基本信息
- 项目名称：
- 输电线覆冰去除技术
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目以防为主，防治结合，双管齐下，以确保冰雪不会对输电线路造成损害。在输变电设施上涂覆具有一定耐水性的疏水电缆涂层，从而有效预防雨雪在电缆上的附着并结冰。利用控制系统，当输电线上所受到的冰雪压力到达一定值时，经信号放大器，AD转换器，单片机作用使导线升温也可以控制在输电线和塔架附近装有一定装药量的炸药药包或火药药包，使之爆轰或爆燃。
- 详细介绍：
- 输电线覆冰去除技术 论文摘要：本文通过分析输电线与塔架上的覆冰冬季覆冰损坏电力通信系统的原因，在进行线路保护工作时，提出一些有效的去除和防治冰雪的方法，并对该技术的一些专业问题加以解说，以提高架空输电线路抵抗冰雪灾害的能力。 关键词：架空输电线路和塔架；冰雪去除和防治方法 Abstract ： The article analysis of overhead transmission line and tower winter ice cover damage to the cause of the power communication system, in line protection work, to make some effective snow and ice removal and prevention methods and the technology to explain a number of professional issues, overhead transmission line in order to enhance the level of resistance snow. Key Words ：overhead transmission line and tower; snow and ice removal and control methods. 一、概述 本项目针对近几年南方架空输电线路冰雪灾害问题，研究南方地区架空输电线路冰雪灾害机理及架空输电线路防冰雪灾害方法，属于输电线路运行维护中的应用基础理论研究。 电力和通信是一个国家的经济命脉。中国经济的腾飞和社会稳定需要一个安全有效不间断的电力通信工业的支撑，一旦出现问题，直接关系人们的生产生活，影响巨大，损失惨重。特别是在当今的工业化时代，那将是灾难性的后果。 2008年1月全国各地普降中到大雪，南方数省输电线路遭遇覆冰灾害，浙江、湖南、湖北、福建、广西等省区的供电和通信都大受影响。这场冰灾造成电网大量倒塔、断线，变电站停运。华东电网区域内先后有90个县市受停电影响，2200多万人陷入无电照明、无电取暖、无电煮饭等的困苦之中。 据信息产业部不完全统计数据显示，截至1月27日，移动通信共有21210个基站中断通信；固定通信倒杆36180根，通信杆路损毁2932.55皮长公里。受影响用户3316万户，直接经济损失达7908万元。初步测算，经济损失已经超过亿元。 冰雪灾害给浙江电网造成严重影响，据统计，累计有23条500千伏线路跳闸，21条220千伏线路跳闸、拉停3条次，15条110千伏线路跳闸，90条35千伏线路跳闸，774条10千伏线路跳闸。500千伏线路倒塔135座，220千伏线路倒塔46座，全省累计断杆近万根，线路损坏8765公里。全省9个地市受灾，340个乡镇、8744个村、160多万户停电。直接经济损失达4.5亿元。 二、相关新闻报道 1、【新浪新闻中心】 2005年湖南电网出现严重的冰冻灾情，线路事故频发，多条500千伏、220千伏输电线路和一些重要变电站已经停运。据气象部门预测，未来几天我省还将持续高强度降雪、冰冻天气，极有可能出现更大范围、更加严重的冰冻，局部电网崩溃甚至大面积停电的风险进一步增大。 2、【联合早报网】 2008年贵州发生近50年来最严重的凝冻灾害，多处电力设施无法正常运行，影响广东的电力输送。 所谓凝冻，就是贵州各地飘起毛毛细雨，在摄氏零下四度到四度之间，雨雾粘到哪里都结冰。有直径二厘米的电缆，被凝冻的冰块包成了直径14厘米的冰缆。贵州电网工作人员说，当电线、铁塔、变电站长时间结冰，超出承受力，就会被压断、压坏，导致电力无法输送。 3、【广西壮族自治区应急办】 2010年1月，截至18日，持续的冰冻灾害已造成广西278万人受灾，目前广西正面临新一轮冰冻灾害的考验。局部地区受灾严重。广西融水苗族自治县984户4157人由于电力中断处于无电可用状态。 4、【《财经》综合报道】 2010年，新华社1月11日消息，持续低温雨雪灾害给贵州广西等地带来严重损失。在贵州，受灾人口超过430万人；在广西，截至10日，已有164万多人受灾。 