于俊清 郭应龙 吴功平 李林凌
武汉水利电力大学 湖北 武汉 430072
1 国内外研究状况
输电线路跨越千山万水，经受冰霜雨雪，其导线在巨大的交变张力、由振动引起的弯曲应力、气温急剧变化引起的材质脆变、电气闪络引起的表面损伤等因素影响下，常常出现断丝断股现象，如不及时修复处理，原本微小的破损和缺陷就可能生长扩大而最终导致整根导线的破断，造成大面积的停电和巨大的经济损失。因此，保证导线的完好无损和线路的安全运行，是关系到电力系统安全生产的重要环节。
目前，对输电导线进行检测的方法，主要有2大类：
（1） 目测法：采用肉眼或望远镜对辖区内的导线进行观测。这种方法简便易行，任何基层单位均可实施，但精度极低。一般来说，只有在断丝部分已相当严重，铝丝已经完全断离甚至断头翘起的情况下，才能被察觉。
（2） 航测法：直升飞机巡线。使直升飞机沿输电线路飞行，机载红外摄像设备即可观测和记录沿线异常发热点的情况。这种方法固然比前者先进得多，也精确得多，但成本很高，尚不适应我国输电线路的常规检查与日常维护。
2 设计思想及技术要求
2．1 设计思想
针对目前国内外对输电导线检测的研究现状，从实际出发，经过广泛调研与反复研究，设计了这种自动越障测线小车，车载红外探头、分析仪、记录仪。由于断点温度较周围高，利用红外传感器对温度的梯度敏感的特点来检测导线的破损情况，并在故障点发出信号。
这种测线小车既保留了航测法精度高、效率高的特点，又克服了成本高的缺点，是一种适合我国国情、有广泛应用前景的实用检测设备。但由于高压线的种类多，线路的结构不一，给小车的设计带来很大困难。
2．2 技术要求
小车需要安装红外探头、分析仪、记录仪等装置，故需一定空间；
小车经常从导线装上、卸下，而且是带电操作，所以必须重量轻、体积小；
小车运行需绕过各种障碍物，主要包括绝缘子、防舞器、悬垂线夹等；
小车必须自带动力，如蓄电池；
小车运行要平稳，无冲击。
3 小车的设计方案及工作原理
3．1 驱动部分
驱动部分采用三轮驱动(示意图见图1)。每个轮子均由电机枢动，而电机的驱动电源暂不能取自高压线，因而小车自带蓄电池作为动力。三个车轮之间同时驱动小车前进。当遇到障碍时，三轮依次开合，具体过程如下：当第一个轮子遇到障碍时，该车轮机构打开而脱离导线，在2、3车轮驱动下越过障碍；然后1车轮复位，2车轮机构打开而脱离导线，在1、3车轮的驱动下越过障碍；接着2车轮复位，3车轮机构打开而脱离导线，在1、2车轮的驱动下越过障碍后复位。这样，整个小车便可以顺利越过障碍物。
图1 小车驱动机构示意图
1—控制机构；2—越障机构；
3—行走机构；4—被测导线
当然，还有其他方案可以实现驱动功能，如：四轮驱动、准四轮驱动等，但比较起来只有本方案结构最简单、体积最小、重量最轻、且运行比较可靠。
3．2 越障部分
3．2．1 小车行车过程中遇到的主要障碍物
高压架空输电线路随着输电电压和周围地理环境的不同，形式上会有所区别，但它的基本构成还是相同的(如图2所示)。高压架空输电线路主要由导线、避雷线、金具、绝缘子、杆塔和线基础及接地装置等元件组成。这些元件中，对小车来讲主要障碍物为金具和绝缘子串。
图2 架空线路的组成元件
1—导线；2—避雷针；3—防舞器；4—线夹;
5—绝缘子；6—杆塔；7—基础；8—接地装置
3．2．2 越障过程分析
小车越障前的状态如图3，由图不难看出，小车要顺利越过障碍必须完成两个动作。一是行走轮脱离导线，偏离障碍物；一是小车前进使行走轮越过障碍，这两个动作要顺序进行。
图3 越障示意图
1—U形螺丝；2—球头挂环；
3—绝缘子串；4—碗头挂板
3．2．3 越障机构工作原理
根据以上分析，能够实现越障功能的方案有很多，如有旋转式、平开式、剖分式、连杆式、导杆式等。经过认真比较择优之后，确定采用导杆式，将其基本原理和特点作以简单介绍。
工作原理：在正常运行情况下，小车在电动机A驱动下，车轮C沿导线运动，当遇到障碍时，电动机B启动，通过丝杆使螺母D上升，支架E和F分别沿左右两个弯曲导杆上移，当到达导杆的弯曲部分时，分别向左右两边偏转，避开障碍物。越障后电机B反转，机构即可复位。
特点：本机构结构简单、成本低、体积小、重量轻；车轮架上的滑环在导杆上运动平稳、连续、无冲击，从而使小车在越障时比较平稳且刚性较好。
