基于微波物理熱效應(yīng)的高壓電線除冰裝置方案設(shè)計

杜麗　袁勇　張凱　黃俊

【摘 要】高壓電線除冰裝置對于保障高空輸電線路的安全具有重要意義。針對現(xiàn)有除冰裝置的不足，設(shè)計了一種集微波物理加熱與機械破冰于一體的新型高壓電線除冰裝置。該裝置分為驅(qū)動與行走部分、除冰機構(gòu)與控制部分，其中驅(qū)動與行走部分設(shè)計了以適應(yīng)各種冰況及防滑的驅(qū)動輪，除冰機構(gòu)上以微波物理熱熔化和間歇式機械敲擊相結(jié)合，實現(xiàn)了低能、高效、平穩(wěn)、安全的除冰。

【關(guān)鍵詞】低成本；高效率；微波；機械；除冰

1 背景及意義

2008年初，我國南方數(shù)省輸電線路遭遇歷史上罕見的冰雪災(zāi)害。長時間持續(xù)的高強度、大范圍低溫雨雪冰凍天氣，導(dǎo)致湖南、江西、浙江、安徽、湖北等地的電網(wǎng)發(fā)生倒塔、斷線、舞動、覆冰閃絡(luò)等多種災(zāi)害。按國家電網(wǎng)局災(zāi)后統(tǒng)計結(jié)果顯示，僅國家電網(wǎng)的重建修復(fù)資金就耗資300多億，并且恢復(fù)任務(wù)非常艱巨。雪災(zāi)所導(dǎo)致的電網(wǎng)癱瘓不僅讓國家耗資耗力，還讓廣大災(zāi)區(qū)人民備受煎熬。因此，必須及時破除高壓輸電線路上的結(jié)冰，保障電網(wǎng)安全。然而，目前的破冰方式還是以人工除冰為主，需要工人攀爬到高空進行作業(yè)，不僅存在重大安全隱患，而且效率低下，并且受限制于一些特殊地區(qū)，如高原、叢林地帶。

目前已有的高壓電線除冰裝置，其基本方法主要包括熱力除冰法、被動法、機械除冰法。熱力除冰效果明顯，但能量損耗大，設(shè)備投資成本高；被動法簡單易行，但可能因不均勻或不同期脫冰產(chǎn)生導(dǎo)線跳躍，引起線路事故；機械除冰法……。此外，人們還提出或正在研究電子凍結(jié)、電暈放電和碰撞前顆粒凍結(jié)、電磁脈沖除冰法、氣動脈沖除冰法以及高壓高頻勵磁除冰法等技術(shù)，但都存在費用較高、技術(shù)不夠成熟等問題。

為了達到高效率、低成本、低功耗、安全性強、操作方便的除冰目的，我們結(jié)合人因工程學(xué)的理念，將物理微波激振與電子機械相結(jié)合設(shè)計出了一種新型高壓電線除冰裝置。

2 設(shè)計方案

新型高壓電線除冰裝置結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，整套裝置主要靠橫架結(jié)構(gòu)（27）組成，由自帶電瓶箱供電，首先利用測距傳感器（4）測量電線覆冰厚度，并反饋到箱體盒（2）中的微型計算器進行處理，通過無線顯示到遠程App終端，由人工遠程操作微型計算器實現(xiàn)電動機（24）的啟閉、電磁離合器（11）的離合以及微波發(fā)射器（5）的融冰工作。并由一臺40W電動機（24）驅(qū)動，通過圓柱齒輪（13）將轉(zhuǎn)速與扭矩傳到驅(qū)動半軸上，然后直接經(jīng)由槽輪（12）通過皮帶將動力傳輸?shù)藉F齒輪對（18），從而將動力換向到凸輪（10）上，由凸輪（10）的周期旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)破冰伸出臂（7）的搖擺運動，迫使彈簧（9）因其剛度要求而實現(xiàn)碎冰器（6）對覆冰的重力敲擊，而其彈簧銷桿（8）頂端距離限制則可避免碎冰器（6）損傷電線。而采用皮帶傳動具有過載保護的作用，當敲擊力太大時，皮帶通過打滑以實現(xiàn)過載保護。其行走則是通過電磁離合器（11）將驅(qū)動半軸的動力傳到鏈輪（19），再由鏈條（20）將旋轉(zhuǎn)傳到鏈輪（23），由輸出軸帶動前輪驅(qū)動輪（26）沿電線行走，其配合輪（21）通過鈕扣板（25）限制可調(diào)范圍和彈簧（22）壓緊，使驅(qū)動輪貼和覆冰進行受力行走，從而實現(xiàn)“一機兩用”控制裝置的移動與破冰。

