一种基于电磁超声导波的电力线缆除冰方法及其系统与流程

本发明涉及一种电力线缆除冰方法，尤其涉及一种基于电磁超声导波的电力线缆除冰方法，并涉及采用了该基于电磁超声导波的电力线缆除冰方法的电力线缆除冰系统。

背景技术：

随着电气化铁路的广泛实施，使得电力输电线缆在铁路中变得越来越重要。覆冰是输电线比较常见的自然灾害，主要发生在初冬和初春季节。输电线覆冰将增大线路的机械载荷，并引发导线舞动、断线、倒塔以及绝缘子冰闪等现象，进而发展成大范围跳闸停电事故，影响铁路运输的正常运行，使国家和人民遭受巨大经济损失。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是需要提供一种基于电磁超声导波的电力线缆除冰方法，进而实现高效、稳定与节能的目的，并进一步提供采用了该基于电磁超声导波的电力线缆除冰方法的电力线缆除冰系统。

对此，本发明提供一种基于电磁超声导波的电力线缆除冰方法，包括以下步骤：

步骤s1，在电力线缆上安装螺旋管式线圈；

步骤s2，判断所述电力线缆是否存在覆冰，直到是则跳转至步骤s3；

步骤s3，分析所述电力线缆的固有频率，选取其中一个固有频率作为激励频率，将选取的固有频率的正弦波通过功率放大装置施加在所述螺旋管式线圈上，通过所述螺旋管式线圈在电力线缆上产生导波；

步骤s4，判断所述电力线缆的去除覆冰工作是否完成，直到完成则结束。

本发明的进一步改进在于，所述步骤s2中，分析所述电力线缆的固有频率，当所述电力线缆的固有频率达到预设频率阈值时，判断为所述电力线缆存在覆冰。

本发明的进一步改进在于，所述步骤s4中，分析所述电力线缆当前的固有频率，当所述电力线缆当前的固有频率低于所述预设频率阈值时，判定所述电力线缆的去除覆冰工作为完成。

本发明的进一步改进在于，所述步骤s4包括以下子步骤：

步骤s401，判断所述电力线缆的去除覆冰工作是否完成，若否则跳转至步骤s402，若是则跳转至步骤s405；

步骤s402，分析所述电力线缆的固有频率是否发生变化，若是则跳转至步骤s403，若否则跳转至步骤s404；

步骤s403，根据所述电力线缆当前的固有频率，重新选取其中一个固有频率作为激励频率；

步骤s404，将选取的固有频率的正弦波通过功率放大装置施加在所述螺旋管式线圈上，通过所述螺旋管式线圈在电力线缆上产生导波，并返回步骤s401判断所述电力线缆的去除覆冰工作是否完成；

步骤s405，结束并退出。

本发明的进一步改进在于，在所述螺旋管式线圈上设置磁极或对所述螺旋管式线圈施加直流电流以产生静态磁场。

本发明的进一步改进在于，分析电力线缆的固有频率的过程为利用白噪声方式分析电力线缆的固有频率，首先在所述电力线缆上施加白噪声信号，通过分析所述电力线缆上的信号的频谱，进而获得该电力线缆的固有频率。

本发明的进一步改进在于，分析电力线缆的固有频率的详细过程为，先利用白噪声发生电路产生白噪声信号，然后将产生的白噪声信号经过功率放大模块放大并加载到激励传感器上，使得白噪声信号能够通过管道传播至接收传感器处，最后对接收传感器感应到的信号进行采集并存储，将检测的白噪声信号进行fft变换，选取功率频谱能量超过预设频谱能量的频率为所述电力线缆的固有频率。

本发明的进一步改进在于，在所述螺旋管式线圈附近设置一个导波检测传感器。

本发明的进一步改进在于，所述导波检测传感器为电磁超声传感器。

本发明还提供一种基于电磁超声导波的电力线缆除冰系统，采用了如上所述的基于电磁超声导波的电力线缆除冰方法。

与现有技术相比，本发明的进一步改进在于：通过所述电力线缆的一个固有频率作为激励频率，将其施加在所述螺旋管式线圈上进而在电力线缆上产生导波，进而能够利用电磁超声导波对电力线缆进行除冰，能够实现单点激励，电力线缆与传感器之间不发生相对移动，且具有高效、稳定与节能等优点；在此基础上，选取所述电力线缆的固有频率作为激励频率能够增强导波振动幅值，进而提高除冰效率，保证对电力线缆除冰的安全保障，有效实现电力输电线缆的除冰工作。

