输电线路除冰机器人除冰机构设计.docx
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输电线路除冰机器人除冰机构设计
第一章绪言
1.1引言
2008年1月，郴州市出现了连续近一个月的低温雨雪冰冻天气，遭受了历史罕见的冰雪灾害。
国家减灾委员会专家已定性为：
“郴州发生的这次冰雪灾害，是世界上一次大面积、极端性气候事件，是江南地区持续时间最长的一次雨雪冰冻过程，影响地区的人口之多是世界罕见的”。
这次郴州冰灾造成中心城区正值春节期间停电、停水10多天，个别地方达到20多天，交通、通讯、电视均出现不同程度的中断，成为了一座与外界隔绝的“孤城”。
郴州成为我国南方冰雪灾害最严重的地区之一。
特别是电力系统遭受毁灭性重创，冰灾引起了倒塔,现场调查了2008年湖南冰灾期间≥220kV输电线路的受损情况,发现倒塔线路覆冰厚度主要集中在20～60mm,同时微地形和微气象造成覆冰加重和覆冰的不均匀性,档距、塔形等对线路倒塔也存在影响。
分析倒杆断线的形式认为覆冰太厚超过设计值、垂直荷载压垮和不平衡张力拉垮是造成线路倒塔。
专家解说，高压线高高的钢塔在下雪天时，可以承受2-3倍的重量。
但如果下雨凇，可能会承受10-20倍的电线重量。
电线结冰，遇冷收缩，风吹引起震荡，就使电线不胜重荷而断裂。
随着我国经济的高速发展，超高压大容量输电线路越建越多，线路走廊穿越的地理环境更加复杂，如经过大面积的水库、湖泊和崇山峻岭，给线路维护带来很多困难．而且在严冬及初春季节，我国云贵高原、川陕一带及两湖地区常出现雾凇和雨凇现象，造成架空输电线路覆冰，使线路舞动、闪络、烧伤，甚至断线倒杆，使电网结构遭到破坏，安全运行受到严重威胁．在紧急情况下，寻道员用带电操作杆或其它类似的绝缘棒只能为很少的一部分覆冰线路除冰，人工除冰有很高的危险性。
在国外，一些国家的地理与气候情况与我国相似，甚至一些国家的情况更加恶劣，为了保证电力系统的可靠性，提高高压输电线除冰的效率，减少损失，维护工人的安全，开发一种可以替代或部分替代工人进行除冰作业的新型设备一直是国内外相关研究的热点．因此，研制安全有效的除冰机械以代替人进行导线除冰具有较好的应用前景和实用意义。
电动机除冰装置的示意图和实际工作图
1.2湖南省2008年冰灾的电网分析
全球气候正经历以变暖为主要特征的变化，气候变暖导致“厄尔尼诺”和“拉尼娜”等极端天气气候事件的频率与强度明显增加，输电线路所处地质条件复杂，容易遭受冰灾等极端天气的影响，目前国内外对已多次发生的输电线路冰灾事故进行了相关的研究。
2008年年初袭击湖南的持续低温、雨雪、冰冻天气过程来I临之前，湖南温度偏高、空气干燥。
湖南东、南、西部三面环山，向中部、北部过渡为丘陵和平地，冷空气袭击湖南后，湖南降温迅速，冷暖空气交汇形成的锋面逆温强度大，加上湖南北低南高的地势使逆温层得以加强，地势陡增处南下冷空气因推进受阻而徘徊驻留，随着暖湿气流不断补充，易形成长时间降雨、冰冻，形成持续的雨凇。
由于降温迅速，湘西高海拔山区和纬度较高的湘北地区地表气温低，但降水主要集中在湘南、湘中、湘东，且停留时间较长，导致湘南、湘中、湘东冰冻灾害强于湘北和湘西高海拔山区。
湖南电网冰冻灾害是在大尺度天气形势控制下形成的，拉尼娜现象起到推波助浪的作用，冰冻灾害受损范围与程度具有较强的微地形影响特征。
长时间的低温（0~﹣5℃）、降水过程为覆冰提供了适宜条件。
2008年初，受冷暖空气共同影响，湖南从01-11／02-07，共出现4次明显的雨雪天气过程，这次持续时间长的冻雨和冰冻天气给湖南电网带来了灾难性的影响。
湖南省电力公司500kV线路33条有14条线路倒塔182基，变形75基，导线断线或受损159处，地线断线或受损322处；220kV有44条线路倒塔679基，110kV有121条倒塔1864基；≤35kV高压线路倒杆6万4千多基，发生断线超过5万处；低压线路倒杆断杆33万多基，断线近37万处，在整个冰冻期间，发生了多次电网解裂和衡阳、郴州等地区大面积停电事故，使湖南电网受了有史以来最严峻的威胁，直接经济损失数10亿元。
