一种消减高压电力架空导线上挂积冰雪的装置和方法

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一种消减高压电力架空导线上挂积冰雪的装置和方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及高压电力线路的安全保障，具体涉及一种消减高压电力架空导线上挂积冰雪的装置和方法，适用于高压架空线路在冰雪恶劣天气状况下，输电线路的安全运行。\n背景技术\n[0002] 随着我国智能电网的不断深入和发展，对高压输电线路的实时监测技术有了较快的发展，对保证电力线路的安全运行起到了重要的作用。目前，线路的远程监测中通过3G或GSM等通信信道，在线路上安装了诸如：摄像头、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、振动传感器、偏角传感器等，可以将线路上的状态了解得十分清楚。但是要在不停电的情况下，将远方线路上积聚的冰雪消除却并非易事，如不及时消除连续积聚的冰雪，增加到一定荷重后将导致高压线断线，杆塔倒塌等严重事故，如2008年底我国南方雪灾使大面积电力线杆塔倒塌事件，便是一个非常严重的状况。因此，在电力生产中，十分迫切地需求出台能有效消减输电线路野外冰雪的措施，此举对我国国民经济和人民生活都有十分密切的关系。经检索，申请专利号为200810087009的中国发明申请，记载了一种“自动保护防止覆冰自动融冰的架空电力线路”，按该专利的相关描述，该技术方案实施比较困难，理由是：根据有关资料表明，线路融冰的可行性主要取决于要获得的融冰电流所需的融冰电源设置问题。有关研究结果表明：35KV作融冰电源时，500KV线路短路电流不能达到最小融冰电流；220KV作融冰电源时，长度不超过169km(LGJ-4×300)、148km(LGJ-4×400)或118km(LGJ-4×500)的线路短路电流可以达到最小融冰电流，但需要系统提供的无功在\n1000MVAR以上，由于电力系统无功储备能力有限，220KV作融冰电源的500KV线路短路融冰方案不可行。500KV作融冰电源时，短路电流虽然可以达到最小融冰电流，但需要系统提供的无功在2000MVAR以上，同样受限于系统无功能力，因此500KV作融冰电源的500KV线路短路融冰方案也不可行。经计算，在满足环境温度-18℃左右、零风速、最小融冰电流4000A的条件下，采用直流方式融冰时，需要系统提供的功率近200MW。\n[0003] 因此，如按上述方法，首先需要对线路进行停电作业融冰，这样本身已影响了线路的正常供电秩序，同时还需要提供近20万千瓦的电力来融冰，即相当于需要配置一个小型发电厂的一个供电容量，耗资十分巨大，操作实施十分困难。\n发明内容\n[0004] 针对上述现状，本发明提供一种消减高压电力架空导线上挂积冰雪的装置和方法，目的是在不停电、野外、无人值守的情况下，可以在线监测，在线作业消冰，同时还应具有除冰及时、节省能源、功能齐全、可操作性强的特点。\n[0005] 本发明所采用的技术方案是：消减高压电力架空导线上挂积冰雪的装置，安装在处于带电运行之中的两个线路铁塔之间的架空导线的下面及周围，导线与铁塔之间连有绝缘瓷瓶，其特征在于：所述装置包括加热系统、供电系统和检测控制系统，加热系统设置在距离导线底部有一定间距的正下方；供电系统的电源取自地面，经变压后供加热系统使用；\n检测控制系统包括温湿度传感器、摄像头、地面控制中心和无线通信网络。\n[0006] 所述加热系统包括专用夹具、电热丝、遥控电热丝开关和瓷套管，专用夹具为截面呈倒三角形的空心支架，其上端有一可开合的环形固定扣，空心支架最底端固定瓷套管，套管内穿有电热丝。\n[0007] 所述装置还设有振动系统，包括飞摆振动器、振动器电源线、拉力传感器和遥控振动器开关，其中飞摆振动器安装在绝缘瓷瓶与导线的连接处及导线中部，振动器电源线及其外面的瓷套管布置在空心支架内，振动系统由供电系统供电。\n[0008] 所述供电系统包括顺序连接的太阳能板、蓄电池组、逆变器、电压互感器电源开关和电压互感器，电压互感器的底部分别连接遥控电热丝开关和遥控振动器开关。