电缆除冰系统设计

摘 要：电缆覆冰会影响输电线路安全，引发各种事故，严重时会导致通信中断或大面积停电。本设计通过对受灾地区结冰条件数据的采集分析，可得出适应不同地域气候的电缆除冰方案。系统主要由采集分析平台和除冰作业小车两部分组成，采集平台用来对降雨量、风速、温湿度等影响电缆结冰的主要因素M行分析，除冰作业小车用来清除电缆覆冰，系统采用无线供电技术，实用性高。

关键词：电缆除冰；无线传输；数据分析

1 目前主要的电缆除冰技术

近年来，雨雪冰冻灾害发生频率和强度有逐渐增加的趋势，如果不采用快速有效的电缆除冰方案，可能会引起潜在的危险和巨大的损失[1]。电线结冰的形成机制很复杂，与各种要素有关，如温度、湿度、风速、风向和降雨量等。

国内外除冰技术大概有以下几种：人工除冰、大电流生热融冰、机械除冰、机器人除冰和航空除冰等方法[2]。人工除冰是通过人工巡线的方式，借助望远镜，照相机或红外传热成像仪等进行巡视，发现问题后，通过手动敲击的方式清除电缆的覆冰。人工除冰速度慢，既辛苦，又危险，而且人工巡视距离较远，观测结果不准确。人工除冰不容易掌握力度，力度过大亦会破坏输电线，影响用户供电，加上目前人工劳动力成本增加，可利用人工除冰的地域越来越少。大电流生热融冰是将高压输电线电压降低，在功率一定的情况下电流变大、电缆生热，从而将覆冰融化清除，该除冰方法效果明显，效率较高，但是损耗能量大，成本高昂，机械除冰法所需的能量远远小于大电流生热融冰法所需要的能量，对于这种情况，即使机械除冰法效率低至1%，仍远优于大电流生热融冰法，应用价值大。大电流生热会损耗输电线，且电压的变化无法做到完全不影响用户供电，此除冰方法对于通信电缆无法适用。机械除冰法是通过机械装置进行除冰，常见的有滑轮刮铲法等。机械装置需依靠大型吊车将其架设在输电线上。虽然机械除冰法速度比人工快，但受地域影响极大，在丘陵，山脉等地区均无法采用此方法，并且对机械装置供电只能采取地面充电的方式，这样会产生额外能量费用，且重量大，电缆安全没有保障。机器人除冰法可以说是目前较好的除冰方法。高压线巡检机器人集成了巡检仪器设备，由智能机器人、自动上下线装置、地面基站和后台管理系统组成，通过机器人自助上线、行驶越障、线路巡视和自助下线的方式进行工作。机器人沿着高压线路行驶，巡视并存储定位后的巡视图像，通过后台软件自动判断或人工分析线路的缺陷和安全隐患，随后进行检修维护，可大量节约人工成本。不过机器人除冰法缺点也很多，采用机器人虽然提升了智能程度，但是除冰效率不高，速度慢，残留覆冰较多，对算法和图像数据传输精度要求很高，受干扰程度大，自身重量对输电线也产生一定负担，并且成本高、结构复杂、不易维修。装置采用太阳能供电，受环境影响大。航空除冰是指利用小型直升机或者大型飞行器进行除冰作业，该方案除冰方法很迅速，效果相对较好，但是费用也很高。采用有人驾驶的直升机会对人身安全造成一定危险，采用无人驾驶的飞行器对控制要求很高，遥控不好会适得其反，影响除冰效果。

2 覆冰数据分析

通过以上描述我们可以发现，现有几种除冰技术都是被动清除覆冰，即当覆冰增加到一定厚度时才开始清除，没有一种技术是采用主动方式进行除冰，这样会由于时间久、结冰量大，造成除冰的困难，因此我们设计一种具有预防结冰功能的除冰系统。在主动除冰之前，需要对影响电缆结冰的主要因素数据进行分析，得出不同地域不同气候条件下电缆结冰的时间点，当达到时间点时，立即开启除冰小车进行除冰作业，这样就可以做到提前预防结冰形成。

