王濤,劉浩,劉寧波,陳劍濤

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司石嘴山供電公司,寧夏 石嘴山 753000)

0 引 言

高壓架空輸電線路桿塔處于野外,受鳥類活動(dòng)影響較大。常見的鳥害故障主要由鳥糞閃絡(luò)、鳥巢巢材短路、鳥啄食復(fù)合絕緣子造成[1-2],其中鳥糞閃絡(luò)故障是寧夏地區(qū)最常見的鳥害故障。為減少鳥糞閃絡(luò)故障概率,不同類型的防鳥裝置應(yīng)用于輸電線路或桿塔,如防護(hù)類的防鳥刺、防鳥護(hù)套、防鳥擋板等,驅(qū)逐類的防鳥風(fēng)車、電子驅(qū)鳥器,引導(dǎo)類的人工鳥巢、棲鳥架。

現(xiàn)有防鳥裝置各有利弊,應(yīng)用中主要存在以下問題:一是防鳥裝置的有效性和可持續(xù)性不足。部分防鳥裝置效果不持久,如驅(qū)鳥器因?yàn)轼B的適應(yīng)性較強(qiáng),只在安裝初期起到顯著效果,如復(fù)合材料類的防鳥裝置因長時(shí)間戶外運(yùn)行易老化失效。二是防鳥裝置的安全性有待提升。密集安裝的防鳥刺、防鳥針板會(huì)影響常規(guī)檢修工作,防鳥擋板長時(shí)間運(yùn)行后因螺栓失效掉落造成輸電線路異物短路的情況并不少見。三是防鳥裝置的組合應(yīng)用策略還需進(jìn)一步發(fā)展完善。部分區(qū)域防鳥罩和防鳥擋板同時(shí)安裝,或在大風(fēng)區(qū)域裝設(shè)直徑過大的防鳥罩,不僅起不到預(yù)期效果,還可能造成傘裙撕裂。因此,本文對(duì)紅外感應(yīng)超聲波脈沖驅(qū)鳥器和磁吸式防鳥擋板兩種新型防鳥裝置進(jìn)行研制。對(duì)兩種新型防鳥裝置的結(jié)構(gòu)、工作機(jī)制、安裝應(yīng)用方式進(jìn)行設(shè)計(jì),并提出這兩種裝置的組合應(yīng)用策略,為進(jìn)一步提升架空輸電線路鳥害防護(hù)水平提供新的技術(shù)手段。

1 紅外感應(yīng)超聲波脈沖驅(qū)鳥器設(shè)計(jì)

1.1 裝置總體結(jié)構(gòu)

紅外感應(yīng)超聲波脈沖驅(qū)鳥器總體結(jié)構(gòu)主要由紅外感應(yīng)裝置、間歇性燈光裝置、機(jī)械控制與超聲波脈沖裝置共同構(gòu)成。該型驅(qū)鳥器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,其正常工作電壓范圍為5～12 V。

圖1 紅外感應(yīng)超聲波脈沖驅(qū)鳥器結(jié)構(gòu)

1.2 電路設(shè)計(jì)

紅外感應(yīng)超聲波脈沖驅(qū)鳥器安裝在輸電桿塔上,通過太陽能板電池進(jìn)行供電。當(dāng)鳥類出現(xiàn)在紅外線探測(cè)范圍內(nèi)時(shí),驅(qū)鳥器會(huì)發(fā)出檢測(cè)信號(hào),經(jīng)放大處理后觸發(fā)智能報(bào)警裝置。紅外傳感電路如圖2所示。

圖2 紅外感應(yīng)電路

普通紅外線傳感器易受太陽光強(qiáng)度影響,為提升紅外線傳感器的效果,該驅(qū)鳥器采用了脈沖IRM38B型號(hào)的紅外線傳感器,能夠有效避免紅外線室外探測(cè)干擾。脈沖IRM38B型號(hào)的紅外線傳感器對(duì)連續(xù)方波加載信號(hào)比較敏感,但無法識(shí)別連續(xù)方波信號(hào),因此,該裝置的信號(hào)發(fā)生器采用的是LM567鎖相環(huán)音頻譯碼器,從而產(chǎn)生低頻非連續(xù)方波振蕩信號(hào)。經(jīng)過三極管Q1進(jìn)行調(diào)制,將振蕩信號(hào)加載到38 Hz的載波上,并在Q2處將載波信號(hào)放大,最后經(jīng)由DS1處的紅外線發(fā)射管發(fā)出非連續(xù)方波信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到鳥類活動(dòng)時(shí),該裝置會(huì)接收到紅外線反射信號(hào),并將信號(hào)送入LM567內(nèi)部進(jìn)行解調(diào),裝置內(nèi)的鎖相環(huán)電路就會(huì)鎖定信號(hào)[3]。信號(hào)頻率主要由圖2中的R3和C3決定。取R3=220 kΩ,C3=0.01 μF,而NE555的2、6、7三處的引腳和外接R6、R7、C4組成振蕩器,則輸出方波振蕩信號(hào)頻率f為

