低功耗視頻監測設備防冰裝置的設計研究

黃 良 李 京 黃 力 詹樂貴 朱 彬 尹學兵

(1.貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴州 貴陽 550000；2.貴州電網有限責任公司六盤水供電局，貴州 六盤水 553000；3.貴州電網有限責任公司銅仁供電局，貴州 銅仁 554300；4.貴州電網有限責任公司信息通信分公司，貴州 貴陽 550000；5.貴州電網有限責任公司畢節供電局，貴州 畢節 551700；6.貴州電網有限責任公司興義供電局，貴州 興義 562400)

對輸電線路進行運行狀態在線監測，是輸電線路安全運行的有力支撐手段，屬于智能電網在輸電環節的主要內容，可以實現輸變電設備狀態運行檢修管理、提升生產運行管理精細化水平。視頻監測是輸電線路在線監測的一種重要手段和方法，近年來廣泛應用于輸電線路覆冰監測、防外力破壞監測及山火監測等[1-3]。

輸電線路的視頻監測設備的運行狀態易受外界環境溫度、濕度等因素的影響。當外部環境為低溫高濕工況時，攝像機機芯的外保護罩表面上常因高濕空氣及低溫環境而形成凝露及覆冰，致使拍攝到的影像模糊不清，無法進行有效觀測。而一些現有的適合在低溫高濕工況下工作的視頻監測設備，只單一地在裝置內部增設電加熱熱阻，熱阻發熱后通過導熱將熱量傳至鏡頭表面，防止覆冰。但此種形式的裝置存在著功耗過大的問題，導致能耗浪費現象，同時，熱阻熱量的多向傳遞，有可能會對視頻監測設備內部核心部件產生影響，使其產生局部過熱現象，影響設備的正常運行，在實際應用中受到一定的限制。

因此，有必要對高濕低溫工況下運行的視頻監控裝置的技術進行深入研究，解決該環境下外保護罩表面的凝露及覆冰問題，提升視頻監控效果，促進輸電線路遠程可視監控技術的發展。

1 低功耗視頻監測設備防冰裝置設計研究

1.1 結構設計說明

本文所設計的低功耗視頻監測設備包覆在防冰腔體內，腔體包括外保護層、保溫層、低功率透明電加熱玻璃、氣流防護罩等部件。圖1為防冰攝像機外觀結構示意圖，其中攝像機設置于攝像機艙體內，鏡頭與低功率透明電加熱玻璃平行，內部為靜止空氣，低功率透明電加熱玻璃通電后會產生一定的熱量，保證鏡頭所處空間的溫濕度處在合理范圍內。

對于攝像機型號的選擇本文基于如下原則：①環境適應性，應選用工業級攝像機產品使其工作溫度(-40～+85℃)適用于覆冰低溫環境，提高產品可靠性。②低功耗(1.3W)，從功耗分配的角度考慮，降低傳感器功耗可確保整體設備低功耗設計的實現。③小體積(55*55*42mm)，衡量攝像機外形尺寸，確保防冰腔體體積和重量在合理范圍內。同時，低功率透明電加熱玻璃外部覆有超疏水透明涂層，抑制凝露和覆冰，即當外界氣象條件達到所設預警值后，加熱器件啟動加熱，以保證攝像機模塊鏡頭玻璃表面無水霧、凝露。本文并通過對攝像機機艙內部進行加熱的方式，結合基于熱設計理論，從裝置關鍵零件的材料選擇、表面處理及結構設計等方面，減少機艙熱量損失，盡量保持裝置溫度，最大限度地抑制裝置的凝露及覆冰狀況。

1.2 實驗效果分析

本文利用Fluent軟件[4]構建圖1低功耗視頻監測設備防冰裝置結構模型，研究攝像頭入口環境溫度、風速對玻璃表面的平均溫度的影響。從圖2(左)計算結果可以看出，風速保持恒定時(本文模擬過程中取值3m/s)，入口溫度越低，玻璃表面的平均溫度越低，且變化率隨著入口溫度降低而增大；而玻璃下方空腔內風速是一樣的，說明結構相同，風速相等時，入口溫度變化只影響內腔的溫度場，不影響流場。這一實驗結果說明，本文所設計的低功耗視頻監測設備防冰裝置對于不同溫度工況環境下對內部設備的影響較小，從而解決了視頻設備在冰期無法正常工作的缺陷。

圖1 防冰攝像機外觀結構示意圖

從圖2(右)計算結果可以看出，入口溫度保持在-10℃時，入口風速越大，玻璃表面的平均溫度越低，且變化率隨著風速的增大而增大；加熱玻璃下方空腔內風速隨著入口風速的增大而增大，且變化率隨著風速的增大保持一致；結構相同，入口溫度相等時，入口風速變化同時影響內腔的溫度場和流場。

圖2 玻璃表面溫度與入口溫度、入口風速變化趨勢

2 結論

針對目前視頻攝像頭在冰期無法正常工作的缺陷，本文所設計的低功耗視頻監測設備包覆在防冰腔體內，腔體包括外保護層、保溫層、低功率透明電加熱玻璃、氣流防護罩等部件，能夠保證其所有結構部件在冰期能夠正常工作。