電纜除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董春博+柳思楊+付天舒

摘 要：電纜覆冰會(huì)影響輸電線路安全，引發(fā)各種事故，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致通信中斷或大面積停電。本設(shè)計(jì)通過對(duì)受災(zāi)地區(qū)結(jié)冰條件數(shù)據(jù)的采集分析，可得出適應(yīng)不同地域氣候的電纜除冰方案。系統(tǒng)主要由采集分析平臺(tái)和除冰作業(yè)小車兩部分組成，采集平臺(tái)用來對(duì)降雨量、風(fēng)速、溫濕度等影響電纜結(jié)冰的主要因素進(jìn)行分析，除冰作業(yè)小車用來清除電纜覆冰，系統(tǒng)采用無線供電技術(shù)，實(shí)用性高。

關(guān)鍵詞：電纜除冰；無線傳輸；數(shù)據(jù)分析

1 目前主要的電纜除冰技術(shù)

近年來，雨雪冰凍災(zāi)害發(fā)生頻率和強(qiáng)度有逐漸增加的趨勢(shì)，如果不采用快速有效的電纜除冰方案，可能會(huì)引起潛在的危險(xiǎn)和巨大的損失[1]。電線結(jié)冰的形成機(jī)制很復(fù)雜，與各種要素有關(guān)，如溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向和降雨量等。

國(guó)內(nèi)外除冰技術(shù)大概有以下幾種：人工除冰、大電流生熱融冰、機(jī)械除冰、機(jī)器人除冰和航空除冰等方法[2]。人工除冰是通過人工巡線的方式，借助望遠(yuǎn)鏡，照相機(jī)或紅外傳熱成像儀等進(jìn)行巡視，發(fā)現(xiàn)問題后，通過手動(dòng)敲擊的方式清除電纜的覆冰。人工除冰速度慢，既辛苦，又危險(xiǎn)，而且人工巡視距離較遠(yuǎn)，觀測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。人工除冰不容易掌握力度，力度過大亦會(huì)破壞輸電線，影響用戶供電，加上目前人工勞動(dòng)力成本增加，可利用人工除冰的地域越來越少。大電流生熱融冰是將高壓輸電線電壓降低，在功率一定的情況下電流變大、電纜生熱，從而將覆冰融化清除，該除冰方法效果明顯，效率較高，但是損耗能量大，成本高昂，機(jī)械除冰法所需的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大電流生熱融冰法所需要的能量，對(duì)于這種情況，即使機(jī)械除冰法效率低至1%，仍遠(yuǎn)優(yōu)于大電流生熱融冰法，應(yīng)用價(jià)值大。大電流生熱會(huì)損耗輸電線，且電壓的變化無法做到完全不影響用戶供電，此除冰方法對(duì)于通信電纜無法適用。機(jī)械除冰法是通過機(jī)械裝置進(jìn)行除冰，常見的有滑輪刮鏟法等。機(jī)械裝置需依靠大型吊車將其架設(shè)在輸電線上。雖然機(jī)械除冰法速度比人工快，但受地域影響極大，在丘陵，山脈等地區(qū)均無法采用此方法，并且對(duì)機(jī)械裝置供電只能采取地面充電的方式，這樣會(huì)產(chǎn)生額外能量費(fèi)用，且重量大，電纜安全沒有保障。機(jī)器人除冰法可以說是目前較好的除冰方法。高壓線巡檢機(jī)器人集成了巡檢儀器設(shè)備，由智能機(jī)器人、自動(dòng)上下線裝置、地面基站和后臺(tái)管理系統(tǒng)組成，通過機(jī)器人自助上線、行駛越障、線路巡視和自助下線的方式進(jìn)行工作。機(jī)器人沿著高壓線路行駛，巡視并存儲(chǔ)定位后的巡視圖像，通過后臺(tái)軟件自動(dòng)判斷或人工分析線路的缺陷和安全隱患，隨后進(jìn)行檢修維護(hù)，可大量節(jié)約人工成本。不過機(jī)器人除冰法缺點(diǎn)也很多，采用機(jī)器人雖然提升了智能程度，但是除冰效率不高，速度慢，殘留覆冰較多，對(duì)算法和圖像數(shù)據(jù)傳輸精度要求很高，受干擾程度大，自身重量對(duì)輸電線也產(chǎn)生一定負(fù)擔(dān)，并且成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易維修。裝置采用太陽能供電，受環(huán)境影響大。航空除冰是指利用小型直升機(jī)或者大型飛行器進(jìn)行除冰作業(yè)，該方案除冰方法很迅速，效果相對(duì)較好，但是費(fèi)用也很高。采用有人駕駛的直升機(jī)會(huì)對(duì)人身安全造成一定危險(xiǎn)，采用無人駕駛的飛行器對(duì)控制要求很高，遙控不好會(huì)適得其反，影響除冰效果。

2 覆冰數(shù)據(jù)分析

通過以上描述我們可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有幾種除冰技術(shù)都是被動(dòng)清除覆冰，即當(dāng)覆冰增加到一定厚度時(shí)才開始清除，沒有一種技術(shù)是采用主動(dòng)方式進(jìn)行除冰，這樣會(huì)由于時(shí)間久、結(jié)冰量大，造成除冰的困難，因此我們?cè)O(shè)計(jì)一種具有預(yù)防結(jié)冰功能的除冰系統(tǒng)。在主動(dòng)除冰之前，需要對(duì)影響電纜結(jié)冰的主要因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出不同地域不同氣候條件下電纜結(jié)冰的時(shí)間點(diǎn)，當(dāng)達(dá)到時(shí)間點(diǎn)時(shí)，立即開啟除冰小車進(jìn)行除冰作業(yè)，這樣就可以做到提前預(yù)防結(jié)冰形成。