现场调查了2008年湖南冰灾期间≥220kV输电线路的受损情况，发现倒塔线路覆冰厚度主要集中在20～60mm，同时微地形和微气象造成覆冰加重和覆冰的不均匀性，档距、塔形等对线路倒塔也存在影响。
分析倒杆断线的形式认为覆冰太厚超过设计值，垂直荷载压垮和不平衡张力拉垮是造成线路倒塔的原因。
江城线4979—4983段的冰情照片
2005年湖南冰灾后对覆冰倒塌的杆塔以及选择性选取的一些重要杆塔进行了改造，7条500kV线路新增和改造杆塔共142基，220kV共9条线路增加和改造铁塔32基，通过对局部区域杆塔更换塔型（将自立塔改为加强型转角耐张塔）、采用提高一级覆冰设计厚度（将15mm覆冰设计改为20mm）等措施提高杆塔的抗冰强度，通过新增杆塔缩小设计档距、缩短耐张段的距离，减少单基铁塔所受的重力荷载等技术措施进行改造，2008年这些改造的500kV杆塔未发生倒塌现象，220kV有2基因仅对主材加厚，在此次冰灾中发生扭曲受损，在同一区域有3基未改的杆塔发生了倒塌。
因此对杆塔抗冰强度适当加强，是防止覆冰倒塌的最好措施之一。
为应对冰冻灾害的影响，应进一步完善重大灾害的应急预案；按照差异化原则，易覆冰区段线路按20mm及以上覆冰设计，建设电网最小骨干网架；加快覆冰机理、融冰技术和冰情监测的研究和应用，覆冰期间提高重要线路的需送容量防止导线结冰，深入开展微地形、微气象的监测和冰区分布图的绘制工作。
第二章覆冰原理
影响导线覆冰因素很多，主要包括：
气象条件、地理及地形条件、海拔高程、导线悬挂高度、导线直径、水滴直径、电场强度等。
按不同的分类方法，导线覆冰类型可分为：
（1）按冰的表现特性分为：
雨凇、雾凇、混合凇、积雪和白霜等[1,5,6]；雨凇是过冷却的降水碰到温度等于或低于0℃的物体表面时所形成玻璃状的透明或无光泽的表面粗糙的冰覆盖层，其密度较大，一般为0.85g/cm3。
雾凇分为两种：
一种是粒状雾凇，即过冷却雾滴碰到冷的物体后迅速结成粒状小冰块，其结构较为紧密；另一种是晶状雾凇，结构较松散，稍有震动就有脱落。
一般雾凇密度为0.25g/cm3。
混合凇是过冷却水滴在导线的迎风面形成的雨凇和雾凇混合冻结的不透明或半透明覆冰，密度在0.26～0.6g/cm3，黏附力较强。
积雪为黏附在导线上的自然降雪，有干、湿之分。
干雪密度≤0.1g/cm3，粘附力很弱；湿雪密度0.1～0.5g/cm3，粘附力较弱。
白霜是空气中的湿气与0℃以下的冷物体表面
接触凝结而成，对导线威胁不大，但会增加输电线路的电晕损失[7]。
冻雨覆冰形成的雨凇因密度大、附着力强，对架空输电线路的危害最大，08年初的南方电力冰灾主要由该原因造成。
（2）按冰的形成机理分为：
降水覆冰、云中覆冰和升华覆冰；
（3）按冰在导线上的横截面形状分为：
圆形或椭圆形覆冰、翼型覆冰和新月形等，如图1所示。
（4）按冰在导线表面的增长过程分为：
干增长、湿增长[1]。
这种分类利于分析导线覆冰的形成机理及形成过程中的热平衡及热传递。
雾淞和干雪是干增长覆冰过程，雨淞和湿雪是湿增长覆冰过程，而混合淞是介于二者间的一种覆冰过程。
导线覆冰截面图
第三章输电线路覆冰的危害
3.1线路过荷载
线路覆冰时，导线将承受数百到数千kg的荷载，导线和覆冰重量产生的拉力将通过导线、金具、绝缘子传递给杆塔，杆塔再传递给拉线，只要其中一个环节承受不住拉力，就将出现倒杆和断线事故，并往往会扩展至一个耐张段。
3.2不均匀覆冰或不同期脱冰
相邻档线路不均匀覆冰或不同期脱冰都会产生张力差，使导线在线夹内滑动，严重时将使导线外层铝股在线夹出口处全部断裂、钢芯抽动，造成线夹另一侧的铝股发生颈缩，拥挤在线夹附近，长达1～20m。
不均匀覆冰的张力差是静荷载，而不同期脱冰为动荷载，二者有所不同。