在不同地域气候条件下，电缆结冰厚度也有明显差距。在一般输电线上，结冰厚度的测量计算比重为0.9g/cm3，设定覆冰形状的测量也是以圆柱形冰体为主[3]。传统测量覆冰厚度方法多采用等重量换算法和外形测量换算法，等重量换算法就是将导线覆冰收集起来，测量出其重量，再通过换算比重和公式来计算出覆冰厚度。外形测量换算法先是对覆冰的截断面、长轴和短轴等参数进行测量，再代入覆冰厚度计算公式，计算出覆冰厚度。由于电线覆冰形成的快慢和形状不同，外形测量换算法受客观因素影响大，不如等重量换算法准确。导致电缆结冰的原因复杂，用传统的多变量线性回归方法计算结冰厚度，很难取得较为准确的结果，无法令人满意。因此可以采用人工神经网络模型来逼近非线性系统，通过建立一日内最低气温、相对湿度、平均风速和日降水量模型图，直观反映出结冰厚度与每个影响结冰因素的关系。这样利用各地区气象站采集到的电缆结冰统计数据，可以分析出不同地区电缆结冰情况。

3 系统设计

本系统设计主要由两大部分组成：采集分析平台和除冰作业小车。采集分析平台由降雨量采集模块、风速传感器模块、温湿度模块、主控模块和无线发射模块组成，除冰作业小车由无线接收模块、主控模块、无线供电模块、电机驱动模块和机械除冰装置组成。系统结构图如图1所示。

通过采集平台对降雨量、风速、温湿度三个影响电缆结冰的主要因素的数据进行采集分析，可以计算出不同地域电缆开始结冰的条件，例如，在贵州省测得的电缆开始结冰的一种条件是当降雨量达到50mm、风速5m/s、-2℃、相对湿度25%，这时电缆会开始覆冰，因此设置采集模块数据条件之一是降雨量大于50mm，风速传感器采集风速大于5m/s，温度数据在-2℃以下，湿度高于25%，将数据存储进主控模块。当达到结冰条件后，采集平台通过无线发射模块向除冰小车发送指令，小车上的接收模块接收指令后，将小车的除冰作业模式开启，通过主控模块控制电机驱动模块，由电机驱动模块带动机械除冰装置进行工作，小车会快速稳定的在电线上移动，系统采用无线供电模块进行持续供电。本系统设计可以做到电缆上有一层薄覆冰的时候就会被立刻清除，避免时间久、结冰量大所造成的除冰困难。小车除冰速度快、重量低，不会对电缆造成额外负担，可以利用小型飞行器架设的方式架设到输电线上，移动性好，不受地域条件影响，相比利用大型吊车将机械除冰装置安放在输电线上的办法，此种方案反应速度快捷。相比机器人除冰法需要高精度图像数据传输的要求，本除冰系统设计受干扰程度小。

4 结束语

本系统设计构造简单，便于维护，进行除冰作业时不会影响用户供电或者损耗电缆，所需能量小，采用无线供电方式可以满足除冰作业的能量提供。在实验室进行了系统模块的组建，对降雨量采集模块、风速传感器和温湿度模块DHT22进行了数据采集测试，对433兆的无线模块进行数据传输测试，对双路直流电机驱动模块和机械除冰装置进行了除冰测试。通过多次测试检验，该系统设计可靠，可以推广使用。

参考文献

[1]王遵娅，张强，陈裕.2008年初我国低温雨雪冰冻灾害的气候特征[J].气候变化研究进展，2008（2）.

[2]李宁，周羽生.输电线路除冰技术的研究[J].防灾科技学院学报，2008（10）.

[3]殷水清，赵珊珊，王遵娅，等.全国电线结冰厚度分布及等级预报模型[J].应用气象学报，2009（20）.

通讯作者：付天舒（1977，11-），男，汉族，籍贯：河北省乐亭县，硕士学位，副教授，教师，研究方向：图像处理、信号处理和数据分析。