綜上所述，整套裝置機構(gòu)組成可分為三個主要機構(gòu)，驅(qū)動與行走機構(gòu)、除冰機構(gòu)以及控制機構(gòu)。

2.1 驅(qū)動與行走機構(gòu)方案設(shè)計

采用40W電動機進行單機驅(qū)動，通過一對傳動比為2的圓柱齒輪將電動機動力傳至驅(qū)動半軸上，再經(jīng)離合器和鏈輪及鏈條將動力傳至前輪驅(qū)動輪上，其中鏈輪之間傳動比設(shè)計為3.2，總體齒輪傳動將電動機轉(zhuǎn)速減速傳至驅(qū)動輪，由驅(qū)動輪齒槽嚙合電線行走，由于覆冰并不能完全除去，故配合輪與驅(qū)動輪間用彈簧和鈕扣板保證裝置能平穩(wěn)越冰行走。

其中，齒槽設(shè)計可增大驅(qū)動輪與電線間的摩擦阻力，亦可在行走于殘冰時能越過殘冰，并對其進行進一步破碎處理。

2.2 除冰機構(gòu)方案設(shè)計

此套除冰機構(gòu)分為兩個部分，物理微波融冰和機械破碎除冰。

物理微波融冰，是在伸出臂端安裝頻率為24125MHZ的磁控管。利用高壓電線比冰層吸收微波能力強易于加熱的特性，利用磁控管發(fā)出的微波在電線與發(fā)射面板間不斷反射進行能量加強，加熱電線融化覆冰。

機械破碎除冰，是利用凸輪回轉(zhuǎn)以及彈簧縮緊的杠桿機構(gòu)驅(qū)動破碎器來回敲擊覆冰。采用雙三角尖端對冰的破碎更有利，能更高效破冰。

2.3 控制機構(gòu)方案設(shè)計

控制機構(gòu)，是測距傳感器對裝置與電線間進行測距反饋，由遠程終端App發(fā)出電動機與離合器的啟動與閉合指令，經(jīng)由裝置自帶微型簡易計算機處理進行控制的系統(tǒng)機構(gòu)。

3 設(shè)計創(chuàng)新點

3.1 驅(qū)動和行走部分

利用鏈條與齒輪定傳動比傳動到驅(qū)動輪，驅(qū)動輪輪面設(shè)計成齒槽形，能有效防止除冰裝置在冰面打滑，也能除去除冰機構(gòu)未處理的殘冰。彈簧鈕扣板能適應(yīng)各種冰面，以保證行走輪夾緊在電線上不脫落，同時彈簧也能減緩由冰面不平引起的振動和沖擊，使整個裝置在冰面上行走更加平穩(wěn)。

3.2 融冰除冰部分

利用微波融化除冰使冰脫離電線，形成應(yīng)力集中區(qū)，結(jié)合機械式雙三角尖端敲擊破冰。除冰效率大大提高，并能使除冰效果更加明顯。

3.3 遠程控制部分

可采用手機App終端操作即可實現(xiàn)遠程控制，這樣降低了人工操作的危險性，亦能適應(yīng)各種不同的山區(qū)、叢林。

新型除冰裝置不僅融合了純機械除冰的破碎原理，還較好解決了高科技往往高成本問題。這樣的除冰裝置設(shè)計，給用戶帶來了了經(jīng)濟實惠的感受，還提供了安全可靠、高效低耗的保障。此裝置集微波物理加熱與機械破冰于一體，體現(xiàn)了低能、高效、平穩(wěn)、安全等各方面性能，具有好的市場發(fā)展前景。

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[責(zé)任編輯：王楠]