国内架空输电线融冰装置专利概况

李伟腾

摘要：架空输电线是电网系统中重要的输电线路。在寒冷的冬季，我国某些地区会发生冰、雪等恶劣天气，严重影响传输效率，甚至导致断线、杆塔倒塌等严重事故。因此，为了避免类似的事故，需要对架空线路进行及时、有效的除冰。

关键词：架空线；除雪；溶冰

如何防止冰冻天氣影响架空线路，是影响电网可靠运行的重要课题。通过对架空输电线融冰装置相关装置的分析，有助于进一步改进装置。

一、架空输电线融冰装置的概况

经过统计，全世界的公开专利文件共有2359件，包括发明专利、实用新型专利和外观设计专利。图1为各国申请量的统计结果。从图1可以发现，申请量最大的是中国，共1515篇；其次是日本，共361篇，再次依次是俄罗斯、加拿大、韩国和美国。根据图1的结果，我们不难看出，图中的这几个国家均在北半球，并且部分领土冬季将受到冰雪灾害的影响，这是各国进行该领域相关研究的主要动机。

再以申请日期为入口，对国内申请进行统计。

从图2的统计结果可以发现，在2007年以前，我国对该领域的研究几乎为零，总申请量不超过20件，但2008年的申请却突增至115件。经查阅资料发现，2008年我国发生了严重的冰雪灾害，造成了巨大的经济损失。据统计，国家电网公司系统由于覆冰造成高压线路杆塔倒塌17.2万基，受损1.2万基；低压线路倒塌断杆51.9万基，受损15.3万公里；各级电压等级线路停运15.3万条，变电站停运884座。南方电网公司系统杆塔损毁12万多基，受损线路7000多条，变电站停运859座。本次灾难过后，国家对架空输电线融冰装置作了大量的科研投入，直接导致了申请量的突增，且2009后的每年的申请量一直维持在高位。

二、国内申请技术原理分析

实现架空输电线的除冰主要有两种基本方法，即电热除冰和机械除冰。电热除冰，利用通电产生热量以融化架空输电线上的覆冰；机械除冰，利用敲击、捶打等物理冲击除去覆冰。目前的所有架空输电线融冰装置均使用了这两个基本原理，是研究架空输电线融冰装置的两个方向。

（一）电热除冰

在现有的设计中，实现电热除冰也已经发展出了几个具体的方式。

1.直接给线路通电

例如公开号为CN101350510A的专利，其公开了一种利用直流大电流进行融冰的装置。将输电线路与末端负载断开，并将输电线路短接；利用整流变压器给已经短接的输电线路通入直流的大电流以融化输电线路的覆冰；同时，该技术方案还利用融冰中的大电容为线路提供无功补偿。这种方案无需在线路上添加任何元件，仅利用输电线路本身就是导电体的特点，直接给线路通电即可产生电热，融化覆冰。但是，这种方案需要停运线路才能实现融冰，且无法去除线路上的积水，一旦停止融冰而空气温度较低时，残留在线路上的积水将重新结冰，线路将再次被迫停电并启动融冰。

再如公开号为CN101394073A的专利，其公开了一种在原输电线路中叠加连续高频电流，从而在线路上产生电热融化覆冰。这种方法不需要停运线路就可以实现融冰的效果，但为了保证用户的用电质量，绝对不允许用让高频电流流入用户设备，因此，需要大量的大型滤波设备，投入很大。

2.利用附加电热元件

在线路上增加附加的电热元件，融化线路的覆冰，从而避免了线路被迫停电。例如公开号为CN1332684A的专利，其公开了一种通过在导线的外侧增设电热元件，给电热元件通电产生热量融化覆冰的方案。这种方法不需要停电就可以融化线路覆冰，线路本身继续输电，由另一外设电源给包绕在线路外侧的电热元件产生电热融化覆冰。但是，这种方法需要对每一条可能覆冰的线路都加装电热元件，成本很高，融冰所需电能较大。

再如公开号为CN101286280A的专利，其公开的是一种通过在导线的外侧增设热风管，给热风管通热风而融化覆冰的方案。这种方法的本质与上一种方法相同，都是通过外设电热元件进行融冰。但是，这种方法显然没有上一种方法实际，但热风抵达热风管末端时，温度将会明显降低，融冰效果不佳。

（二）机械除冰

现有的机械除冰方法主要包括机器人除冰和振动除冰。机器人除冰通常是利用可以在线路上移动的除冰机器人进行机械除冰，振动除冰则是利用线路自身的振动以使覆冰破裂脱落。

1.振动除冰

振动除冰是早期机械除冰的一种常见方式。例如公开号为CN1150502A的专利，其在输电线路的外侧设置一根导线，给导线通入高频电流，产生高频磁场，相邻之间线路由于磁场之间的不断变化的相互作用力而发生高频振动形变，从而使覆冰发生高频的振动，进而产生断裂，从线路上脱落。这种方法同样也需要对每一条输电线路都设置导线，需要一定的成本。对振动幅度的控制要比较精确，以免幅度过大导致断线事故，这就需要对通电电流的大小和通电时间进行精确控制，并对线路的覆冰情况进行实时的检测。

再如公开号为CN1486525A的专利文件，其在输电线路上增设振动器，使线路产生振动，振落线路覆冰。该方案还设有感应电磁线圈，利用线路的电流发电给振动器供电。这种方法通过增设振动器使线路产生振动，以使线路覆冰振动脱落。但是，这种方法无法使线路产生大幅度振动，当覆冰较厚或线路较长时，该振动器产生的振动只能是振动器附近的覆冰脱落，无法传输到线路的两端，除冰效果不佳。

2.机器人除冰

机器人除冰就是在输电线路上设置除冰机器人，机器人利用敲打、刨除等机械方式去除覆冰。例如公开号为CN1404644A的专利，其公开了一种除冰机器人，其使用滚轮在线路上移动，利用翼刀敲击、破除覆冰。这种设计可以去除线路的覆冰，且不需要停运线路。但是，这种设计无法跨越间隔棒和绝缘子，只能用于单根导线的线路，且一段线路除冰完成后需要人工将其取下放到另一段线路上。

为了解决机器人不能跨越间隔棒和绝缘子的问题，公开号为CN102255270A的专利给出了一个可以解决这个问题的方案。该方案利用仿生学的方式，设置多处活动关节，从而解决这一问题。这种设计虽然可以解决跨越间隔棒和绝缘子的问题，但是由于活动关节较多，为了抵御恶劣天气，机器人自身必须做得稳固、牢靠，这就增加了制造成本。另外，机器人的能量来源是一个重要的问题，如果使用专用电源供电，那么如何设计电源供电模块是一个技术难点；如果使用蓄电池或在机器人上设置取电模块，那么可能会导致机器人能量不足的情况。

三、架空输电线融冰装置的展望

从现有的研究来看，电热融冰和机械除冰仍是最主要两个的研究方向。电热融冰方法主要需要克服在融冰电流叠加进入输电线路后，如何防止线路损坏以及防止叠加电流进入用电负载，同时需要研究如何控制设备成本。机械除冰，无论是振动除冰或是机器人除冰，都需要解决装置能量来源的问题，这是是首要问题；其次，需要优化设计以适应不同的实际需要，例如，振动除冰需要考虑如何增大振动幅度，保证整条线路的覆冰都能被振落，机器人除冰则需要将机器人设计得能够适应不同的线路情况，以保证除冰的顺利完成。