5、【上海环境热线】 2010年1月12昨日，浙江省诸暨市浬浦供电所的抢修队员在东白湖镇西丁村抢修电力线路。 本报讯 昨日，南方部分地区已出现暴雪天气,中央气象台发布暴雪预警。截至今日20时，江南大部地区仍有大到暴雪。数个省市区拉响冰雪及暴雪警报，多个机场、高速以及高压线受到影响。 三、电线冬季覆冰产生灾害的原因 这次电网受损问题主要集中在输电线路上，雪灾暴露出部分地区输电网架结构脆弱。事故发生的主要原因是出事线路段覆冰太厚，最厚达60毫米，而按设计的抵御覆冰的厚度为10毫米，由于南方的电力通信部门的线路设计上较少考虑如何应对冰雪天气，而且很多线路建在大山沟里，当冰雪灾害来临时，参与抢险的各方措手不及。一座座铁塔成为面目全非的“冰塔”（如图一），一根根导线成为又粗又重的“冰线”（如图二）。 图一：冰雪包裹的输电设施 图二：重压下的输电线 输电线路在冬季覆冰是电力通信系统的自然灾害之一。虽然浙江地区冬季的平均气温都在0℃以上，但由于受西伯利亚寒流和太平洋暖湿气流的影响，几乎每年冬天都出现短期的覆冰气象条件。由于导线上增加了冰载荷，对导线、铁塔都会带来一定的机械损坏，覆冰严重时会断线、倒杆塔，导致大面积停电事故。另外，输电设备上产生覆冰后，绝缘水平大大下降，很多设备产生“冰闪”放电现象，大量设备因故障跳闸，特别是在气温回升，线路覆冰融化的过程中，极易发生线路闪络事故，对电网安全运行和可靠供电将造成严重威胁。由于事故发生在严冬季节，大雪封山，或公路结冻，使得抢修条件十分艰难，造成长时间停电，对国民经济造成重大损失。这是一个极待研究解决的问题。本项目就是研究浙江地区架空输电线路覆冰机理并研究提出有效的解决方法，以确保输电网络在恶劣天气下的正常运行。 四、相关研究现状 1、关于输电线路覆冰事故的报道 全世界的架空输电线路，有三分之一会受到冰雪的干扰，甚至造成灾害。覆冰是危害输电线路安全运行的主要灾害之一。 我国最早有记录的输电线路覆冰事故出现于1954年。近30年来大面积覆冰事故时有发生，1984年元月18日，华东电网严重覆冰事故，引起10-220KV线路倒杆倒塔、断杆断线断横担、地线顶架扭曲变形、大量线路故障跳闸。有18%的220KV变电所、38%的110KV变电所、60%的35KV变电所故障停电，主网解列时间长达56h44min。近年来输电线路覆冰跳闸及倒塔事故数更多。据国家电网公司220KV及以上线路覆冰统计：2003、2004、2005年的跳闸数为75、53、85次，事故数为12、24、45次 [1-4] 。 2005年2月的暴风雪压垮了湖南输电网电塔41座，输电线结冰，先后发生了电力线路冰闪跳闸、倒塔断线事故。因不堪重负3条500kV线路倒塔24座，变形3座；6条220kV线路倒塔18座，变形9座；其它电压等级线路也遭到了严重破坏 [5] 。 图三：湖南省郴州市倒塌的输电设施 1998年, 加拿大Quebec 省和美国 New York 州遭遇罕见冰暴，魁北可境内900公里735千伏输电线和150座电塔遭到毁坏, 4百万人遭遇停电, 某些地区停电达60天以上, 直接经济损失达10亿加币。 2、关于覆冰机理和防冰和除冰技术 为解决输电线路在冬季覆冰这一严重威胁电力系统安全运行的难题，国内外对输电线路覆冰的地形、气候、机理、倒塌、断线、冰闪等问题进行了大量研究[6-15]。为此国内出现了大量的输电线路的防冰和除冰技术的相关文献[16-27]。 Charles.R.S等提出用8-200kHz的高频激励融冰的方法，机理是高频时，冰是一种有损耗电介质，能直接引起发热，且集肤效应导致电流只在导体表面很浅范围内流通，造成电阻损耗发热。在输电线上施加高频电源将产生驻波，冰的介质损耗热效应和集肤效应引起的电阻热效应，都是不均匀的电压波腹处介质损耗热效应最强。但由于高频电磁波干扰，在很多国家受到限制。 加拿大IREQ高压实验室提出电磁力除冰方法，即将输电线路在额定电压下短路，同一相的两个子导线的短路电流产生电磁力使导线互相撞击而使覆冰脱落。但短路电流对电力系统是不利的，只在严重冰灾的紧急情况下使用。 日本研制出机械机器人除冰装置，据报道除冰装置重4kg，挂在导线上由直流电机驱动，在一档线的铁塔间来回破冰。但是一个机器人只能对两电杆之间的一根导线上的冰雪进行清除，挂上导线和取下充电都需要停电。 此外短路融冰法是一种成熟的技术，高压线路转换到中压母线上使线路导线短路发热、融冰，及时启动融冰程序，可以避免输电线路倒塌事故发生。但是，要求每条线路都设置了融冰母线，工作时要停电，并将冰冻线路隔离出电网才能进行。还是要遭遇大面积的停电。而且只能解决导线上的冰雪，无法去除电杆（铁塔）、避雷线、电瓷瓶、横担等输电设备上的冰雪。