附图说明

图1是本发明一种实施例的工作流程示意图；

图2是本发明一种实施例基于电磁超声导波对电力线缆进行除冰的示意图；

图3是本发明一种实施例基于电磁超声导波对电力线缆进行除冰的优选实现方式示意图；

图4是本发明一种实施例的详细工作流程示意图；

图5是本发明一种实施例增加导波检测传感器实现检测信号的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

电磁超声导波技术是利用电磁耦合的方式在被测结构中产生导波，lamb和sh波在介质中传播时产生的速度差，在冰与粘附层界面形成剪切应力，通过该剪切力达到去除冰层的目的。同时利用导波还能在被测结构中产生机械力，利用该机械力能够使被测结构快速振动，使得结构表面冰层发生形变而破裂或者掉落。相比于电力输电线缆融冰技术，利用电磁超声导波进行除冰具有高效、稳定与节能等优点。

电磁超声导波既是一种波动形式，又是一种能量形式。在传播过程中与媒介相互作用，使得介质的一些物理与化学状态与特性发生改变，从而产生一系列超声效应，具体可分为机械、空化与热效应。电磁超声导波除冰技术，便正依靠的是上述电磁超声导波本身的三个效应来进行除冰的一种方法。机械效应指的是一方面超声波在介质中传播会产生应力，对覆冰产生一种破碎与剥离作用，从而达到清除覆冰的效果；另一方面超声波的机械振动将会触发冰介质粒子的高频振动，当振动程度超过一定限度时，所作用的冰物质将疲劳断裂。对于电磁超声导波的空化效应，则表现为超声波作用于固液混合物时可不断地产生空穴现象。在空化过程中产生的气泡会不断发生非线性振动、生长、收缩和崩溃，此时产生的巨大压力会给冰介质造成一定程度地破坏，起到除冰的效果。热效应是指伴随着超声波的高频振动和空化过程产生大量热，不断被冰介质吸收使得温度升高。

本例提出的正是利用电磁超声导波对电力输电线缆进行除冰的技术方案，所述电力输电线缆简称电力线缆，其原理示意图如图2所示。

对比，如图1所示，本例提供一种基于电磁超声导波的电力线缆除冰方法，包括以下步骤：

步骤s1，在电力线缆上安装螺旋管式线圈；

步骤s2，判断所述电力线缆是否存在覆冰，直到是则跳转至步骤s3；

步骤s3，分析所述电力线缆的固有频率，随机选取其中一个固有频率作为激励频率，将选取的固有频率的正弦波通过功率放大装置施加在所述螺旋管式线圈上，通过所述螺旋管式线圈在电力线缆上产生导波；

步骤s4，判断所述电力线缆的去除覆冰工作是否完成，直到完成则结束。

本例所述螺旋管式线圈为激励频率；所述步骤s2中，分析所述电力线缆的固有频率，当所述电力线缆的固有频率达到预设频率阈值时，判断为所述电力线缆存在覆冰。这样设置的原因在于：当电力线缆没有覆冰时，电力线缆的固有频率较低；当电力线缆存在覆冰时，电力线缆的固有频率会增加，当所述电力线缆的固有频率达到预设频率阈值时，判断电力线缆上存在覆冰。所述预设频率阈值为电力线缆的固有频率的自定义阈值，该阈值可以根据预先的测试得到，也可以根据实际情况或需求进行更改。

本例所述步骤s4中，分析所述电力线缆当前的固有频率，当所述电力线缆当前的固有频率低于所述预设频率阈值时，判定所述电力线缆的去除覆冰工作为完成。也就是说，通过分析当前电力线缆的固有频率与没有覆冰时的电力线缆的固有频率，并对两个固有频率进行对比，如果二者的固有频率一致或相近，即当前电力线缆的固有频率在预设频率阈值之内，则认为完成除冰。