(1)

取R6=15 kΩ、R7=10 kΩ、C4=0.001 μF,則f=40 kHz。因此,當(dāng)鎖定信號(hào)送至LM567輸入端時(shí),輸出端就會(huì)引發(fā)點(diǎn)位跳變,此時(shí),鎖相波形將會(huì)由高電平變?yōu)榈碗娖?并與發(fā)光二極管導(dǎo)通,驅(qū)鳥器的紅外線超聲波發(fā)聲裝置就會(huì)發(fā)出40 kHz的高頻超聲波對(duì)附近鳥類進(jìn)行驅(qū)離。

為盡量減少驅(qū)鳥器的電子元件,該裝置的LED燈和蜂鳴器也采用SS8550 PNP的三極管。LED燈、電機(jī)、蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

(a)LED燈驅(qū)動(dòng)電路

(b)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

(c)蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路圖3 LED、電機(jī)、蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電路

1.3 參數(shù)選擇

輸電線路運(yùn)行于野外,易受到雷擊損害,會(huì)短時(shí)間內(nèi)提升附近電流電壓[4]。雷擊形成的高壓電流會(huì)分散至回流線、輸電桿塔和大地分流[5],一般回流線的電流還剩30%,為了更好保護(hù)驅(qū)鳥器不受雷擊的影響,需要合理設(shè)計(jì)驅(qū)鳥器過電壓保護(hù)電路。假設(shè)驅(qū)鳥器在雷擊前后鐵芯在特定時(shí)間內(nèi)完成磁通變換,則其一次側(cè)勵(lì)磁電流Imax可用式(2)表達(dá)。

(2)

實(shí)際一次側(cè)勵(lì)磁電流為2Imax≈600 A,假設(shè)雷電流的波前斜率是恒定的,則放電時(shí)間Δt=2.6×600/5 000=0.312(μs)。根據(jù)過充電流保護(hù)回流中電流為150、300 A時(shí),其額定充電電流為0.4 A。假定Imax為300 A時(shí),二次側(cè)電流為0.705 A,此時(shí)為二極管選型的重要指標(biāo)。二極管具體參數(shù)如表1所示。

表1 二極管1N4007技術(shù)參數(shù)

1.4 驅(qū)鳥方式

根據(jù)上述原理及選擇的技術(shù)參數(shù)研制的紅外感應(yīng)超聲波脈沖驅(qū)鳥器能通過紅外感應(yīng)技術(shù)感應(yīng)到鳥類是否靠近其位置,進(jìn)而發(fā)出聲光報(bào)警或發(fā)射超聲波脈沖進(jìn)行驅(qū)鳥。此外,該裝置可預(yù)留功能位置,可擴(kuò)充其他類型的驅(qū)鳥手段。通過差異化選擇驅(qū)鳥手段,可進(jìn)一步提升該裝置長時(shí)間的應(yīng)用效果,彌補(bǔ)因鳥類強(qiáng)適應(yīng)性造成的驅(qū)鳥器僅在安裝初早期起效的不足。

2 磁吸式防鳥擋板設(shè)計(jì)

除紅外感應(yīng)超聲波脈沖驅(qū)鳥器外,還設(shè)計(jì)一種磁吸式防鳥擋板并考慮將兩者組合應(yīng)用。新型磁吸式防鳥擋板在常規(guī)的防鳥擋板基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化升級(jí),主要包括擋板材質(zhì)、連接安裝方式。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 磁吸式防鳥擋板結(jié)構(gòu)

磁吸式防鳥擋板主要由硬質(zhì)絕緣板、磁吸可調(diào)式彈簧支架、鋁滑槽、防墜器、硅膠片等部件構(gòu)成。取消了磁吸式防鳥擋板原有支架夾持的安裝方式,升級(jí)成磁吸彈簧式連接,可直接吸附安裝。磁吸彈簧的另外一端與硬質(zhì)絕緣板連接,硬質(zhì)絕緣板上固定有滑槽,可實(shí)現(xiàn)磁吸彈簧的橫向滑移,如圖5所示。

圖5 滑槽

硬質(zhì)絕緣板是磁吸式防鳥擋板的主體,采用聚碳酸酯板(PC板)制作。PC板是以聚碳酸酯聚合物為原料,采用先進(jìn)的擠出工藝技術(shù)制造的高強(qiáng)度、透光材料,具有重量輕、強(qiáng)度高、耐候性強(qiáng)、阻燃性好等優(yōu)異性能。聚碳酸酯的密度為1.29/cm3左右,比環(huán)氧樹脂板輕1/3,而且因?yàn)槠鋸?qiáng)度高,結(jié)構(gòu)上能做的更薄,整體可以減輕質(zhì)量一半以上。PC板的輕量化,使安裝更安全、更便利,可節(jié)省施工時(shí)間,提高施工效率。

