CN102780192B - 电线超声波除冰装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电线超声波除冰装置及其方法。它包括拉簧、挂环、绝缘套、除冰钳把手、铆钉、螺钉、直流电源驱动的超声波发生器、除冰钳头和超声波声学系统；除冰钳把手与除冰钳头相连成一片钳体，两片钳体通过铆钉相连，两除冰钳把手右端通过拉簧、挂环相连，两除冰钳头左端分别设有超声波声学系统，超声波声学系统包括电极、夹心式压电换能器、变幅杆、法兰盘、工具头、第一螺栓和第二螺栓，夹心式压电换能器和变幅杆通过第二螺栓相连，变幅杆和工具头通过第一螺栓相连，夹心式压电换能器通过电极与超声波发生器相连，两变幅杆通过螺钉与两除冰钳头左端相连。本发明除冰效果好，能耗小，使用简单方便，成本低，对环境无污染，使用寿命长。

Description

电线超声波除冰装置及其方法

技术领域

本发明属于输电线路除冰领域，尤其涉及一种电线超声波除冰装置及其方法。

背景技术

雨冻冰雪天气，架空输电线路常常会结冰。架空输电线路的覆冰会导致线路的导线舞动、冰闪跳闸、断线、倒杆(或倒塔)和通信中断等事故。

各类输电线路冰害事故在我国发生过上千次，运行经验表明，严重覆冰已经危及了500kV乃至1000kV输电线路的安全运行。我国南方地区，严冬及初春时节，特别是去贵高原、川陕一带及两湖地区，经常出现雾凇和雨凇现象造成架空送电线路覆冰，给电力系统造成危害，严重影响供电服务质量；此外，高寒地区输电线路冬季因受冰雪危害引起的供电中断事故通常是较严重的，其修复工作难度大，周期长，停电影响面积广。2008年初，北方冷气流和南方暖气流在中国南部地区交锋，致使湖南、湖北、贵州、云南、广东、广西等12个省(区)连续20多天维持-5℃～0℃的低温雨雪天气。冰灾灾害天气使输电线路覆冰严重，覆冰的平均厚度达30mm以上，最大厚度超过100mm，远远超过了架空线路设计的10mm的覆冰厚度。冰灾给电网造成了巨大的损失，据统计，全国范围内电网因冰灾停运的电力线路计39033条，停运变电站计2037座。其中，500kV交直流线路倒塔678基，停运119条；220kV线路倒塔(杆)1432基，停运343条；500kV变电站停运15座，220kV变电站停运86座，因冰灾造成的经济损失达1000亿以上。类似的冰灾在其它位于寒冷地区的国家也发生过。

线路覆冰事故给电网带来了严重危害，造成了巨大的经济财产损失，如何更有效地对输电线路融冰除冰一直是相关行业感到头疼和不断进行探索研究的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种电线超声波除冰装置及其方法。

电线超声波除冰装置包括拉簧、挂环、绝缘套、除冰钳把手、铆钉、螺钉、直流电源驱动的超声波发生器、除冰钳头和超声波声学系统；除冰钳把手与除冰钳头相连成一片钳体，两片钳体通过铆钉相连，两除冰钳把手右端通过拉簧、挂环相连，两除冰钳头左端分别设有超声波声学系统，超声波声学系统包括电极、夹心式压电换能器、变幅杆、法兰盘、工具头、第一螺栓和第二螺栓，夹心式压电换能器和变幅杆通过第二螺栓相连，变幅杆和工具头通过第一螺栓相连，夹心式压电换能器通过电极与直流电源驱动的超声波发生器相连，两变幅杆通过螺钉与两除冰钳头左端相连。

所述的工具头前端为弧形。

电线超声波除冰方法是：手持电线超声波除冰装置的除冰钳把手，将工具头夹在电线的覆冰上，打开直流电源驱动的超声波发生器，超声波声学系统产生频率f＝14.5～100kHz、振幅a＝5～100μm的超声波，在除冰钳把手上施加压力，在超声波冲击振动、局部高温和超声波在冰块中传播作用下，使电线上的覆冰迅速融化或脱落。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1)除冰效果好