在严重冰雪天气时，往往是大面积的输电线路和设备覆冰，导致很多设备产生冰闪和污闪放电现象，这不仅使能耗增大，而且常常使短路融冰法难以实施。 还有化学涂料防冰雪方法，防雪环和防冰环方法，机械除冰雪方法，增加线路传输负荷电流方法等。但都有一定的局限性，难以推广应用。 3、关于防冰冻膜和憎水剂 防冰冻膜和憎水剂法是一种表面膜技术。目前我国对这方面的研究还不多，一般是对在玻璃上的憎水性研究[28]。分为有机溶剂基憎水剂和水基憎水剂2类。目前，常用的憎水剂溶液主要是以汽油等烃类物质为溶剂的溶剂基憎水剂．尽管溶剂基憎水剂制备的膜层具有良好的憎水性和耐腐蚀性[29-30]，但因使用了大量易挥发、易燃易爆的有机溶剂，不但污染环境，而且对人体有害且溶剂的价格较贵；而水基憎水剂以水为溶剂，安全环保、成本低廉，具有很大的应用前景。 用作憎水剂的低表面能物质通常为有机硅、有机氟等．在金属上使用的有机硅主要是硅烷试剂[31]，但硅烷试剂使用液的稳定性不易控制。近年来，在水性化发展的过程中，因有机氟乳液价格昂贵[32]，在一定程度上限制了其研究开发．现阶段有机硅乳液的应用研究主要集中在皮革、纺织、建筑等领域[33-34]．用在金属基材上常作为涂料组合物[35-36]，在金属基材表面用作憎水处理尚鲜见报道。 20世纪80年代为提高输电线路耐污闪能力，曾广泛采用硅油、硅脂、地腊等涂料，清华大学1986年研制的RTV涂料，是一种室温硫化硅橡胶（Room Temperature Vulcanized Rubber）,涂敷在电瓷表面，在空气中水解，并在催化剂作用下，使端羟基聚二甲基硅氧烷缩聚固化，形成硅橡胶涂膜。具有无气泡、不起皮、不龟裂的特点。使用以来，涂覆RTV的电瓷瓶具有优良的憎水迁移性，电气绝缘性能优良，能显著提高电瓷外绝缘的耐污闪能力且使用方便，设备喷涂后即可投入使用。 本研究则着重从防止雨雪附着方面进行深入研究，筛选具有疏水性、防锈性、防腐性、耐油性和耐化学品性且施工操作方便的疏水电缆涂层材料和方法。涂覆后的电杆、电线、电瓷瓶、角铁，形成一层疏水膜，水溅其上，无法附着和冰冻粘结，如水落荷叶，形成水珠，滚落在地，不留痕迹。一旦在电杆、电线、角铁架上有严重冰冻，结合导线升温加热融冰法，只要稍加震动就会碎裂脱落，具有优异的疏水防冰冻效果。 五、输电线覆冰去除技术 清楚了电线冬季覆冰产生灾害的原因，可以从预防冰雪和去除冰雪两个方面来消除其危害。 防冰部分：经研究发现，南方地区输电线路覆冰灾害的机理与北方地区有所不同，南方地区冰雪天气的气温在-6℃ - 3℃之间，空气中的湿度较大，下的雪通常是介于水与冰之间的雨夹雪。过冷却水滴容易附着与输电线路的电杆、电线、角铁、电瓷瓶上，形成覆冰，而且以每小时1~5毫米的速度逐渐积累形成冰柱，造成灾害。所以在输电设施表面涂覆疏水电缆涂层，使雨水在电缆上无法附着和冰冻粘结，同时设置全自动的振动除冰雪器，在冰雪积累的初期就予以消除，也可以在塔架附近的一定量的微型炸药包，利用这个控制系统将炸药包爆轰后形成一定强度的冲击波时，利用脆性的冰和韧性的输电线对冲击波响应的差异，使输电线上的覆冰在冲击波作用下破碎而脱落。这是防冰雪的关键。 除冰部分：根据焦耳楞次定律，电流通过导体要发热，发出的热量Q与时间t、导体电阻R和电流强度的平方成正比，即 （卡） 从理论上说，只要设计得当，调度合理，满负荷运行的架空输电线路是不会产生覆冰。但是，在架空输电线路中，导线截面的选择有多个因素，诸如经济电流密度、发热条件、电晕、电晕噪声、无线电干扰、电压损耗、机械强度等。一般预测投运10年间发展情况的线路输送最大负荷来确定导线截面；一般在输电线路的设计中要求尽可能少的电压损耗和功率损耗；当架空输电线路跨越铁路、河流、居民区时，必须规定导线的最小允许截面，以保证足够的机械强度。这些都使导线截面留有较大的余量，加之线路负荷的不稳定性，环境温度和散热速度的差异，使正常运行的输电线路上产生覆冰成为可能。 投入融冰运行的输电导线，因为是短时间运行，无须考虑经济电流密度、电晕、电晕噪声、机械强度的因素。按电压损耗小于7%，环境温度为0℃来设计，上限温度按导线长期工作允许的最高温度来设计。多层输电导线的运行最小允许截面的计算公式： ——融冰导线直径（mm） —— 电阻系数(Ωmm2/m) —— 电线长度(km) —— 工作电流(A) —— 空气流速(m/s) 一般可取0.5。 如采用综上所述的方法，可达到意想不到的防冰除冰效果。 六、项目核心技术解析 （一）部分名词解析 1、自动控制除冰雪器 由冰雪压力感应器，电源和振打器等组成。其方法是，自动控制除冰雪器安装在铁塔上，振打器固定于高空输电线的瓷瓶端或架线横担上，当冰雪在铁塔或电线上积累压力值到达一定值时, 由冰雪感应开关动作，振打器通电工作。