\n[0009] 所述检测控制系统具有ZIGBEE无线自组网络，其ZIGBEE协调器设于地面控制中心内，而ZIGBEE根单元与各物理参量传感器制成一体；所述物理参量传感器包括温湿度传感器、拉力传感器和雪深探测器。\n[0010] 所述温湿度传感器分为导线温湿度传感器、电热丝温湿度传感器和环境温湿度传感器，导线温湿度传感器安装于导线正上方的固定扣上，电热丝温湿度传感器紧贴安装于穿有电热丝的瓷套管下面，环境温湿度传感器安装于铁塔上；所述拉力传感器安装于铁塔与绝缘瓷瓶之间；所述雪深探测器安装于铁塔上。\n[0011] 所述电热丝按不同类型的导线进行布置，形成来回回路；所述振动器电源线在三角的空心支架内穿行布置。\n[0012] 在电压互感器的高压侧和低压侧分别装有高压避雷器和低压避雷器。\n[0013] 用本发明所述的装置消减冰雪的方法，包括以下步骤：\n[0014] 1、当含有环境温湿度传感器的无线电自组网ZIGBEE根单元监测到环境温度低于\n0～-3℃、并且有雨雪湿度时，ZIGBEE根单元通过ZIGBEE协议向地面控制中心的ZIGBEE协调器发出报警信号，并上报本段线路的杆号和地理位置，控制中心操作摄像头对现场进行察看验证，如确系雨雪天气发生，则启动该线路段上的设备均处于准备状态，之后每隔\n10～30分钟ZIGBEE协调器向分别含有导线温湿度传感器和环境温湿度传感器的ZIGBEE根单元采集一次数据，并由摄像头每隔10～20分钟自动扫视现场情况；\n[0015] 2、当摄像头观测到导线或绝缘瓷瓶开始积雪时，地面控制中心操作遥控振动器开关动作，飞摆振动器工作，将导线和瓷瓶上初始产生的积雪抖落；\n[0016] 3、当持续降温降雪，环境温湿度传感器检测到的温度低于-3～-10℃时，只有飞摆振动器间歇性工作，电热丝仍然不工作；\n[0017] 4、当天气转变、环境温度升高至0℃～1℃、导线上面的冰雪开始融化下滴、顺着空心支架流到底部的瓷套管上时，装在瓷套管底部的电热丝温湿度传感器向地面控制中心上传报警信号，再由摄像头确认此处确有冰雪积聚时，由地面控制中心操作遥控电热丝开关动作，电热丝开始加热，当电热丝温湿度传感器检测到电热丝上的温度超过6℃时，地面控制中心操作遥控电热丝开关减档运行以减小流过电热丝的电流值，不断由电热丝温湿度传感器的量值来触发开启电热丝开关动作，使电热丝的温度基本保持在5℃-6℃左右的热平衡；\n[0018] 5、若天气又转冷，环境温湿度传感器测出的温度低于-3℃时，通过摄像头再确认导线上的雪又处于冰冻状态，地面控制中心操作遥控电热丝开关将电热丝断电，等待下一次的温度回升；\n[0019] 6、重复步骤4～步骤5。\n[0020] 上述含有各物理参量传感器的ZIGBEE根单元平时以休眠方式工作，每间隔10-20分钟进行一次时钟苏醒及校时动作。含有导线温湿度传感器、电热丝温湿度传感器和环境温湿度传感器的ZIGBEE根单元，当环境温度为-1℃且传感器上有水珠时，对应的ZIGBEE根单元自动苏醒，并进入工作状态。\n[0021] 本发明的有益效果是：1)由太阳能进行充电的蓄电池组供电，形成单元式，对线路进行分段融化，平均300-500M为一个单元，装置可以在线路不停电的情况下实施消融积挂作业，提高了供电的可能性和连续性；2)俗话说：冰冻三尺非一日之寒，本发明采用了战术上主动应战的方法，将融冰消雪提前在萌芽和积累状态就开始采取措施，不是等大量的冰雪积累后再来处置，因此大大减少了融冰能量的消耗，其三角型专用夹具使化冰能量由大面积的导线截面转化为如同铅芯大小的仅1mm左右直径的电热丝，平均每公里耗电仅为\n3kw～5kw容量来进行作业，可分段操作，作业目的性强，效果明显，增加了线路工程中的可实施性，与常规使用一座小型电厂的能耗来融冰相比，大大节约了能源消耗；3)解决了目前线路监测中，只看“不做”，看见了“无法做”的问题，本发明将现场发现的问题通过无线监控装置进行加热、振动等操作，使冰雪消除在始发状态，成本低，效果好，速战速决，保证安全运行，可靠供电。\n附图说明\n[0022] 图1是本发明的结构示意图。\n[0023] 图2是本发明中导线段的截面图。\n[0024] 图3是本发明的系统流程图。