超出設計承載極限，導致導線下垂增大，可能出現斷線、塔架變形甚至倒塌等嚴重后果。2）覆冰后的導線由于質量增加，對風的響應更加敏感，容易產生大幅度舞動，這不僅可能導致相鄰導線碰撞，引發機械損傷或短路，還會因舞動產生的機械疲勞加速設備老化，縮短使用壽命并增加維護成本。3）當冰層形成后，遇到融化、結霜或濕度變化時，可能會在導線與塔架之間產生電弧，導致閃絡，從而引發短路故障。

1.2" " 振動除冰原理

機械振動除冰的原理是通過施加機械振動來破壞冰層的穩定性，從而實現除冰。即機械振動裝置在輸電導線上施加一定頻率和幅度的振動激勵，導線在外力作用下產生劇烈振動，尤其是在激勵接近其固有頻率時，共振效應將顯著增大振動幅度，使附著在導線表面的冰層受到顯著的交變應力和慣性力作用，從而結構穩定性被破壞。冰層在振動過程中所受的剪切應力、拉應力及慣性力超過其附著強度和抗拉強度時，就會發生裂解并從導線表面剝離。此外，振動所產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" " 振動除冰裝置設計

本文設計了一種振動除冰裝置，其能夠長期掛載在輸電線路之上，通過振動除去輸電線路表面覆冰。裝置總體設計如圖1所示，本裝置由供電系統、振動除冰系統、控制系統構成。

2.1" " 供電系統設計

傳統除冰機器人需要反復上線更換電池才能保證裝置持續作業，大大降低了除冰作業效率。本文設計了一種高壓取電裝置與電池協同的供電系統，其原理圖如圖2所示。輸電線路、鐵芯和線圈構成電流互感器，產生感應電流，通過整流濾波后輸出；取電功率調節電路能夠實時檢測輸出的電壓值，通過雙向可控硅對線路的磁通進行動態調節，起到穩壓和調節功率的作用；電流互感器輸出功率受輸電導線電流大小的影響，當輸出功率能滿足負載正常運行時，充電電路對電池模組進行充電，直至充滿；當輸電導線上的電流過低導致輸出功率不夠時，電池模組自動進行供電，從而實現不間斷供電。

2.2" " 振動機構設計

傳統振動裝置往往設計尺寸較大，在實際安裝應用中難以搬運。本文提出一種結合蝸桿電機和敲擊桿的振動除冰系統，如圖3所示。當伺服電機正轉帶動蝸輪旋轉時，蝸輪帶動蝸桿轉動，與蝸桿同軸的半齒輪轉動；當半齒輪進入有齒條周期時，半齒輪帶動機架和敲擊桿向下運動，進而壓縮儲力彈簧；當半齒輪進入無齒條周期時，儲力彈簧回彈，帶動敲擊桿敲擊裝置上方外殼。

圖4為裝置安裝俯視圖。本裝置利用振動原理除去輸電線上的大多數覆冰，且由于敲擊面為裝置上方外殼，不會對導線造成損傷。

2.3" " 控制系統設計

如圖5所示，本裝置控制系統主要由監控模塊、信號模塊、控制模塊構成。

具體工作流程如下：

1）當監控模塊監測到線路覆冰后，通過信號模塊將線路覆冰情況實時上傳至遠控終端；

2）遠控終端下達除冰控制命令，由信號模塊傳輸給控制模塊；

3）控制模塊接收到控制命令后，控制動力系統開始除冰工作；

4）工作期間，監控模塊將除冰情況實時反饋給遠控終端，以監控最終除冰效果。

3" " 架空線路除冰裝置應用

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。

裝置現場安裝工作如圖7所示，安裝應用步驟如下：

1）技術人員攜帶工具上塔，塔下工作人員將設備吊裝上塔；

2）技術人員通過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線；

3）除冰作業開始時，控制本裝置同時開始振動除冰，通過同頻率的強振動將架空輸電線路上的大多數覆冰去除。

4" " 結束語

本文設計了一種高效、穩定且小巧輕便的架空輸電線路機械除冰裝置，旨在解決傳統除冰方法效率低、運行成本高且受地形條件限制的問題。該裝置能夠長期掛載于輸電線路上，采用振動除冰原理，結合高壓取電與電池供電系統以及智能化控制模塊，有效提高了除冰作業的連續性和安全性。裝置的小巧輕便設計使其更易于安裝和維護，能夠在復雜的氣候和地理環境下長期運行，減少人工操作，提高除冰效率，保障輸電線路的可靠運行。未來工作中，仍需進一步優化裝置的結構設計和控制策略，以提高對不同覆冰類型的適應性，確保其在更為廣泛的應用場景中發揮作用。

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收稿日期：2024-11-25

作者簡介：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：輸電運維技術。