3 測(cè)試驗(yàn)證及組合應(yīng)用

3.1 感應(yīng)距離

為了尋找合適的驅(qū)鳥器安裝位置,需要驗(yàn)證該驅(qū)鳥器紅外線的最大檢測(cè)距離。由于驅(qū)鳥器的驅(qū)鳥效果會(huì)受鳥類個(gè)體、紅外線檢測(cè)感應(yīng)之間的發(fā)射距離的影響[6],因此,實(shí)驗(yàn)室采用長度為21.5 cm,寬度為14.2 cm,厚度為1 cm的軟面筆記本進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 驅(qū)鳥器紅外感應(yīng)距離測(cè)試結(jié)果

表2中d為紅外檢測(cè)感應(yīng)與超聲波接收器之間的距離。紅外線檢測(cè)感應(yīng)距離越大,超聲波的感應(yīng)距離也越大,但最大感應(yīng)距離為16 cm。超出16 cm感應(yīng)范圍后,感應(yīng)距離會(huì)逐漸變小。除此之外,超聲波感應(yīng)效果會(huì)受紅外線傳感器截面面積的影響,紅外線傳感器截面面積越大,超聲波的感應(yīng)效果越好。

3.2 超聲波衰減距離

假設(shè)超聲波發(fā)射器30°圓錐角范圍內(nèi)可以接收到超聲波信號(hào)。在40 kHz的情況下進(jìn)行測(cè)試。通過測(cè)試,發(fā)現(xiàn)超聲波收發(fā)裝置距離增大時(shí),超聲波最大電壓值將會(huì)逐漸減小。當(dāng)超聲波收發(fā)裝置距離增加至190 mm時(shí),超聲波電壓值約為0.32 V,具體實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 驅(qū)鳥器超聲波衰減距離測(cè)試結(jié)果

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

寧夏石嘴山地區(qū)范圍內(nèi)的某110 kV架空輸電線路10號(hào)至14號(hào)桿塔鳥害問題較為嚴(yán)重。從現(xiàn)場(chǎng)防鳥裝置安裝情況來看,2018年以前,該線路主要以安裝防鳥刺為主,普遍存在鳥類在桿塔上筑巢情況,如圖6所示。

圖6 依托防鳥刺搭建的鳥巢

為驗(yàn)證紅外感應(yīng)超聲波脈沖驅(qū)鳥器及磁吸式防鳥擋板組合應(yīng)用效果,對(duì)該110 kV架空輸電線路10號(hào)至14號(hào)桿塔安裝上述兩類防鳥裝置,觀察桿塔周邊鳥類活動(dòng)情況及線路故障情況如圖7所示。

圖7 磁吸式防鳥擋板安裝情況

在裝置安裝后半年內(nèi),通過無人機(jī)巡視、人工巡視觀察10號(hào)至14號(hào)桿塔及線路周邊的鳥類活動(dòng)情況,發(fā)現(xiàn)半年內(nèi)上述5基桿塔未再有鳥巢,且未發(fā)生鳥害故障跳閘。此外,長期觀察發(fā)現(xiàn),安裝的紅外感應(yīng)超聲波脈沖驅(qū)鳥器能準(zhǔn)確感知鳥類大小、飛行速度的關(guān)鍵信息并在適當(dāng)位置發(fā)射脈沖波。磁吸式防鳥擋板安裝簡便,防護(hù)范圍滿足要求。在第一階段取得良好效果后,又將裝置應(yīng)用范圍擴(kuò)大到其他桿塔上,整條線路鳥害隱患數(shù)量明顯減少,表明紅外感應(yīng)超聲波脈沖驅(qū)鳥器及磁吸式防鳥擋板組合應(yīng)用能有效降低鳥害故障概率。

4 結(jié) 論

1)研制的紅外感應(yīng)超聲波脈沖驅(qū)鳥器能準(zhǔn)確感知鳥類大小、飛行速度等關(guān)鍵信息并在適當(dāng)位置選擇性采取不同的驅(qū)離方式,能進(jìn)一步提升驅(qū)鳥器應(yīng)用效果,延長鳥類對(duì)裝置的適應(yīng)性。

2)通過改進(jìn)安裝連接方式、結(jié)構(gòu)型式及擋板材質(zhì)研制成的磁吸式防鳥擋板能有效防范絕緣子正上方鳥糞閃絡(luò)故障,同時(shí)滿足實(shí)際運(yùn)行過程中安裝牢固、絕緣性好、抗風(fēng)抗震等要求。

3)單一防鳥裝置很難達(dá)到較好的防鳥效果,通過組合應(yīng)用紅外感應(yīng)超聲波脈沖驅(qū)鳥器和磁吸式防鳥擋板,能有效降低鳥害故障概率。

4)通過改進(jìn)現(xiàn)有防鳥裝置結(jié)構(gòu)、材質(zhì),優(yōu)化裝置作用機(jī)理,可為研制新型防鳥裝置提供有效參考和指導(dǎo)。