基于电热切割的便携式变电站导线（设备）漂浮缠绕物清除装置设计

目前，处于空旷区域的变电站经常会有一些风筝线、气球、塑料等漂浮物缠绕到变电设备构支架、设备、导线上，给设备的安全运行带来严重的安全隐患。2016年12月20日，在220kV创*站发现漂浮有风筝线，经检查发现风筝线横跨220kV 1个线路间隔、＃3主变变高间隔三相导线、＃2主变变中间隔三相导线、＃1主变变中避雷器导线A相，并在以上设备间隔多处发现风筝线有缠绕现象，如图1所示。此时若出现下雨或天气湿度增大的情况，风筝线将会造成该站3台主变短路跳闸。事件处置过程中，采用分段切割方法，缩小停电范围，只将#2主变和#3主变进行了短时轮流停电，分段切割工具使用绝缘杆顶部缠绕烟头和绝缘杆顶部缠绕小刀，事件中取下的风筝线长达200米。

对于直接缠绕在设备上的漂浮物，现有的处置方法是对设备进行停电再处置漂浮物，存在以下不足之处：停电处置，影响用户供电可靠性；清除时间长，给设备安全运行带来不可控的安全隐患；停电后没有合适的工具进行清除作业。

基于电热切割的便携式变电站导线（设备）漂浮缠绕物清除装置安装于各电压等级的验电笔上，具有带电清除、单人操作、夜间操作、电热丝可调节形状功能，携带方便，通过更换电池或充电达到短时间内多次使用，电池续航能力在5分钟以上，电热丝温度可超400℃，能够清除常见的漂浮物。本装置可改变目前变电站处置漂浮物的现状，降低变电站设备运行维护作业的综合成本，切实有效提高变电站设备运行维护安全作业的管理水平。

图1　220kV创*站风筝线所处范围示意图

2　关键技术及原理

2.1　装置整体设计思路

（1）采用充电锂电池，方便更换，能够通过更换电池短时间内迅速、多次清除漂浮物，避免因充电等原因延长漂浮物处置时间。

（2）电热丝要能够快速、方便地更换，电热丝有一定的硬度，可以手工调整形状，可按设备外形调整电热丝形状，提升清除漂浮物效率。

（3）装置包括两个电路，电路一电热丝发热回路，电路能够自保持，电路设计能够满足持续发热时间达到5分钟以上，热度要求达到400℃，满足碰触到风筝线等常见漂浮物时能轻松切断；电路二照明回路，电路能够自保持，按下开关后照明灯常亮，两个电路设计在1个电路板中。

（4）照明灯开启后，可以在夜晚看到漂浮物状态，便于清除漂浮物。

（5）装置安装在各电压等级的验电笔上，满足带电处置各电压等级设备上的漂浮物。

2.2　装置电路设计理论依据

焦耳定律是定量说明传导电流将电能转换为热能的定律，即Q=I²Rt。内容是：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。根据焦耳定律，电能可以转化为热量。

在纯电阻电路中，根据欧姆定律可以计算出：Q=I²Rt＝（U²/R）t。

在并联电路中，由于导体两端的电压相等，通电时间也相等，根据焦耳定律和欧姆定律可知电流通过导体产生的热量跟导体的电阻成反比。

因此，在电压一定的情况下，选用合适电阻的电热丝，可以使电热丝发热温度和时间达到设计要求。

2.3　装置电路设计

装置整体电路由两个电路组成，电热丝回路和照明回路，其中电热丝回路包括电热丝发热回路和电热丝指示灯回路。电热丝发热回路由电池组、开关K1、保险丝FUSE、电热丝WIRE组成，电热丝指示灯回路由电池组、开关K1、保险丝FUSE、电路指示灯D1、电阻R1组成；照明回路由1个电池、开关K2、电阻R2、航空高亮照明LED组成。整体电路如图2所示，装置电子保护模块的电路图如图3所示。

