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架空输电线路新型防鸟装置的研制及应用

2023-11-22 154 上传者：管理员

摘要：鸟害故障在宁夏石嘴山地区110 kV及以上输电线路故障中所占比例逐年升高，已成为影响电网安全稳定运行的主要因素之一，亟需加强治理，因此，对红外线感应超声波脉冲驱鸟器和磁吸式防鸟挡板两种防鸟装置进行研制，对他们的结构、工作机制、安装应用方式进行设计。研制出的成品装置在鸟害高发的某110 kV输电线路进行试验应用。试验结果表明，红外感应超声波脉冲驱鸟器能准确感知鸟类大小、飞行速度等关键信息，并在适当位置发射脉冲波。磁吸式防鸟挡板安装简便，防护范围满足要求。两者组合应用可有效防范鸟害故障。

关键词：
组合应用
脉冲波
防鸟挡板
驱鸟器
鸟害故障
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高压架空输电线路杆塔处于野外，受鸟类活动影响较大。常见的鸟害故障主要由鸟粪闪络、鸟巢巢材短路、鸟啄食复合绝缘子造成[1,2],其中鸟粪闪络故障是宁夏地区最常见的鸟害故障。为减少鸟粪闪络故障概率，不同类型的防鸟装置应用于输电线路或杆塔，如防护类的防鸟刺、防鸟护套、防鸟挡板等，驱逐类的防鸟风车、电子驱鸟器，引导类的人工鸟巢、栖鸟架。

现有防鸟装置各有利弊，应用中主要存在以下问题：一是防鸟装置的有效性和可持续性不足。部分防鸟装置效果不持久，如驱鸟器因为鸟的适应性较强，只在安装初期起到显著效果，如复合材料类的防鸟装置因长时间户外运行易老化失效。二是防鸟装置的安全性有待提升。密集安装的防鸟刺、防鸟针板会影响常规检修工作，防鸟挡板长时间运行后因螺栓失效掉落造成输电线路异物短路的情况并不少见。三是防鸟装置的组合应用策略还需进一步发展完善。部分区域防鸟罩和防鸟挡板同时安装，或在大风区域装设直径过大的防鸟罩，不仅起不到预期效果，还可能造成伞裙撕裂。因此，本文对红外感应超声波脉冲驱鸟器和磁吸式防鸟挡板两种新型防鸟装置进行研制。对两种新型防鸟装置的结构、工作机制、安装应用方式进行设计，并提出这两种装置的组合应用策略，为进一步提升架空输电线路鸟害防护水平提供新的技术手段。

1、红外感应超声波脉冲驱鸟器设计

1.1 装置总体结构

红外感应超声波脉冲驱鸟器总体结构主要由红外感应装置、间歇性灯光装置、机械控制与超声波脉冲装置共同构成。该型驱鸟器的基本结构如图1所示，其正常工作电压范围为5～12 V。

图1 红外感应超声波脉冲驱鸟器结构

1.2 电路设计

红外感应超声波脉冲驱鸟器安装在输电杆塔上，通过太阳能板电池进行供电。当鸟类出现在红外线探测范围内时，驱鸟器会发出检测信号，经放大处理后触发智能报警装置。红外传感电路如图2所示。

图2 红外感应电路

普通红外线传感器易受太阳光强度影响，为提升红外线传感器的效果，该驱鸟器采用了脉冲IRM38B型号的红外线传感器，能够有效避免红外线室外探测干扰。脉冲IRM38B型号的红外线传感器对连续方波加载信号比较敏感，但无法识别连续方波信号，因此，该装置的信号发生器采用的是LM567锁相环音频译码器，从而产生低频非连续方波振荡信号。经过三极管Q1进行调制，将振荡信号加载到38 Hz的载波上，并在Q2处将载波信号放大，最后经由DS1处的红外线发射管发出非连续方波信号。当检测到鸟类活动时，该装置会接收到红外线反射信号，并将信号送入LM567内部进行解调，装置内的锁相环电路就会锁定信号[3]3]。信号频率主要由图2中的R3和C3决定。取R3=220 kΩ,C3=0.01 μF,而NE555的2、6、7三处的引脚和外接R6、R7、C4组成振荡器，则输出方波振荡信号频率f为

f=10.7[(R6+R7)C4+R7C4](1)