振打器将一定振幅和频率的振动作用在瓷瓶和架线横担上，并将传递给电线，通过振动产生的冲击，能有效地消除冰雪，使铁塔和电线上的冰雪顺利的落下。 2、振打器 采用电力振动机或机械击震器，通常安装在横担上或瓷瓶与横担之间。振幅一般在0.8~10毫米范围，频率一般在3000赫兹以下。振打器激振方向一般为线路伸延的左右方向，在重点防护区段可设置为左右、前后、上下等多个方向。 该振打器的结构可以是由一个单相电磁铁作为动力，根据交流电磁铁的原理，当线圈内通入单相交流电时，因为在电磁铁的磁路中有一定的间隙，便使电磁铁产生一个振动力。另外该振动器，在两侧的固定杆上各装有一个压缩弹簧，通过调整螺母而使弹簧产生一定的压力，这样可使电磁铁产生出更大的振动力。当电磁铁的动铁芯做上下移动时，即带动下动板和上振打铁同时移动，从而使上、下振打铁相互敲击以达到振打的效果。 振打器的激振力根据电线杆或铁塔的大小、横担宽度、输电线的钢度粗细、冰雪密度以及电线杆的跨距决定，一般按大于10N小于电线、电杆、金具、瓷瓶的额定荷载值50%之间取值。 3、小型炸药包 将一定量的炸药药包或火药药包放在输电线和塔架附近使之爆轰或爆燃，当炸药包爆轰或火药药包爆燃后形成一定强度的冲击波时，利用脆性的冰和韧性的输电线对冲击波响应的差异，使输电线上的覆冰在冲击波作用下破碎而脱落，达到除冰的目的。炸药药包通过挤压、模压等方式制成，其材质和形状是塑料包装、金属箔包装和筒状包装、管状包装。放置在离铁搭或输电线0.5-2m处，受炸药控制装置控制。 4、疏水电缆涂层材料 采用聚四氟乙烯为基料，利用其成膜性好、与基体结合力强等特点，通过加人适当的非离子表面活性剂，使其分子能在金属表面定向排列，疏水的亚甲基朝外，亲水的羟基与钢铁基材表面的羟基相结合，形成氢键，经缩合失水形成稳定的共价键，来达到憎水防冰冻防腐蚀的目的。 对于老线路的改造，可以在入冬前对电缆和导线进行处理，喷上一层以有机疏水剂为主的疏水电缆涂层。有机疏水剂其配方材料是环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、消泡剂、流平剂、滑石粉、云母粉、瓷粉、石英粉。 在电瓷瓶上防冰冻憎水膜材料，可采用清华大学研制的RTV涂料，于1986年使用以来，具有优良的憎水性的憎水迁移性，电气绝缘性能优良；能显著提高电瓷外绝缘的耐污闪能力，同样有很好的防冰闪能力，使用方便，设备喷涂后即可投入使用。 5、外加导线输电导线 如图2所示，由导线（1）、绝缘层（2）和带绝缘层导线（3）绞织而成。一根外加导线绕在书电线上。各个区域的导线还可以设置成不同的材料，如某个区域的导线采用电阻稍大的铝合金材料，某个区域的导线采用强度较大和电阻较大的高碳钢材料。输电导线发热温度以能融冰雪为度，上限的控制以导线材料而不同，以不影响输电导线的强度为度。钢绞线＜125℃，钢芯铝绞线、铝合金绞线＜85℃，钢芯铝包铝绞线＜100℃，耐热铝合金绞线＜200℃。 6、单片机控制系统 单片机控制系统，由压力传感器，单片机等组成。当压力传感器接收到信号通过信号放大器将信号放大，经A/D转换器将电信号转换成数字信号，接着传递给单片机，通过单片机对输入信号进行判断，如果压力值是200N的时候，单片机控制使振打器工作或控制炸药控制装置使装在塔架附近的微型炸药包爆炸，控制电磁继电器使外加导线作用，升温。 （二）研究方案 1、调查勘测浙江电网造成严重冰雪灾害的地区，调查浙江覆冰地区气候地理相关参数，找出覆冰灾害极端气象规律。 经研究发现，南方地区输电线路覆冰灾害的机理与北方地区是不同的，浙江位于我国东部沿海，处于欧亚大陆与西北太平洋的过渡地带，气候总的特点是:季风显著,四季分明,空气湿润,气候资源配制多样，气象灾害繁多。冬季，受制于北方冷气团（即冬季风）的影响，全省冬季平均气温3～9℃，极端最低气温-2.2～-17.4℃；冬季主要气象灾害有寒潮、冻害、大风、大雪、大雾等。由于空气中的湿度较大，下的雪通常是介于水与冰之间的雨夹雪。过冷却水滴容易附着与输电线路的电杆、电线、角铁、金具、电磁瓶上，形成覆冰，而且以每小时1-3毫米的速度逐渐积累形成冰柱，造成灾害。所以在输电设施表面涂覆防冰冻憎水膜材料，使雨水无法附着和冰冻粘结，同时设置全自动的振动除冰雪器，在冰雪积累的初期就予以消除，以及导线升温去除冰冻法，寻求探索适用于浙江和南方地区的输电线路防冰雪灾害的有效方法。 2、改造实验室和自制实验装置，建立模拟覆冰实验室。实验室内设置可调整温度、湿度和空气流动速度的设备，设置可以调整输电线路方向的角铁、金具、瓷瓶以及负荷电流与电场的各种导线。研究覆冰灾害形成的条件，覆冰事故的表现形式。