輸電桿塔智能防鳥害裝置的研發(fā)

高虹亮 馬 超

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

當(dāng)前輸電線路的鳥害事故己成為繼雷電活動和外力破壞后影響輸電線路安全運行的又一大隱患，越來越引起供電部門和電力線路工作人員的重視.近年的統(tǒng)計資料表明，鳥類活動引起的線路故障僅次于雷害和外力破壞，己居線路故障總數(shù)的第3位，表1為2004～2006年10月各區(qū)域電網(wǎng)線路涉鳥跳閘事件統(tǒng)計.為提高電力系統(tǒng)輸電線路運行的可靠性，避免由于鳥類活動而導(dǎo)致輸電線路發(fā)生跳閘事故，有必要研發(fā)有效的鳥類驅(qū)趕裝置來驅(qū)趕鳥類.

國內(nèi)外十分重視對鳥害防治的方法研究.國內(nèi)已采用多種方法防治鳥害，如實行“鳥性化”管理，安裝引鳥裝置，采用在線路桿塔上安裝驚鳥用的鳥刺、風(fēng)車、恐怖眼，掛小紅旗、加大絕緣子傘裙，安裝相關(guān)驅(qū)鳥設(shè)備等來實現(xiàn)對鳥害的防護.國外建造鳥巢斗防止大鳥在導(dǎo)線上方的鐵塔橫擔(dān)網(wǎng)格上筑巢，通過對防鳥圖案進行研究，選擇鳥的敏感色彩噴涂制作反光雙面圖案鋁牌安裝在桿塔頂位置，其他如升高的棲息平臺、金屬針刺、絕緣罩盤和塑料鳥針等方法.

表1 2004～2006年10月各區(qū)域電網(wǎng)線路涉鳥跳閘事件統(tǒng)計表

1 鳥害形式與特點

各地區(qū)鳥類的種類不同，生活習(xí)性也有區(qū)別，但根據(jù)多年的研究經(jīng)驗表明［1－3]，鳥類的活動有一定的活動范圍、規(guī)律和生活習(xí)性，如季節(jié)性，地域性，群體性和適應(yīng)性等.

通過對以往發(fā)生的鳥害分析，可以總結(jié)出鳥類對輸電線路的危害形式為：①大體型鳥類站立桿塔橫擔(dān)休息時，排泄的稀糞會造成導(dǎo)線對橫擔(dān)放電、絕緣子閃絡(luò)等，稱為鳥糞閃絡(luò)；②鳥類在飛翔、爭斗或者筑巢等其它活動時，從導(dǎo)線間隙穿過造成相間短路或單相接地故障；③小型群居鳥類長期活動于某一桿塔，造成絕緣子串被鳥糞堆積，遇大霧小雨天氣發(fā)生污閃故障；④由于某些鳥類的生活習(xí)性會經(jīng)常啄食復(fù)合絕緣子，使復(fù)合絕緣子發(fā)生破損，加速絕緣子的劣化、老化，降低了復(fù)合絕緣子的安全性，極易被擊穿，發(fā)生閃烙事故.

圖1 鳥類聚集于線路桿塔上的現(xiàn)象

圖2 線路復(fù)合絕緣子被鳥啄食實物照片

根據(jù)大量鳥害故障設(shè)備資料，可總結(jié)出鳥害在設(shè)備上的特點是：①從設(shè)備的電壓等級上看，鳥害故障多發(fā)生在110～220kV電壓等級的輸電線路上，35 kV及以下電壓等級線路幾乎未發(fā)生鳥害故障；②從桿塔的相位上看，80%以上的鳥害故障都發(fā)生在中相［2]，這是由于中相橫擔(dān)（系指三角形和垂直排列的上面一相或水平排列的中間一相）的棲息條件比較好，起落比較方便；③從桿塔結(jié)構(gòu)型式上看，鳥害故障的發(fā)生與橫擔(dān)的結(jié)構(gòu)型式關(guān)系十分大，通常桁架結(jié)構(gòu)式橫擔(dān)上發(fā)生的鳥害故障約占整個鳥害故障的90%，這是因為桁架式橫擔(dān)更便于鳥類棲息.

2 智能防鳥裝置的設(shè)計

從鳥類的習(xí)性和鳥害發(fā)生的特點分析著手，綜合各類驅(qū)鳥器的優(yōu)缺點，將音頻驅(qū)鳥、強光驅(qū)鳥、高壓脈沖驅(qū)鳥和防鳥刺驅(qū)鳥4種裝置整合在一起，安裝在一個主機箱內(nèi)，同時將一部分延展到桿塔的危險點（即懸垂絕緣子串正上方）處進行防護.由于該裝置是采用4種防鳥措施整合的驅(qū)鳥害裝置，可實現(xiàn)短時性和長時性相結(jié)合，點與面相結(jié)合，面與面相結(jié)合，能達到較為理想的驅(qū)鳥效果.其設(shè)計方案如圖3所示.