\n具体实施方式\n[0025] 如图1所示，本实施例消减高压电力架空导线上挂积冰雪的装置安装在处于带电运行之中的两个线路铁塔19之间的架空导线4的下面及周围，导线与铁塔之间连有绝缘瓷瓶25。本装置包括加热系统、供电系统和检测控制系统，加热系统设置在距离导线4底部有一定间距的正下方；供电系统的电源取自地面，经变压后供加热系统使用；检测控制系统包括温湿度传感器6、摄像头20、地面控制中心24和无线通信网络。\n[0026] 如图2所示，所述加热系统包括专用夹具3、电热丝1、遥控电热丝开关12-1和瓷套管2，专用夹具为截面呈倒三角形的空心支架3-1，其上端有一可开合的环形固定扣3-2，固定扣可以做成一端与支架铰接，另一端为活扣，支架涂成黑色，以加强吸热效果，以保证在阳光出现时夹具的温度能高于导线上的温度；也可以用铁丝等绑扎固定。在空心支架最底端并排固定两个瓷套管2，用于穿电热丝1。电热丝1按不同类型的导线(单根或分裂式导线)进行(上下或并排)布置，一去一回形成回路，供电电压为交流1000V-2000V。\n[0027] 为了将导线上的干雪抖落，本发明还可以在上述装置的基础上增加振动系统，它包括飞摆振动器22、振动器电源线27、拉力传感器21和遥控振动器开关12-2，其中飞摆振动器安装在绝缘瓷瓶25与导线4的连接处及导线4中部，振动器电源线27及其外面的瓷套管2在三角形的空心支架3-1内穿行布置，本例(请见图2)振动器电源线有上下两根布置在支架内，形成一去一回的回路，一般供电距离不超300M，供电电压为～220V-380V。振动系统的电源也来自供电系统。\n[0028] 由于在架空铝芯线上紧附夹具，为防止瓷套管破损后导线搭碰，所选用的二次供电的导线上必须是同类的导体，否则可能会形成不同金属引起的腐蚀现象。\n[0029] 所述供电系统包括顺序连接的太阳能板30、整流器16、蓄电池组15、逆变器14、通信控制箱13、电压互感器电源开关23和电压互感器8，电压互感器的底部分别连接遥控电热丝开关12-1和遥控振动器开关12-2。通信控制箱13的功能为：1、安装了本地ZIGBEE无线自组网络的协调器单元。2、具有GPRS移动通信装置的接口或3G移动通信系统的接口单元。协调器与3G移动通信系统通过线路进行连接以及通信抗干扰装置一同安装于通信控制箱中。\n[0030] 由太阳能板对蓄电池组进行充电，常规按1m2可产生100W功率计算，常规段线路线约需3-5KW的电力，需配置200Ah、36V、由蓄电池10只可满足常规要求，由太阳能进行\n5％-10％的电流进行电源的浮充电。\n[0031] 地面的低压电源只有通过电压互感器8的供电才能保证对电热丝及振动器的供电电源，电压互感器在制造上需要在常规的电压基础上增容，因为常规互感器容量只有\n100VA，本装置的设计为3KVA～10KVA。电压互感器8的功率为3-5KVA，初级绕组由蓄电池组经逆变器后提供电源，次级分二个绕组线圈，一个绕组线圈供电热丝的电源，供电电压为交流1000V-2000V，另一个绕组线圈供振动器的电源之用，供电电压为交流220V-380V。\n[0032] 本例还在电压互感器8的高压侧和低压侧分别装有高压避雷器9-1和低压避雷器\n9-2。\n[0033] 供电系统除上述方案外，还可取自本段高压线路的电源，用电压互感器增容后供电。\n[0034] 所述检测控制系统具有本地的ZIGBEE无线自组网络，其中的ZIGBEE协调器(型号：美国意法半导体公司EMZ3118芯片)设于地面控制中心24内，而ZIGBEE根单元(型号EMZ3018芯片)与各物理参量传感器制成一体。本地的ZIGBEE无线自组网络与远方控制中心之间使用GPRS或3G进行通讯，通讯装置安装在通信控制箱13内。所述物理参量传感器包括温湿度传感器(温湿传感器由Sensirion公司的SHT11/71作采集元件)、拉力传感器\n21和雪深探测器26。含有各物理参量传感器的ZIGBEE根单元平时以休眠方式工作，每间隔10-20分钟进行一次时钟苏醒及校时动作。\n[0035] 所述温湿度传感器分为导线温湿度传感器6-1、电热丝温湿度传感器6-2和环境温湿度传感器6-3。