取R6=15 kΩ、R7=10 kΩ、C4=0.001 μF,则f=40 kHz。因此，当锁定信号送至LM567输入端时，输出端就会引发点位跳变，此时，锁相波形将会由高电平变为低电平，并与发光二极管导通，驱鸟器的红外线超声波发声装置就会发出40 kHz的高频超声波对附近鸟类进行驱离。

为尽量减少驱鸟器的电子元件，该装置的LED灯和蜂鸣器也采用SS8550 PNP的三极管。LED灯、电机、蜂鸣器驱动电路如图3所示。

图3 LED、电机、蜂鸣器的驱动电路

1.3 参数选择

输电线路运行于野外，易受到雷击损害，会短时间内提升附近电流电压[4]。雷击形成的高压电流会分散至回流线、输电杆塔和大地分流[5],一般回流线的电流还剩30%,为了更好保护驱鸟器不受雷击的影响，需要合理设计驱鸟器过电压保护电路。假设驱鸟器在雷击前后铁芯在特定时间内完成磁通变换，则其一次侧励磁电流Imax可用式(2)表达。

Imax=Bmax×μ0μe2πr×297.5 (2)

实际一次侧励磁电流为2 Imax≈600 A,假设雷电流的波前斜率是恒定的，则放电时间Δt=2.6×600/5 000=0.312(μs)。根据过充电流保护回流中电流为150、300 A时，其额定充电电流为0.4 A。假定Imax为300 A时，二次侧电流为0.705 A,此时为二极管选型的重要指标。二极管具体参数如表1所示。

1.4 驱鸟方式

根据上述原理及选择的技术参数研制的红外

表1 二极管1N4007技术参数

感应超声波脉冲驱鸟器能通过红外感应技术感应到鸟类是否靠近其位置，进而发出声光报警或发射超声波脉冲进行驱鸟。此外，该装置可预留功能位置，可扩充其他类型的驱鸟手段。通过差异化选择驱鸟手段，可进一步提升该装置长时间的应用效果，弥补因鸟类强适应性造成的驱鸟器仅在安装初早期起效的不足。

2、磁吸式防鸟挡板设计

除红外感应超声波脉冲驱鸟器外，还设计一种磁吸式防鸟挡板并考虑将两者组合应用。新型磁吸式防鸟挡板在常规的防鸟挡板基础上进行优化升级，主要包括挡板材质、连接安装方式。其结构如图4所示。

图4 磁吸式防鸟挡板结构

磁吸式防鸟挡板主要由硬质绝缘板、磁吸可调式弹簧支架、铝滑槽、防坠器、硅胶片等部件构成。取消了磁吸式防鸟挡板原有支架夹持的安装方式，升级成磁吸弹簧式连接，可直接吸附安装。磁吸弹簧的另外一端与硬质绝缘板连接，硬质绝缘板上固定有滑槽，可实现磁吸弹簧的横向滑移，如图5所示。

图5 滑槽

硬质绝缘板是磁吸式防鸟挡板的主体，采用聚碳酸酯板(PC板)制作。PC板是以聚碳酸酯聚合物为原料，采用先进的挤出工艺技术制造的高强度、透光材料，具有重量轻、强度高、耐候性强、阻燃性好等优异性能。聚碳酸酯的密度为1.29/cm3左右，比环氧树脂板轻1/3,而且因为其强度高，结构上能做的更薄，整体可以减轻质量一半以上。PC板的轻量化，使安装更安全、更便利，可节省施工时间，提高施工效率。

3、测试验证及组合应用

3.1 感应距离

为了寻找合适的驱鸟器安装位置，需要验证该驱鸟器红外线的最大检测距离。由于驱鸟器的驱鸟效果会受鸟类个体、红外线检测感应之间的发射距离的影响[6]6],因此，实验室采用长度为21.5 cm,宽度为14.2 cm,厚度为1 cm的软面笔记本进行测试。测试结果如表2所示。