图4 越障机构原理图
A、B—电机；C—车轮；D—螺母;
B、F—支架；G—导杆
4 小车的尺寸确定
4．1 影响尺寸的主要因素
由以上分析可知，小车遇到的主要障碍是金具和绝缘子串，它们也是影响小车尺寸的主要因素，尤其是悬垂绝缘子串。高压输电线路种类很多，对于不同的类型，所选用的金具和绝缘子的型号亦不相同，因此不同类型的金具和绝缘子具有不同尺寸的小车。
4．2 确定尺寸的方法
要想使小车通过每一种类型的输电线路，基本上有2种方法可以实现。一是按最大尺寸类型设计；一是使小车系列化，即根据不同类型输电线路设计一系列不同大小的小车，根据实际情况选择使用。
比较2种方法不难看出，第一种方法设计的小车过于庞大，与技术要求不符；第二种方法则具有较强的适应性和科学性。故采用第二种方法设计。
5红外探测部分工作原理
5．1 故障点的热辐射场分析
当高压输电导线存在机械故障(如断丝、断股、破损、连接不良等)时，则运行过程中在故障点附近，必然产生局部温升，其辐射波段通常位于远红外区（λ＝6～15μm)内，在故障点附近辐射能量增大，增加部分的辐射能量呈抛物线分布，如图5所示。
辐射增量的数学表达式为：
图5 辐射增量曲线
5．2 对导线热辐射场的响应
经过反复对比、筛选，采用利用锆钛酸铅热释电陶瓷材料的自发极化随温度变化的特性制作而成的双灵敏元热释电红外传感器(PM622传感器)。
（1） 热释电传感器的输出特性
当热释电材料接到红外热辐射时升温，表面电荷被激发后通过电极输出一个电压信号，但如果其接收到的是一个稳定的红外辐射，其温度升高到一定数值后将稳定不变，这时热释电材料的表面电荷也将不再变化，因而输出的信号电压为零，因此，热释电传感器只对温差信号有响应。图6为一个单元件的热释电传感器电路原理图及其诺顿等效电路图。
（a)电路原理图
(b)诺顿等效电路图
图6 热释电传感器
设R′，C′为传感器本身的电阻和电容，R″，C″为前置放大器的电阻和电容，则该电路输出的微分方程为
 （1）
给定边界条件V｜t＝0＝0，可解得
 （2）
其中，C＝C′＋C″为总电容，R＝R′／R″为总电阻。
（2） 热释电传感器对故障点热辐射场的响应
当t∈［0，τ0］时，传感元件的温升ΔT应满足热平衡方程：
 （3）
式中 d——热容量；
G——热导；
η——光敏面吸收率。
给定边界条件ΔT｜t=0＝0，对(3)式积分可得
  （4）
代入(2)式求得传感器的输出信号电压
  （5）
式中 τe＝RC为电时间常数，τT＝d/G为热时间常数
 （6）
上式的解为
 （7）
代入(2)式得此时的信号电压
  （8）
式中V（τ0）和ΔT（τ0）边界条件，分别由方程(4)和(5)给出，综合式(5)和(8)可画出热释电传感器对导线故障点热辐射的响应曲线如图7所示，其中
图7 传感器对故障点的响应曲线
由上可以看出，传感器输出的峰值电压与幅射增W0成正比，故障辐射中心与输出信号的峰值位置并不重合，其偏移量与传感器及电路元件有关。
（3）试验
采用钛锆酸沿(PZT)材料制成的热释电传感器以0．2m／s速度沿线路(7股9的钢芯铝胶线，V＝20 V，I＝100A）匀速移动，当传感器通过故障点时，用CF910记录下来的典型信号如图8所示。
图8 实测电压信号曲线
试验表明，输出信号的大小与故障点的严重程度(即相应于故障点的辐射强度)成正比，输出信号的图形和大小与理论分析结果完全相符。
6 小车的应用前景展望
自动越障测线小车经过现场调试，性能稳定，效率高，成本低，尤其适合大跨度跨江导线的检测。随着小车性能的不断完善，在电力系统将有广泛的应用前景。
参考文献：
［1］杜玉清．架空输电线路和检修基础知识［M］．北京：水利电力出版社，1989．
［2］［苏］F．M．亚历山大罗夫．超高压送电线路的设计［M］．北京：水利电力出版社，1987．
［3］程应镗．送电线路金具的设计安装试验和应用［M］．水利电力出版社，1989．
［4］辛一行．现代设计(机械设备设计)手册［M］．北京：机械工业出版社，1996．
［5］董吉谬．电力金具手册［M］．北京：水利电力出版社，1994．
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