导线温湿度传感器6-1安装于导线4正上方的固定扣3-2上，电热丝温湿度传感器6-2紧贴安装于穿有电热丝1的瓷套管2下面，环境温湿度传感器6-3安装于铁塔19上。所述拉力传感器21安装于铁塔19与绝缘瓷瓶25之间。所述雪深探测器26安装于铁塔19上，当积雪超过1-2米时发出报警信号，同时可随时遥测当地环境积雪的厚度。\n[0036] 本发明消除覆冰的原理其实是液态过冷却水滴释放热固化的物理过程，与热量交换和传递密切相关，导线上的覆冰量、冰厚、冰的密度都取决于覆冰表面的热平衡状态。\n[0037] 覆冰表面的热平衡方程为\n[0038] Qf+Qv+Qa＝Qc+Qe+Q1+Qs\n[0039] 式中：Qf为冻结时释放的潜热；Qv为空气磨擦对冰面的水滴加热；Qa为将冰从\n0℃冷却到覆冰表面稳态温度释放的热量；Qc为覆冰表面与空气的对流热损失；Qe为覆冰表面蒸发或升华产生的热损失；Q1为碰撞导线的过冷却水滴温度升高到0℃时释放的热量；\nQs为冰面辐射产生的热损失。\n[0040] 式左边为覆冰表面吸收热量，右边为损失的热量。当左边小时，碰撞的过冷却水滴全部冻结在覆冰表面，覆冰表面干燥，为干增长覆冰过程；当左边大时，导线捕获的水滴部分冻结，其余部分则以液体水原样流失，覆冰则为湿增长过程。\n[0041] 导线覆冰量计算式为：\n[0042] \n3 2\n[0043] 式中：w为空气中过冷却水质量浓度，g/m ：So为导经在迎风面上的投影面积，m。\nA为导线覆冰的冻结系数。v为风速，t为覆冰时间。\n[0044] 由上述可知，通俗地讲，导线上的冰柱形成是由多次融化+雨水+降温结冰+融化+结冰+多次重复形成的，每次在冰点的最底端由水珠结冰积聚而成。\n[0045] 根据上述原理，本发明可以采取以下步骤方法来消减冰雪，请参考图3：\n[0046] 1、当含有环境温湿度传感器6-3的无线电自组网ZIGBEE根单元监测到环境温度低于-1℃、并且有雨雪等湿度时，该ZIGBEE根单元通过ZIGBEE协议向地面控制中心24的ZIGBEE协调器发出报警信号，并上报本段线路的杆号和地理位置，控制中心操作摄像头20对现场进行察看验证，如确系雨雪天气发生，则启动该线路段上的设备均处于准备状态，之后每隔10～30分钟ZIGBEE协调器向分别含有导线温湿度传感器6-1和环境温湿度传感器6-3的ZIGBEE根单元采集一次数据，并由摄像头20(带夜视)每隔10～20分钟自动扫视现场情况；\n[0047] 2、当摄像头20观测到导线4或绝缘瓷瓶25开始积雪时，地面控制中心24即操作遥控振动器开关12-2动作，飞摆振动器22开始工作，振动器发出振动、摆动等各种振动频率，将导线和瓷瓶上初始产生的积雪抖落；\n[0048] 3、当持续降温降雪，导线上会很快形成冰雪的积累，这时如环境温湿度传感器6-3检测到的温度低于-5℃时，只有飞摆振动器22间歇性工作，电热丝1仍然不工作；\n[0049] 4、当天气转变、环境温度升高至0℃～1℃时，导线上面的冰雪开始融化，雪冰水由导线上方开始下滴，当顺着三角形的空心支架3-1流到最下端的瓷套管2上时，贴在瓷套管底部的电热丝温湿度传感器6-2即刻向地面控制中心24上传报警信号，再由摄像头20确认此处确有冰雪积聚时，由地面控制中心操作遥控电热丝开关12-1动作，电热丝1开始加热，当电热丝温湿度传感器6-2检测到电热丝上的温度超过6℃时，地面控制中心操作遥控电热丝开关12-1减档运行以减小流过电热丝的电流值。如此不断地由电热丝温湿度传感器6-2的量值来触发开启电热丝开关动作，使电热丝的温度基本保持在5℃-6℃左右的热平衡；\n[0050] 5、若天气又转冷，温度迅速下降，环境温湿度传感器6-3测出的温度低于-3℃时，通过摄像头再确认导线上的雪又处于冰冻状态，地面控制中心操作遥控电热丝开关12-1将电热丝断电，等待下一次的温度回升；\n[0051] 6、不断重复步骤4～步骤5，总是不让冰在导线的下端积聚起来，因此就不会产生长长的冰柱将电线压断。\n[0052] 含有导线温湿度传感器6-1、电热丝温湿度传感器6-2和环境温湿度传感器6-3的ZIGBEE根单元，当环境温度为-1℃且传感器上有水珠时，对应的ZIGBEE根单元会自动苏醒，并进入工作状态。