圖3 新型防鳥裝置設(shè)計方案圖

2.1 電源單元

該單元裝置采用太陽能電池和蓄電池相結(jié)合的供電方式［4].其特征在于安裝了太陽能電池板作為驅(qū)鳥設(shè)備的供電裝置，同時為了保證在太陽光線不足、陰雨天、夜晚無光時能夠正常供電，在太陽能電池上并聯(lián)一個具有可充電能力的蓄電池，保證電源系統(tǒng)能夠不分時段，不分條件地進行供電.為了保證太陽能電池的正常工作，在太陽能電池和可充電蓄電池的正極之間設(shè)置一只二極管，可以防止可充電蓄電池對太陽能電池的反充電狀況，保證可充電蓄電池的使用壽命.為了盡量減少可充電蓄電池的工作時間，在電源和電路之間設(shè)置一個光敏電阻作為開關(guān)，可以控制太陽能電池板的正常工作以及向可充電蓄電池的充電工作.由于大部分鳥類具有白天活動的習(xí)性，該裝置可實現(xiàn)蓄電池的電力供應(yīng)以及同步保證白天太陽能電池板對可充電蓄電池安全且穩(wěn)定地充電.

圖4 太陽能供電電源結(jié)構(gòu)圖

2.2 傳感及控制單元

信號探測采用熱釋電紅外傳感器.其工作原理是以非接觸形式檢測出自活體及外界物體放射出的微弱紅外線能量并轉(zhuǎn)化成電信號輸出.根據(jù)防鳥報警系統(tǒng)的要求選用被動式熱釋電紅外傳感器.其內(nèi)部含有一雙熱電元件、一只高阻值電阻和一只低噪聲場效應(yīng)管.將它們裝入一個5號晶體管（TO－5）外殼中，其結(jié)構(gòu)及等效電路如圖5所示.

圖5 傳感器結(jié)構(gòu)及等效電路圖

感應(yīng)裝置采用新型熱釋電紅外傳感器監(jiān)測鳥類活動信息，并將其轉(zhuǎn)換成微弱的電信號輸出到控制裝置.在控制裝置中感應(yīng)的微弱電信號經(jīng)運算放大器放大，再經(jīng)過信號比較器和防誤觸發(fā)電路濾去干擾信號，最后所得信號驅(qū)動計數(shù)器計數(shù)，然后控制裝置根據(jù)信號的類型進行動作.如果信號較弱，開啟音頻驅(qū)鳥裝置，同時開啟強光驅(qū)鳥裝置.若信號較強，開啟高壓驅(qū)鳥裝置，實現(xiàn)驅(qū)鳥目的.若無信號，控制裝置關(guān)閉.

2.3 音頻驅(qū)鳥裝置

音頻驅(qū)鳥裝置由3部分構(gòu)成：音頻播放部分，功率放大電路部分和揚聲器YD部分.音頻播放部分可直接在市場購買，可在網(wǎng)上下載各種鳥類哀鳴，天敵等鳴叫的聲音（根據(jù)不同地區(qū)不同鳥類錄制下載相對應(yīng)的聲音），并存儲到音頻播放器內(nèi)，音頻播放器在通電時可以直接工作，播放聲音.功率放大器部分采用μPC1238構(gòu)成的10W音頻功率放大器，其電路圖如圖6所示.

圖6 μPC1238電路圖

采用μPC1238運算放大器，因為該電路調(diào)試比較簡單，同時它還具有優(yōu)良的電氣性能：①失真?。悍糯笃髟谳敵錾鲜龉β蕰r，最大非線性失真系數(shù)小于1%，而頻寬卻能達到14kHz以上，音域范圍內(nèi)的頻率失真很小，具備高傳真重放的基本條件；②噪音低：若把輸入端短路，在揚聲器1m外基本上聽不到噪音，放送高傳真節(jié)目時有一種寧靜、舒適的感覺；另外由于使用了性能優(yōu)異的功率集成塊，放大器的開機沖擊聲也很小.

