國內架空輸電線融冰裝置專利概況

李偉騰

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

關鍵詞：架空線；除雪；溶冰

如何防止冰凍天氣影響架空線路，是影響電網可靠運行的重要課題。通過對架空輸電線融冰裝置相關裝置的分析，有助于進一步改進裝置。

一、架空輸電線融冰裝置的概況

經過統計，全世界的公開專利文件共有2359件，包括發明專利、實用新型專利和外觀設計專利。圖1為各國申請量的統計結果。從圖1可以發現，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。根據圖1的結果，我們不難看出，圖中的這幾個國家均在北半球，并且部分領土冬季將受到冰雪災害的影響，這是各國進行該領域相關研究的主要動機。

再以申請日期為入口，對國內申請進行統計。

從圖2的統計結果可以發現，在2007年以前，我國對該領域的研究幾乎為零，總申請量不超過20件，但2008年的申請卻突增至115件。經查閱資料發現，2008年我國發生了嚴重的冰雪災害，造成了巨大的經濟損失。據統計，國家電網公司系統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15.3萬條，變電站停運884座。南方電網公司系統桿塔損毀12萬多基，受損線路7000多條，變電站停運859座。本次災難過后，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、國內申請技術原理分析

實現架空輸電線的除冰主要有兩種基本方法，即電熱除冰和機械除冰。電熱除冰，利用通電產生熱量以融化架空輸電線上的覆冰；機械除冰，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

在現有的設計中，實現電熱除冰也已經發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行融冰的裝置。將輸電線路與末端負載斷開，并將輸電線路短接；利用整流變壓器給已經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，該技術方案還利用融冰中的大電容為線路提供無功補償。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電體的特點，直接給線路通電即可產生電熱，融化覆冰。但是，這種方案需要停運線路才能實現融冰，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高頻電流，從而在線路上產生電熱融化覆冰。這種方法不需要停運線路就可以實現融冰的效果，但為了保證用戶的用電質量，絕對不允許用讓高頻電流流入用戶設備，因此，需要大量的大型濾波設備，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線的外側增設電熱元件，給電熱元件通電產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，線路本身繼續輸電，由另一外設電源給包繞在線路外側的電熱元件產生電熱融化覆冰。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線的外側增設熱風管，給熱風管通熱風而融化覆冰的方案。這種方法的本質與上一種方法相同，都是通過外設電熱元件進行融冰。但是，這種方法顯然沒有上一種方法實際，但熱風抵達熱風管末端時，溫度將會明顯降低，融冰效果不佳。

（二）機械除冰

現有的機械除冰方法主要包括機器人除冰和振動除冰。機器人除冰通常是利用可以在線路上移動的除冰機器人進行機械除冰，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設置一根導線，給導線通入高頻電流，產生高頻磁場，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生高頻振動形變，從而使覆冰發生高頻的振動，進而產生斷裂，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置導線，需要一定的成本。對振動幅度的控制要比較精確，以免幅度過大導致斷線事故，這就需要對通電電流的大小和通電時間進行精確控制，并對線路的覆冰情況進行實時的檢測。

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

2.機器人除冰

機器人除冰就是在輸電線路上設置除冰機器人，機器人利用敲打、刨除等機械方式去除覆冰。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。這種設計可以去除線路的覆冰，且不需要停運線路。但是，這種設計無法跨越間隔棒和絕緣子，只能用于單根導線的線路，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。該方案利用仿生學的方式，設置多處活動關節，從而解決這一問題。這種設計雖然可以解決跨越間隔棒和絕緣子的問題，但是由于活動關節較多，為了抵御惡劣天氣，機器人自身必須做得穩固、牢靠，這就增加了制造成本。另外，機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，那么如何設計電源供電模塊是一個技術難點；如果使用蓄電池或在機器人上設置取電模塊，那么可能會導致機器人能量不足的情況。

三、架空輸電線融冰裝置的展望

從現有的研究來看，電熱融冰和機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入輸電線路后，如何防止線路損壞以及防止疊加電流進入用電負載，同時需要研究如何控制設備成本。機械除冰，無論是振動除冰或是機器人除冰，都需要解決裝置能量來源的問題，這是是首要問題；其次，需要優化設計以適應不同的實際需要，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，機器人除冰則需要將機器人設計得能夠適應不同的線路情況，以保證除冰的順利完成。