在不同地域氣候條件下，電纜結(jié)冰厚度也有明顯差距。在一般輸電線上，結(jié)冰厚度的測(cè)量計(jì)算比重為0.9g/cm3，設(shè)定覆冰形狀的測(cè)量也是以圓柱形冰體為主[3]。傳統(tǒng)測(cè)量覆冰厚度方法多采用等重量換算法和外形測(cè)量換算法，等重量換算法就是將導(dǎo)線覆冰收集起來，測(cè)量出其重量，再通過換算比重和公式來計(jì)算出覆冰厚度。外形測(cè)量換算法先是對(duì)覆冰的截?cái)嗝妗㈤L(zhǎng)軸和短軸等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，再代入覆冰厚度計(jì)算公式，計(jì)算出覆冰厚度。由于電線覆冰形成的快慢和形狀不同，外形測(cè)量換算法受客觀因素影響大，不如等重量換算法準(zhǔn)確。導(dǎo)致電纜結(jié)冰的原因復(fù)雜，用傳統(tǒng)的多變量線性回歸方法計(jì)算結(jié)冰厚度，很難取得較為準(zhǔn)確的結(jié)果，無法令人滿意。因此可以采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來逼近非線性系統(tǒng)，通過建立一日內(nèi)最低氣溫、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速和日降水量模型圖，直觀反映出結(jié)冰厚度與每個(gè)影響結(jié)冰因素的關(guān)系。這樣利用各地區(qū)氣象站采集到的電纜結(jié)冰統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以分析出不同地區(qū)電纜結(jié)冰情況。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由兩大部分組成：采集分析平臺(tái)和除冰作業(yè)小車。采集分析平臺(tái)由降雨量采集模塊、風(fēng)速傳感器模塊、溫濕度模塊、主控模塊和無線發(fā)射模塊組成，除冰作業(yè)小車由無線接收模塊、主控模塊、無線供電模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和機(jī)械除冰裝置組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

通過采集平臺(tái)對(duì)降雨量、風(fēng)速、溫濕度三個(gè)影響電纜結(jié)冰的主要因素的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，可以計(jì)算出不同地域電纜開始結(jié)冰的條件，例如，在貴州省測(cè)得的電纜開始結(jié)冰的一種條件是當(dāng)降雨量達(dá)到50mm、風(fēng)速5m/s、-2℃、相對(duì)濕度25%，這時(shí)電纜會(huì)開始覆冰，因此設(shè)置采集模塊數(shù)據(jù)條件之一是降雨量大于50mm，風(fēng)速傳感器采集風(fēng)速大于5m/s，溫度數(shù)據(jù)在-2℃以下，濕度高于25%，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)主控模塊。當(dāng)達(dá)到結(jié)冰條件后，采集平臺(tái)通過無線發(fā)射模塊向除冰小車發(fā)送指令，小車上的接收模塊接收指令后，將小車的除冰作業(yè)模式開啟，通過主控模塊控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊帶動(dòng)機(jī)械除冰裝置進(jìn)行工作，小車會(huì)快速穩(wěn)定的在電線上移動(dòng)，系統(tǒng)采用無線供電模塊進(jìn)行持續(xù)供電。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以做到電纜上有一層薄覆冰的時(shí)候就會(huì)被立刻清除，避免時(shí)間久、結(jié)冰量大所造成的除冰困難。小車除冰速度快、重量低，不會(huì)對(duì)電纜造成額外負(fù)擔(dān)，可以利用小型飛行器架設(shè)的方式架設(shè)到輸電線上，移動(dòng)性好，不受地域條件影響，相比利用大型吊車將機(jī)械除冰裝置安放在輸電線上的辦法，此種方案反應(yīng)速度快捷。相比機(jī)器人除冰法需要高精度圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅境到y(tǒng)設(shè)計(jì)受干擾程度小。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，便于維護(hù)，進(jìn)行除冰作業(yè)時(shí)不會(huì)影響用戶供電或者損耗電纜，所需能量小，采用無線供電方式可以滿足除冰作業(yè)的能量提供。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了系統(tǒng)模塊的組建，對(duì)降雨量采集模塊、風(fēng)速傳感器和溫濕度模塊DHT22進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集測(cè)試，對(duì)433兆的無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試，對(duì)雙路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和機(jī)械除冰裝置進(jìn)行了除冰測(cè)試。通過多次測(cè)試檢驗(yàn)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠，可以推廣使用。

參考文獻(xiàn)

[1]王遵婭，張強(qiáng)，陳裕.2008年初我國(guó)低溫雨雪冰凍災(zāi)害的氣候特征[J].氣候變化研究進(jìn)展，2008（2）.

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[3]殷水清，趙珊珊，王遵婭，等.全國(guó)電線結(jié)冰厚度分布及等級(jí)預(yù)報(bào)模型[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2009（20）.

通訊作者：付天舒（1977，11-），男，漢族，籍貫：河北省樂亭縣，碩士學(xué)位，副教授，教師，研究方向：圖像處理、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析。