确定覆冰的根本原因和各主要影响因素，进一步探索和研究输变电设备覆冰机理和解决办法。 3、导线升温法研究：是输电线路覆冰监测系统和自动化的电气融冰装置的结合，根据焦耳楞次定律，电流通过导体要发热，发出的热量Q与时间t、导体电阻R和电流强度的平方成正比，即 （卡）。技术方案是：一个双层或多层输电导线路上安装的冰雪感应器，一套与多层输电导线相连接的切换开关，一个控制切换开关的计算机控制系统。冰雪感应器监测输电线路和天气条件，一旦发现线路上结冰和积雪，就会发出一个信号，控制一个与双层或多层输电导线相连接的开关切换到相应位置。从而减少投入运行的输电导线的截面，升高导线温度的方法。 从理论上说，只要设计得当，调度合理，满负荷运行的架空输电线路，由于导线上的温度高于零度，是不会产生覆冰。但是，在架空输电线路中，导线截面的选择有多个因素，诸如经济电流密度、发热条件、电晕、电晕噪声、无线电干扰、电压损耗、机械强度等。一般预测投运10年间发展情况的线路输送最大负荷来确定导线截面；一般在输电线路的设计中要求尽可能少的电压损耗和功率损耗；当架空输电线路跨越铁路、河流、公路、居民区时，必须规定导线的最小允许截面，以保证足够的机械强度。这些都使导线截面留有较大的余量，加之线路负荷的不稳定性，环境温度和散热速度的差异，使正常运行的输电线路上产生覆冰成为可能。这也是本发明思想的理论依据。 4、疏水膜法：在输电线路的电杆、电线、角铁、金具、电磁瓶中，采用疏水电缆涂层涂覆于其表面的方法。目前，在导线上防冰冻疏水膜材料我们团队采用的电缆涂层主要是以聚四氟乙烯为基料的疏水剂．具有安全环保的特性。对于老线路的改造，可以在入冬前对电缆和导线进行处理，喷上一层防冰冻疏水膜，应该是行之有效的技术。 清华大学1986年研制的RTV涂料，使用以来，在电瓷瓶上采用具有优良的憎水迁移性，电气绝缘性能优良；能显著提高电瓷外绝缘的耐污闪能力。且使用方便，设备喷涂后即可投入使用。 本项目则着重从防冰闪、耐水性、防冰冻能力及疏水膜材料对金属的附着力方面进行深入研究，以聚四氟乙烯为基料为成膜基料，进一步筛选具有防腐性、防锈性、耐油性、耐化学品性、耐水性和施工方便的防冰冻疏水膜材料和方法。主要从荷花出淤泥而不染，荷叶表面光滑，水滴无法附着其上的荷叶现象和汽车表面漆层的材料做出发点，深入探讨和研究了可涂覆在电缆表面的电缆涂层。涂覆后的电杆、电线、电瓷瓶、角铁，形成一层防冰冻疏水膜，水溅其上，无法附着和冰冻粘结，如水落荷叶，形成水珠，滚落在地，不留痕迹。具有优异的疏水防冰冻效果。 5、激振法：在输电线路上安装一个自动控制的激振除冰雪器的方法，其方法是，自动控制冰雪感应器安装在输电线路上，振打器固定于高空输电线的架线横担与瓷瓶之间，当冰雪在铁塔或电线上积累和气温低于一定量时, 由冰雪感应开关动作，振打器工作。振打器将一定振幅和频率的振动作用在架线横担上，并将传递给电线，通过振动产生的冲击，使铁塔和电线上的冰雪顺利的落下，从而有效地去除冰雪。由于及时处理，有效预防，不致形成灾害。 本方法主要研究振幅、频率、激振力、激振方向、自控装置以及安装部位。 6、冲击波法：炸药的轰爆速度和火药的爆燃速度为 500-7000m/s,其单个药包的装药量为50g到2000g。 该法将一定量的炸药药包或火药药包放在输电线和塔架附近使之爆轰或爆燃，当炸药包爆轰或火药药包爆燃后形成一定强度的冲击波时，利用脆性的冰和韧性的输电线对冲击波响应的差异，使输电线上的覆冰在冲击波作用下破碎而脱落，达到除冰的目的。 七、项目的创新之处 本项目针对各种问题，在大量研究国内外多种方法的基础上，提出一种输电线与塔架上的覆冰防治与去除的新方法。该方法以防为主，防治结合，双管齐下，以确保冰雪不会对输电线路造成损害。 （1）运用在输电线路上安装无线冰雪信号感应器和自动控制系统的方法； （2）运用外加防冰冻输电导线与自动控制装置相结合的导线自动升温法和确保输电线路正常运行的导线最小允许截面的计算方法。本技术融冰不会造成大面积停电，将对群众生活的影响减小到最低。本技术除冰雪部分投入融冰运行的输电导线，因为是短时间运行，无须考虑经济电流密度、电晕、电晕噪声、机械强度的因素。且此方法具有成本低，效果好，不用断电，自动控制，安全可靠，经济实用，能耗小的特点。 （3）在输变电设施上涂覆疏水电缆涂层的方法，从荷叶效应中荷叶表面光滑，水滴无法附着其上获得启发，以汽车表面漆做为原理及出发点，研究出了可以涂覆在电缆上且具有一定耐水性的疏水电缆涂层，从而有效预防雨雪在电缆上的附着并结冰；本技术防冰雪部分防冰冻疏水膜材料采用的材料安全、操作方便。 （4）以及上述多种方法的结合。输电线与塔架防冰雪灾害方法。其方案是：在输电线的电杆或铁塔上安装自动控制的除冰雪器，在架设线路的电杆、电线、角铁、电瓷瓶上，涂覆疏水电缆涂层。