2)能耗小

3)使用简单方便

4)生产成本低

5)对环境无污染

6)使用寿命长

附图说明

图1是电线超声波除冰装置主视图；

图2是电线超声波除冰装置侧视图(超声波发生器未在图中画出)；

图3是电线超声波除冰装置俯视图(超声波发生器未在图中画出)；

图中，拉簧1、挂环2、绝缘套3、除冰钳把手4、铆钉5、电极6、夹心式压电换能器7、变幅杆8、法兰盘9、螺钉10、工具头11、输电线12、覆冰13、第一螺栓14、第二螺栓15、直流电源驱动的超声波发生器16、除冰钳头17。

具体实施方式

如图1所示，电线超声波除冰装置包括拉簧1、挂环2、绝缘套3、除冰钳把手4、铆钉5、螺钉10、直流电源驱动的超声波发生器16、除冰钳头17和超声波声学系统；除冰钳把手4与除冰钳头17相连成一片钳体，两片钳体通过铆钉5相连，两除冰钳把手4右端通过拉簧1、挂环2相连，两除冰钳头17左端分别设有超声波声学系统，超声波声学系统包括电极6、夹心式压电换能器7、变幅杆8、法兰盘9、工具头11、第一螺栓14和第二螺栓15，夹心式压电换能器7和变幅杆8通过第二螺栓15相连，变幅杆8和工具头11通过第一螺栓14相连，夹心式压电换能器7通过电极6与直流电源驱动的超声波发生器16相连，两变幅杆8通过螺钉10与两除冰钳头17左端相连。

所述的工具头11前端为弧形。

电线超声波除冰方法是：手持电线超声波除冰装置的除冰钳把手4，将工具头11夹在电线12的覆冰13上，打开直流电源驱动的超声波发生器16，超声波声学系统产生频率f＝14.5～100kHz、振幅a＝5～100μm的超声波，在除冰钳把手4上施加压力，在超声波冲击振动、局部高温和超声波在冰块中传播作用下，使电线12上的覆冰13迅速融化或脱落。

在某一适当超声波功率、超声波频率和振幅下，使用电线超声波除冰钳，在钳的尾部施加一定的压力，利用超声波的振冲击动作用、局部高温、空化作用及超声波在冰中传播对冰本身性质的影响，使冰快速融化或脱落，从而让输电线路正常运行。

驱动超声波发生器的直流电源可采用蓄电池。超声波发生器和蓄电池一块可背着或挎在腰部(超声波发生器和蓄电池都比较轻)。手持电线超声波除冰钳，使钳口的工具头夹在电线覆冰上，通过手指拨动除冰钳的电源开关，根据相应情况在除冰钳把手上施加一定的力(刚开始可稍大)，电线上的覆冰则迅速融化或脱落，然后接着下除一段电线上的覆冰。操作过程简单方便，除冰效果好。

以下实例只是提供一种具体方式，凡是在该方法和思路下所做的技术方案均属于本发明保护范围，例如，在该方法下所做的尺寸、超声波功率、超声波频率等参数的更改。

本实例的超声波频率采用60kHz，由直流电源驱动的超声波发生器所产生。由于夹心式压电换能器、变幅杆及工具头是对称或近似对称设计，在钳由拉簧和所施加力的综合力下，除冰效率更高。压电换能器由螺母、后端盖、压电陶瓷片、电极和前端盖组成。变幅杆采用指数型的。工具头前端部位设计成和输电线路相应的圆弧状，且圆弧的直径要稍大于输电线的，这是为便于输电线除冰和不损坏输电线而考虑。工具头可仿超声波车削中超声刀杆来设计。超声车刀有一振型车刀至五振型车刀，刀杆长度计算公式为

$l=\sqrt{\frac{A_{n}h}{4\sqrt{3}\mathrm{\π}}\frac{c}{f}}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{A_{n}h}{\sqrt{3}\mathrm{\π}}\mathrm{\λ}}$