图2　装置整体电路图

图3　装置电子保护模块的电路图

2.4　装置硬件设计、选型和样品制作

（1）基于电热切割的便携式变电站导线（设备）漂浮缠绕物清除装置硬件设计的要点有：

①装置电路安装在塑料外壳内，和外界接触处均要求做防水设计。

②电热丝和电热丝接线柱裸露在装置外，电热丝接线柱和装置外壳、电路均要做隔热设计。

③装置要和验电笔有对接接口设计。

（2）基于电热切割的便携式变电站导线（设备）漂浮缠绕物清除装置硬件选型的要点有：

①充电锂电池选用3400mAH大容量18650锂电池，通过计算可满足持续放电时间5分钟以上的要求。

②电热丝接线柱选用多功能黄铜钻夹，方便电热丝快速更换。

③电热丝选用φ0.6mm的镍铬丝，经计算和试验可满足：持续发热时间达到5分钟以上，热度达到400℃以上；可手工调整任何形状，可按设备外形调整电热丝形状；电热丝有一定的硬度，可轻松清除漂浮物。

④照明灯选用5W无人机LED夜航灯，硬件设计时考虑灯光照射方向，可以将120度、50厘米范围内的物体照亮，满足夜间照明需要，同时设计还要满足LED灯散热需要。

（3）基于电热切割的便携式变电站导线（设备）漂浮缠绕物清除装置硬件样品制作过程：

硬件电路和硬件选型完成后，进行工程制图，图纸经审核无误后，对外壳和支撑部件通过定制3D打印方式制造，选用高品质白色PLA耗材，打印效果如图4、图5所示。  

硬件电路板根据电路功能需要设计原理图，原理图的设计主要是依据各元器件的电气性能根据需要进行合理的搭建，通过该图能够准确地反映出该PCB电路板的重要功能，以及各个部件之间的关系。原理图设计完成后，需要更进一步通过PROTEL对各个元器件进行封装，以生成和实现元器件具有相同外观和尺寸的网格，再正式生成PCB。然后通过制板、打孔、焊接等工序完成电路板的制作，电路板如图6所示。

（正面） （背面）

图6　装置电子保护模块的电路版布线及尺寸图

3　装置应用成效

3.1　装置实测数据分析

项目小组于2017年10月30日白天和夜晚分别在深圳供电局有限公司水贝基地员工技术技能实训中心进行了装置的测试，采用单人测试方式，将该装置安装在不同电压等级的验电笔上，直接接触各电压等级的设备、导线、构支架，清除被缠绕的风筝线、孔明灯线等。测试数据见表1。

表1　装置实测数据表

经过实际测试，装置电热丝能够加热到400℃以上，一组电池续航时间能够持续5分钟以上，能够在短时间内通过更换电池组连续使用装置进行多次作业，能够在全天任意时间有效的快速清除缠绕的风筝线、孔明灯线等；所述电热丝能够手动调整形状，适用于各种导线、设备、构支架且有一定的强度，能够保持在作业过程中，不被缠绕的漂浮物破坏形状，能够避免清除漂浮缠绕物时设备停电，具有防水功能，操作方便快捷，能够大幅度节约操作人员的体力。

3.2　装置适用范围

经过实际测试和对测试数据进行分析后，确定本装置的适用范围见表2，下雨天因漂浮物绝缘性能的不确定性，禁止使用本装置进行清除作业。

表2　装置适用范围表

4　结语

基于电热切割的便携式变电站导线（设备）漂浮缠绕物清除装置经过实测和对测试数据进行分析，完全能够达到预期目标，装置电热丝能够加热到400℃以上，一组电池续航时间能够持续5分钟以上，能够在短时间内通过更换电池组连续使用装置进行多次作业，能够在全天任意时间有效的快速清除缠绕的风筝线、孔明灯线等漂浮物；能够避免清除漂浮缠绕物时设备停电，单人可以操作，操作方便快捷，能够大幅节省操作人员的体力，为变电站设备安全运行提供了有力的安全保障，具备广泛推广应用价值。

基金项目：主配网设备（二级物资）准入技术规范体系研究与应用（090000KK52150062）；科技项目（SZKJ-2015-02-004）。

（作者雷强系深圳供电局有限公司高级工程师）