涂覆后的电杆、电线、电瓷瓶、角铁，形成一层防附着冰冻的疏水涂层，水溅其上，无法附着和冰冻粘结，如水落荷叶，形成水珠，滚落在地，不留痕迹。当监测系统监测到恶劣天气条件，一旦发现线路上覆冰和积雪，就会发出一个信号，自动控制除冰雪器开始工作，在电杆、电线、角铁架上的冰雪，只要稍加震动击打就会碎裂滚落。也能利用这个系统将装在塔架附近的一定量的小型炸药包引爆，当炸药包爆轰或火药药包爆燃后形成一定强度的冲击波时，利用脆性的冰和韧性的输电线对冲击波响应的差异，使输电线上的覆冰在冲击波作用下破碎而脱落。 本项目旨在不停电、不影响正常运行的情况下，去除电杆（铁塔）、电线、金具、避雷线、电瓷瓶、横担等输电设备上的冰雪。杜绝架空输电线路的覆冰灾害。具有成本低，效果好，不用断电，自动控制，安全可靠，经济实用，能耗省的特点。同时也是对电网及设备损坏最小、恢复最快的技术措施，能有效防止或减少输电设备覆冰，并取得意想不到的效果。 八、项目的使用说明 图例说明：附图1外加导线导线结构图。 附图2为带绝缘层的钢芯铝绞输电导线截面图。附图3为架空输电线和塔架上覆冰去除方法电路图。结合附图对本发明使用方法做进一步的说明。 实施例1，220千伏输电线防冰雪方法，由自动控制除冰雪器和防冰冻憎水膜材料组成。外加输电导线缠绕在 输电线上如图1所示，中心为钢绞导线、外层为铝绞导线，在内外层导线之间用绝缘体隔开，内外层导线的截面之比为1﹕6，如图2所示。同时把防冰冻疏水膜材料，涂覆于电杆、电线、角铁、电瓷瓶上。把自动控制除冰雪器固定在电杆的架线横担上。变压器的一端和单片机相联，另一端经过控制开关与振打器相联接。变压器把电压转变成0.38千伏适合振打器的工作电压。振动器线圈使用的是380V单相交流电，激振力20公斤。振幅在2毫米，频率在50赫兹。同时安置冰雪感应器系统如图3所示，包括压力感应器和信号发射装置。冰雪感应压力值为200牛，切换复原时间设定20分钟。当压力值当输电线上的压力大于200牛时，压力传感器接收到的信号经放大和转换，通过单片机控制使振打器工作，设定的振幅、振频由架线横担传递给铁塔、瓷瓶、电线，存积在电线、瓷瓶、角铁上的冰雪纷纷落下。同时通过单片机对输入信号进行判断，控制电磁继电器使外加导线作用，升温。20分钟后延时开关动作，振打器停止工作。如图3所示。 图3 实施例2，220千伏输电线防冰雪方法，由自动控制除冰雪器和防冰冻憎水膜材料组成。外加输电导线缠绕在输电线上如图1所示，中心为钢绞导线、外层为铝绞导线，在内外层导线之间用绝缘体隔开，内外层导线的截面之比为1﹕6，如图2所示。同时把防冰冻疏水膜材料，涂覆于电杆、电线、角铁、电瓷瓶上。把自动控制除冰雪器固定在电杆的架线横担上。变压器的一端和单片机相联，另一端经过控制开关与振打器相联接。变压器把电压转变成0.38千伏适合振打器的工作电压。振动器线圈使用的是380V单相交流电，激振力20公斤。振幅在2毫米，频率在50赫兹。同时安置冰雪感应器系统如图3所示，包括压力感应器和信号发射装置。冰雪感应压力值为200牛，切换复原时间设定20分钟。当压力值当输电线上的压力大于200牛时，压力传感器接收到的信号经放大和转换，通过单片机控制安装在塔架附近的微型炸药包，使其爆炸，炸药包爆轰后形成一定强度的冲击波时，利用脆性的冰和韧性的输电线对冲击波响应的差异，使输电线上的覆冰在冲击波作用下破碎而脱落，如图4所示。 图4 应根据不同负载的输电线路以及不同气候条件合理选择运用本发明的各种方法。比如，低压一般负载时，应选用实施例1中的防冰雪方法。较高压负载时，选用实施例2中的输电线冰雪去除方法。当冰雪天气条件相当恶劣，灾害频发的地区线路也可以综合运用所述的多种方法，预防和去除冰雪的方法双管齐下，能有效防止或减少输电设备覆冰，并取得意想不到的效果。本发明广泛适用于各种架空输电线与塔架上的覆冰 的去除和防治。 九、项目可行性报告及推广前景 （一）项目可行性报告 1、本项目研究目标 研究目标： （1）弄清楚南方地区特别是浙江地区架空输电线路冰雪灾害机理，并根据机理研究提出架空输电线路防冰雪灾害的新方法； （2）研究在不停电、不影响运行的情况下，去除电杆（铁塔）、避雷线、电瓷瓶、横担等输电设备上冰雪的新方法，杜绝架空输电线路防的覆冰灾害； （3）建立适用于各种架空电线和室外金属构筑物防冰雪灾害的系统方法。确保电力和通信电网安全、畅通、健康运行。让各种架空电线从此再无冰雪灾害造成的损失。 2、工作基础与工作条件 2.1研究基础: （1） 已经检索了国内外大量的关于方面的研究情况，基本掌握了项目研究的有关参数和国内外这方面的研究动向和前沿研究。 （2） 前期研究充分：已在合理调度合理荷载防覆冰法、激振防冰冻法、疏水膜法和导线升温除冰法以及冰雪气候感应方法和防冰雪灾害自动控制系统等方面的前期研究，并申请了 “架空输电线路防冰雪灾害方法”（申请号：200810060835.0，公开号：CN 101304168），国家发明专利，正在申请“导线升温发防治和去除输电线路冰雪”（申请号：201020696888.42 ）实用新型专利。 （3） 项目成员结构合理，知识互补，年富力强，思维敏捷，创意新颖；项目指导有教授、高工，有着较深厚的理论知识基础和相关技术经验，能够胜任该项目的研究。 （4） 本项目有着广泛的应用需求，有着明显的社会效益和经济效益。而且研究目标清楚，难度、深度适中。经过项目组成员的努力，能够达到预期的目标。 2.2工作条件 （1） 项目承担单位以及协作单位，只要对现有实验室进行改造，就具有本项目研究所需的实验条件，具有较好的仪器设备和实验条件。 （2） 项目指导师有着较丰富的输配电设备和架空输电线路方面的工作经验。 （二）推广前景 各种架空输电线路和室外金属构筑物及电杆（铁塔） 、金具、避雷线、电瓷瓶、横担等输电设备防冰雪灾害及去除均可使用该方法。 几十年来,虽然提出了上百种防冰,除冰的技术措施,但总的来看,目前没有切实可行的方法和措施应对电网设备发生严重冰灾事故.输电线路防冰和除冰的措施和方法仍是目前国内外没有解决的技术难题,即使有些方法可行,也存在经济性的问题。各种防冰除冰法有的只能对导线上的冰雪进行清除，有的有较大的副作用，有的有各种局限性而未能投入应用。而本实施方案——架空输电线路冰雪去除和防治方法属于输电线路维护技术，操作简单，成本低。 经历过百年难遇的冰雪劫难后，让人们开始重新将注意力集中在电力设备的抗灾能力上。大部分未考虑到冰雪灾害因素的南方输电线路均急需加强该方面的建设和完善。 据报道全世界的架空输电线路，有三分之一会受到冰雪的干扰，甚至造成灾害。覆冰是危害输电线路安全运行的主要灾害之一。可见此技术应用前景广阔。 该技术具有成本低，能耗省，效果好，不影响正常运行，自动控制，安全可靠的特点。低投入，高回报。 据中国日报网环球在线消息：中国国家电网(State Grid)正准备建设首条“特高压”(ultra high voltage)线路。国家电网是中国占主导地位的电力输送企业。该公司计划建设总长2000公里的特高压电网，以将电力从内陆输往沿海地区。可以看出，该技术的市场潜力是相当大的，经济效益也就不言而喻了。 十、参考文献 [1] 胡毅，输电线路运行故障分析与防治[M]，北京：中国电力出版社2007年7月。 [2] 王清葵，送电线路运行和检修[M]，北京：中国电力出版社2003年12月。 [3] 蒋兴良，易辉. 输电线路覆冰及防护[M] . 北京：中国电力出版社，2002 [4] 刘和云. 架空导线覆冰防冰的理论与应用[M] . 北京：中国铁道出版社，2001 [5] 吴文辉.湖南电网覆冰输电线路跳闸事故分析及措施.高电压技术，2006,32(2):110-111 [6] 王守礼，刘恭德. 地形对导线覆冰的影响. 电力建设，1984（5） [7] 谭冠日. 电线结冰的若干小气候特征的探讨. 气象学报，1982 [8] 秦德让. 关于导线覆冰几个问题的分析. 电力技术，1965（1） [9] 腾中林. 架空线路的结冰及冰厚计算. 电力技术，1978（3） [10] K. 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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品发明目的：近几年冰雪灾害一直不断，南方数省输电线路遭遇覆冰灾害，电网大量倒塔、断线，变电站停运，人们的生产生活受到巨大影响，损失惨重。因此，研究南方地区架空输电线路冰雪灾害机理并发明出有效去除架空输电线路和塔架上的覆冰的方法是很有必要的。 基本思路：南方地区输电线路覆冰灾害的机理与北方地区有所不同，南方地区冰雪天气的气温在-6℃ - 3℃之间，空气中的湿度较大，下的雪通常是介于水与冰之间的雨夹雪。所以一种有效的方法就是在输电设施表面涂覆疏水电缆涂层，使雨水在电缆上无法附着和冰冻粘结，同时设置全自动的振动除冰雪器，在冰雪积累的初期就予以消除。 创新点：从荷叶效应中荷叶表面光滑，水滴无法附着其上获得启发，以汽车表面漆做为原理及出发点，研究出了可以涂覆在电缆上且具有一定耐水性的疏水电缆涂层；在输电线路上安装无线冰雪信号感应器和自动控制系统；在塔架附近的一定量的微型炸药包，利用这个控制系统将炸药包爆轰后形成一定强度的冲击波时，利用脆性的冰和韧性的输电线对冲击波响应的差异，使输电线上的覆冰在冲击波作用下破碎而脱落。 技术关键和指标：聚四氟乙烯和硅溶胶为基础组分的防冰冻憎水膜材料的制作：利用溶胶凝胶法将正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷和无水乙醇按上述比例混合, 在60℃ 下搅拌30分钟,用稀硫酸调节水的pH 值到2, 缓慢滴入到上述溶液中, 反应2小时, 停止加热, 继续反应至室温。