表2 驱鸟器红外感应距离测试结果

表2中d为红外检测感应与超声波接收器之间的距离。红外线检测感应距离越大，超声波的感应距离也越大，但最大感应距离为16 cm。超出16 cm感应范围后，感应距离会逐渐变小。除此之外，超声波感应效果会受红外线传感器截面面积的影响，红外线传感器截面面积越大，超声波的感应效果越好。

3.2 超声波衰减距离

假设超声波发射器30°圆锥角范围内可以接收到超声波信号。在40 kHz的情况下进行测试。通过测试，发现超声波收发装置距离增大时，超声波最大电压值将会逐渐减小。当超声波收发装置距离增加至190 mm时，超声波电压值约为0.32 V,具体实测数据如表3所示。

表3 驱鸟器超声波衰减距离测试结果

3.3 现场应用

宁夏石嘴山地区范围内的某110 kV架空输电线路10号至14号杆塔鸟害问题较为严重。从现场防鸟装置安装情况来看，2018年以前，该线路主要以安装防鸟刺为主，普遍存在鸟类在杆塔上筑巢情况，如图6所示。

图6 依托防鸟刺搭建的鸟巢

为验证红外感应超声波脉冲驱鸟器及磁吸式防鸟挡板组合应用效果，对该110 kV架空输电线路10号至14号杆塔安装上述两类防鸟装置，观察杆塔周边鸟类活动情况及线路故障情况如图7所示。

图7 磁吸式防鸟挡板安装情况

在装置安装后半年内，通过无人机巡视、人工巡视观察10号至14号杆塔及线路周边的鸟类活动情况，发现半年内上述5基杆塔未再有鸟巢，且未发生鸟害故障跳闸。此外，长期观察发现，安装的红外感应超声波脉冲驱鸟器能准确感知鸟类大小、飞行速度的关键信息并在适当位置发射脉冲波。磁吸式防鸟挡板安装简便，防护范围满足要求。在第一阶段取得良好效果后，又将装置应用范围扩大到其他杆塔上，整条线路鸟害隐患数量明显减少，表明红外感应超声波脉冲驱鸟器及磁吸式防鸟挡板组合应用能有效降低鸟害故障概率。

4、结论

1)研制的红外感应超声波脉冲驱鸟器能准确感知鸟类大小、飞行速度等关键信息并在适当位置选择性采取不同的驱离方式，能进一步提升驱鸟器应用效果，延长鸟类对装置的适应性。

2)通过改进安装连接方式、结构型式及挡板材质研制成的磁吸式防鸟挡板能有效防范绝缘子正上方鸟粪闪络故障，同时满足实际运行过程中安装牢固、绝缘性好、抗风抗震等要求。

3)单一防鸟装置很难达到较好的防鸟效果，通过组合应用红外感应超声波脉冲驱鸟器和磁吸式防鸟挡板，能有效降低鸟害故障概率。

4)通过改进现有防鸟装置结构、材质，优化装置作用机理，可为研制新型防鸟装置提供有效参考和指导。

参考文献:

[1]沈琼妹,吴碧海,王建勇,等.变电站智能型激光驱鸟装置的研究[J].电子测试,2022,36(7):104-106.

[2]姬俊国,闫宏伟,刘勋,等.智能脉冲式电压驱鸟装置[J].电声技术,2020,44(2):73-74.

[3]张少伟,王健,米宏伟,等.配电线路智能激光驱鸟装置的研究[J].科技视界,2021(27):67-68.

[4]不公告发明人.一种输电线塔横担处反光驱鸟装置:CN112544601A[P].2021-03-26.

[5]蔡龙,袁文豪,丁志伟.一种智能激光驱鸟装置安装结构:CN213187825U[P].2021-05-14.

[6]张国清,张瑜,俞明生,等.输配电架空线路直线杆驱鸟装置:CN212464673U[P].2021-02-05.