式中，A_n为振型系数，随不同振型而不同，h为刀杆厚度，c为超声波在某介质中的传播速度，f为超声波振动频率，λ为超声波波长。对于振型系数A_n，当n＝1时，A_n＝22.4；当n＝2时，A_n＝61.7；当n＝3时，A_n＝121；当n＝4时，A_n＝200；当n＝5时，A_n＝298。本实例电线除冰钳工具头仿五振型设计。

下面以60kHz、五振型超声波除冰钳工具头为例来设计计算除冰工具头。

材质为45号钢，共振频率为60kHz，取厚度h＝14mm。

振型系数A₅＝298

声波在45号钢中的传播速度c＝5.1×10⁶mm/s

则波长λ＝c/f＝(5.1×10⁶)/6×10⁴mm＝85mm

长度 $l=\sqrt{\frac{A_{n}h}{4\sqrt{3}\mathrm{\π}}\frac{c}{f}}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{A_{n}h}{\sqrt{3}\mathrm{\π}}\mathrm{\λ}}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{298\×14}{\sqrt{3}\mathrm{\π}}\×85}\mathrm{mm}=127.68\mathrm{mm}$

略去除冰钳把手、除冰钳头、法兰盘和超声波声学系统本身重量不计(这些零件所产生的力矩通过杠杆作用原理可近似抵消)，通过工具头加载到电线覆冰上的除冰压力可由下式计算：

Q·L₁＝(F+P)·L₂

$Q=\frac{L_2}{L_1}(F+P)$

其中，Q为通过工具头施加在覆冰上的力，F为拉簧拉力，P为在除冰钳把手尾部施加的压力，L₁为在覆冰上所施加力Q的力臂，L₂为外力(F和P)的力臂。改变L₁、L₂、F、P等参数，即可调整除冰压力Q。

根据某地区输电线路覆冰情况，针对电线超声波除冰钳可灵活改变超声波频率、夹心式压电换能器、变幅杆、工具头、除冰钳把手等的设计参数。

由于夹心式压电换能器、变幅杆及工具头是对称或近似对称设计，电线超声波除冰钳，在超声波对覆冰所特有的作用机制下，通过拉簧拉力和在把手上所施加力的综合作用以及杠杆原理，使电线上的覆冰融化或脱落，除冰效果好。

Claims (3)

1.一种电线超声波除冰装置，其特征在于，包括拉簧(1)、挂环(2)、绝缘套(3)、除冰钳把手(4)、铆钉(5)、螺钉(10)、直流电源驱动的超声波发生器(16)、除冰钳头(17)和超声波声学系统；除冰钳把手(4)与除冰钳头(17)相连成一片钳体，两片钳体通过铆钉(5)相连，两除冰钳把手(4)右端通过拉簧(1)、挂环(2)相连，两除冰钳头(17)左端分别设有超声波声学系统，超声波声学系统包括电极(6)、夹心式压电换能器(7)、变幅杆(8)、法兰盘(9)、工具头(11)、第一螺栓(14)和第二螺栓(15)，夹心式压电换能器(7)和变幅杆(8)通过第二螺栓(15)相连，变幅杆(8)和工具头(11)通过第一螺栓(14)相连，夹心式压电换能器(7)通过电极(6)与直流电源驱动的超声波发生器(16)相连，两变幅杆(8)通过螺钉(10)与两除冰钳头(17)左端相连。

2.根据权利要求1所述的一种电线超声波除冰装置，其特征在于，所述的工具头(11)前端为弧形。

3.一种使用如权利要求1所述装置的电线超声波除冰方法，其特征在于，手持电线超声波除冰装置的除冰钳把手(4)，将工具头(11)夹在电线(12)的覆冰(13)上，打开直流电源驱动的超声波发生器(16)，超声波声学系统产生频率f=14. 5～100kHz、振幅a=5～100μm的超声波，在除冰钳把手(4)上施加压力，在超声波冲击振动、局部高温和超声波在冰块中传播作用下，使电线(12)上的覆冰(13)迅速融化或脱落。