科学性、先进性
- 本项目主要采用在输电线涂防冰冻疏水膜法，和利用单片机整个控制系统，控制导线使外加导线工作升温发热，控制振打机使其振打或控制装在塔架附近的微型炸药使其爆炸。 防冰冻憎水膜材料采用一种憎水剂的制备和成膜工艺，以聚四氟乙烯和硅溶胶为基础组分的防冰冻憎水膜材料涂在角铁和电线上，分子链中的羟基与钢材表面羟基相结合，失水缩合形成共价键，形成一层疏水基朝上排列的憎水膜层。该憎水膜层显示出较好的憎水性能，憎水角为92°～110°，水溅其上，无法附着和冰冻粘结，如水落荷叶，形成水珠，滚落在地，不留痕迹。具有憎水效果优异、附着力好、耐磨性好等优点，是一种行之有效的好方法。 单片机控制系统，由压力传感器，单片机等组成。当压力传感器接收到信号通过信号放大器将信号放大，经A/D转换器将电信号转换成数字信号，接着传递给单片机，通过单片机对输入信号进行判断，为200牛。本项目的炸药药包通过挤压、模压等方式制成，其材质和形状是塑料包装、金属箔包装和筒状包装、管状包装。
获奖情况及鉴定结果
- 校奖，省二等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段、中试阶段
技术转让方式
- 专利转让
作品可展示的形式
- 模型、图纸、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本项目以防为主，防治结合，双管齐下，以确保冰雪不会对输电线路造成损害。在输变电设施上涂覆疏水电缆涂层的方法，在电缆上涂覆且具有一定耐水性的疏水电缆涂层，从而有效预防雨雪在电缆上的附着并结冰。利用控制系统，当输电线上所受到的冰雪压力到达一定值时，经信号放大器，AD转换器，单片机作用使导线升温也可以控制在输电线和塔架附近装有一定装药量的炸药药包或火药药包，使之爆轰或爆燃。 推广前景：几十年来,虽然提出了上百种防冰,除冰的技术措施,但总的来看,目前没有切实可行的方法和措施应对电网设备发生严重冰灾事故.输电线路防冰和除冰的措施和方法仍是目前国内外没有解决的技术难题,即使有些方法可行,也存在经济性的问题。 市场分析和经济效益：据报道全世界的架空输电线路，有三分之一会受到冰雪的干扰，甚至造成灾害。覆冰是危害输电线路安全运行的主要灾害之一。可见此技术应用前景广阔。 本项目技术具有成本低，能耗省，效果好，不影响正常运行，自动控制，安全可靠的特点。低投入，高回报，经济效益也就不言而喻了。
同类课题研究水平概述
- 为解决输电线路在冬季覆冰这一严重威胁电力系统安全运行的难题，国内外对输电线路覆冰的地形、气候、机理、倒塌、断线、冰闪等问题进行了大量研究。为此国内出现了大量的输电线路的防冰和除冰技术的相关文献。 Charles.R.S等提出用8-200kHz的高频激励融冰的方法，机理是高频时，冰是一种有损耗电介质，能直接引起发热，且集肤效应导致电流只在导体表面很浅范围内流通，造成电阻损耗发热。在输电线上施加高频电源将产生驻波，冰的介质损耗热效应和集肤效应引起的电阻热效应，都是不均匀的电压波腹处介质损耗热效应最强。但由于高频电磁波干扰，在很多国家受到限制。 加拿大IREQ高压实验室提出电磁力除冰方法，即将输电线路在额定电压下短路，同一相的两个子导线的短路电流产生电磁力使导线互相撞击而使覆冰脱落。但短路电流对电力系统是不利的，只在严重冰灾的紧急情况下使用。 日本研制出机械机器人除冰装置，据报道除冰装置重4kg，挂在导线上由直流电机驱动，在一档线的铁塔间来回破冰。但是一个机器人只能对两电杆之间的一根导线上的冰雪进行清除，挂上导线和取下充电都需要停电。 此外短路融冰法是一种成熟的技术，高压线路转换到中压母线上使线路导线短路发热、融冰，及时启动融冰程序，可以避免输电线路倒塌事故发生。但是，要求每条线路都设置了融冰母线，工作时要停电，并将冰冻线路隔离出电网才能进行。还是要遭遇大面积的停电。而且只能解决导线上的冰雪，无法去除电杆（铁塔）、避雷线、电瓷瓶、横担等输电设备上的冰雪。在严重冰雪天气时，往往是大面积的输电线路和设备覆冰，导致很多设备产生冰闪和污闪放电现象，这不仅使能耗增大，而且常常使短路融冰法难以实施。 还有化学涂料防冰雪方法，防雪环和防冰环方法，机械除冰雪方法，增加线路传输负荷电流方法等。但都有一定的局限性，难以推广应用。