2.4 強光驅(qū)鳥裝置設(shè)計

強光驅(qū)鳥裝置由3部分構(gòu)成：低頻振蕩電路部分、定時控制部分和LED發(fā)光部分.LED發(fā)光部分的元器件可直接在市場購買，價格較為中等，而且和其他類型的發(fā)光裝置相比有很大的優(yōu)點，如高節(jié)能，超低功耗，電光功率轉(zhuǎn)換接近100%，使用壽命長，高環(huán)保等.定時裝置根據(jù)鳥類的活動特性對時間進行控制.同時，強光電路在白天的太陽光照下會喪失作用，故設(shè)置在傍晚或者凌晨時分作用.強光產(chǎn)生電路如圖7所示.

圖7 強光產(chǎn)生電路圖

2.5 高壓脈沖驅(qū)鳥裝置

高壓脈沖裝置由2部分組成：高壓脈沖變壓器部分和終端放電裝置.其中高壓脈沖變壓器的作用是把電源的低電壓經(jīng)過變壓器變壓作用升高到10～20 kV的高壓脈沖，而終端放電裝置安裝在桿塔危險點處用來驅(qū)趕鳥類.考慮到終端放電裝置自身的優(yōu)缺點以及防鳥刺自身的優(yōu)缺點，將兩種裝置相互結(jié)合.

圖8 串流式高壓脈沖變壓器電路圖

該串流式高壓脈沖變壓器電路具體實施方案為：如圖8所示，由第一級兩個變壓器串聯(lián)構(gòu)成該裝置，第一級變壓器的初級繞組a、x接蓄電池電源，由次級高壓繞組A1，X1感應(yīng)出電壓U1，平衡繞組a1、x1串聯(lián)在次級高壓繞組A1、X1上，平衡繞組a1、x1的輸出端與第二級變壓器的勵磁繞組a2、x2并聯(lián)，第二級變壓器的高壓繞組A2、X2感應(yīng)出高壓脈沖電壓U2，第一、二兩級高壓繞組的輸出電壓串聯(lián)相加，即得到U1＋U2的高壓脈沖輸出電壓，由A2通過負載R至X1形成高壓脈沖回路，完成高壓脈沖的產(chǎn)生.

2.6 新型防鳥刺

防鳥刺基本原理是在一個球冠形底座上安裝若干個針體，針體呈放射狀分布，使鳥不能落在驅(qū)鳥針安裝處，從而有效防止鳥害的發(fā)生.針對現(xiàn)有防鳥刺［5]的優(yōu)缺點進行改進，設(shè)計出新型防鳥刺，不僅能達到防鳥目的，而且方便線路維護人員實施檢修工作.其裝置如圖9所示.

圖9 新型防鳥刺結(jié)構(gòu)圖

為了使高壓脈沖裝置能夠正常使用，特將套管選用工程塑料，既保證了強度需求，又實現(xiàn)了絕緣要求.鳥刺散開成放射狀，能阻止鳥類在此處落腳，避免了因鳥類棲息時排便引起絕緣子短接而造成線路跳閘的危害.當(dāng)線路工人到桿塔上檢修時，可以拉動針體把手，沿著軌道槽將防鳥刺收合起來，給線路工人桿塔上的維修工作帶來方便，當(dāng)維修結(jié)束時，再將針體把手放回到軌道槽的上層，防鳥刺可以完全展開，繼續(xù)起到防鳥的作用.由此將4種防鳥方式整合，組成一種復(fù)合防鳥裝置，其總裝示意圖如圖10所示.

圖10 裝置總裝示意圖

3 結(jié) 論

該智能防鳥害裝置是整合了4種傳統(tǒng)防鳥措施而研發(fā)的新型防鳥裝置，包括音頻驅(qū)鳥裝置，強光驅(qū)鳥裝置，高壓脈沖驅(qū)鳥裝置和驅(qū)鳥刺裝置部分.4種防鳥害裝置的相互結(jié)合，可實現(xiàn)彼此的優(yōu)勢互補，達到短時和長時結(jié)合防鳥的目的.此外，安裝有感應(yīng)裝置，能夠自動感知鳥類，避免了裝置的無效動作，可以避免鳥類產(chǎn)生條件反射，而使裝置失效.裝置采取相對分散的安裝方式，實現(xiàn)了對危險點處的有效防護，達到了點與面，面與面有機結(jié)合的目的，防鳥效果較好.經(jīng)過在輸電線路桿塔上的應(yīng)用證實，該智能防鳥害裝置對桿塔鳥類的防護效果十分理想.

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［3]施東明，楊 凱.基于鳥類生態(tài)學(xué)研究及配電線路鳥害防治探討［J].山東電力，2006（5）：324－329.

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［5]秦 龍.輸電線路防鳥害裝置：中國，02214723.3［P].2003－05－21.