其次，直线杆塔承受邻档的张力差，会使绝缘子串产生较大偏移，碰撞横担而造成损伤。
再次，当张力差达到一定程度后，会使横担转动，导线碰撞拉线，电气间隙减小而烧断拉线，杆塔因失去拉线支持后倒塌。
3.3绝缘子串冰闪
冰闪为污闪的一种特殊形式。
绝缘子严重覆冰时，大量伞形冰凌桥接，泄漏距离缩短，绝缘强度降低。
融冰过程中，冰体表面水膜因溶解污秽中的电解质而形成导电水膜，使得绝缘子串的电压分布发生畸变，闪络电压被降低。
融冰时期常伴有大雾，使大气中的污秽微粒进一步增加融化冰水导电率，形成冰闪。
冰闪的持续电弧将烧伤绝缘子，绝缘强度降低。
3.4导线覆冰舞动
由于覆冰形状的不对称，改变了导线的空气动力学特性。
当风速在4～20m/s，且风向与线路走向≥45°时，导线具有较好的空气动力性能，在风的激励下产生低频高幅振荡。
轻者发生闪络、跳闸，重者发生金具及绝缘子损坏，导线断股、断线，杆塔倾斜、倒塌等电气事故。
第四章除冰方法
序号
方法
定类
数据
消耗能量
比较系数
1
融冰（3mm）
除冰
理论
904
100
2
航空标准除冰法
除冰
实验
400
44
3
融冰（1mm）
除冰
理论
301
33
4
射频+铲刮
除冰
实验
305
34
5
加热法
防冰
实验
180
20
6
红外线
除冰
实验
170
19
7
激光+铲刮
除冰
实验
120
13
8
形记合金
除冰
理论
72
8
9
气动脉冲（50Ls）
除冰
实验
6.8
0.75
10
电磁脉冲
除冰
实验
2.3
0.25
11
气动低环
除冰
理论
0.9
0.06
12
铲刮
除冰
理论
0.2
0.02
13
碰撞试验
除冰
实验
0.011
0.0012
14
牵引试验
除冰
实验
0.007
0.00069
适用于输电线路的机械除冰技术
使用机械外力手工或自动强制使覆冰脱落的除冰方法，称为机械除冰方法。
研制机械除冰方法的历史远早于其他类型的除冰、防冰方法。
机械法是针对输电线路的，有“adhoc”法、滑轮辗压铲刮法和强力振动法，滑轮辗压铲刮法达到了实用水平。
“adhoc”法由Phlman和Landers于1982年提出，它需要线路操作者在现场执行。
并且处理方法千变万化，包括敲打、撞击等。
当线路停电，可以触及到冰时，可采用手工除冰，从地面向导线、避雷线抛掷短木棍将覆冰打掉，或用木棒、竹竿敲打。
在线路带电时，应用与线路电压等级相符的绝缘棒敲打。
此外，也可用木制套圈套在导线上，用绳子顺着导线拉，以消除覆冰，这种方法只是权宜之计，既不安全，又不十分有效，因此，很少有人推荐使用，如果要用，就得为这种方法制定标准的操作规则。
由加拿大Manitoba水电局研制的滑轮铲刮技术是一种由地面操作人员拉动滑轮在线路上行走而铲除导线覆冰的技术，运用这种技术的除冰方法叫滑轮辗压铲刮法（icingrolling），滑轮辗压铲刮法已在加拿大的Manitoba使用了50多年，是目前唯一可行的输电线路除冰的机械方法。
它由滑轮、牵引绳及涂漆的胶合板或环氧树脂板等器件构成，加在滑轮上的力要足够让导线产生弯曲，这样，产生的应力才能使冰破裂脱落。
如果在板的两边固定一把锯齿刀，则除冰效果更好，但拉扯时注意不要损伤导线、避雷线和绝缘子。
滑轮铲刮法的最大优点是效果很快，且不需要特别的设备和专家，简便易操作，耗能小，价格低廉，较为实用。
但它也有缺点，那就是费时，安全性能不完善，且受地形限制。
据统计，要对一公里长导线进行滚压除冰约需卜2小时。
强力振动法是1988年由Mulherin和Donaldson研制的。
加拿大魁北克水电局发明了一种电缆除冰装置。
该装置包括一对导线，导线连接到电缆上，并沿电缆呈螺旋形缠绕，导线的一端连接到一个能在导线内产生电磁脉冲的脉冲发生装置上，另一端连接在一起构成封闭电路，依靠导线中电磁脉冲的通路，在导线之间产
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