综上，本例优选利用白噪声方式分析电力线缆的固有频率，在电力线缆上施加白噪声信号，通过分析电力线缆上的信号的频谱，能够获得电力线缆的固有频率。当电力线缆没有覆冰时，电力线缆的固有频率较低；当电力线缆存在覆冰时，电力线缆的固有频率会增加，此时判断电力线缆上存在覆冰。当电力线缆上存在覆冰时，在电力线缆上安装螺线管式线圈，通过电磁方式分析线缆的固有频率，选取一个固有频率作为电磁超声导波的激励频率，将该频率的正弦波通过功率放大装置施加在激励线圈上，通过激励线圈在电力线缆上产生导波。最后，由于导波在电力线缆上传播，使得电力线缆发生振动，依靠此振动进行除冰。

这是本例实现电力线缆除冰的基本工作原理，当然，利用白噪声方式分析电力线缆的固有频率是一种优选的实现方式。在实际应用中，通过其他方式实现其电力线缆的固有频率的分析也是可以的，因为本例的发明点在于，通过所述电力线缆的一个固有频率作为激励频率，将其施加在所述螺旋管式线圈上进而在电力线缆上产生导波，进而能够利用电磁超声导波对电力线缆进行除冰，而不在于如何实现电力线缆的固有频率的分析。

值得一提的是，由于电力线缆状态发生改变，其固有频率会发生变化，此时再通过电磁方式分析线缆新的固有频率，选取与前一个激励频率相近的固有频率作为新的激励频率施加在激励线圈上，电力线缆的振动进一步加强，使得线圈的激励频率始终维持为电力线缆的固有频率，保证电力线缆振动的达到最大幅值，其中电力线缆的除冰的详细步骤如图4所示。

即，本例所述步骤s4优选包括以下子步骤：

步骤s401，判断所述电力线缆的去除覆冰工作是否完成，若否则跳转至步骤s402，若是则跳转至步骤s405；

步骤s402，分析所述电力线缆的固有频率是否发生变化，若是则跳转至步骤s403，若否则跳转至步骤s404；

步骤s403，根据所述电力线缆当前的固有频率，重新随机选取其中一个固有频率作为激励频率；

步骤s404，将选取的固有频率的正弦波通过功率放大装置施加在所述螺旋管式线圈上，通过所述螺旋管式线圈在电力线缆上产生导波，并返回步骤s401判断所述电力线缆的去除覆冰工作是否完成；

步骤s405，结束并退出。

本例优选在所述螺旋管式线圈上设置磁极或对所述螺旋管式线圈施加直流电流以产生静态磁场。这样设置的目的在于为了提高导波的激励效率，本例在所述螺旋管式线圈（激励线圈）上施加一静态磁场，该磁场可通过如图3所示的磁极来产生，也可通过螺线管线圈施加直流电流产生，这样设置之后，能够通过该静态磁场与所述螺旋管式线圈（激励线圈）产生的涡流和动态磁场之间的耦合，产生导波进一步促进电力线缆的除冰。

本例分析电力线缆的固有频率的过程为利用白噪声方式分析电力线缆的固有频率，首先在所述电力线缆上施加白噪声信号，通过分析所述电力线缆上的信号的频谱，进而获得该电力线缆的固有频率。

本例分析电力线缆的固有频率的详细过程为，先利用白噪声发生电路产生白噪声信号，然后将产生的白噪声信号经过功率放大模块放大并加载到激励传感器上，使得白噪声信号能够通过管道传播至接收传感器处，最后对接收传感器感应到的信号进行采集并存储，将检测的白噪声信号进行fft变换，选取功率频谱能量超过预设频谱能量的频率为所述电力线缆的固有频率。利用白噪声方式分析电力线缆的固有频率的更为详细的实现过程，详见申请人在先申请的名称为一种磁致伸缩导波纵波管道固有频率检测方法的申请文件，值得一提的是，本例的发明点在于通过所述电力线缆的一个固有频率作为激励频率，将其施加在所述螺旋管式线圈上进而在电力线缆上产生导波，进而能够利用电磁超声导波对电力线缆进行除冰，而不在于如何实现电力线缆的固有频率的分析。

本例优选在所述螺旋管式线圈附近设置一个导波检测传感器，所述导波检测传感器优选为电磁超声传感器。

这样设置的目的在于便于说明导波在电力线缆中的传播方式，在所述螺旋管式线圈（激励线圈）附近在增加一个导波检测传感器，检测信号如图5所示，该图中的纵轴为振幅，横轴为时间。由图5可知，导波会沿着电力线缆轴向双向传播，当遇到电力线缆绳头时，导波会发生反射，以此能够进一步实现除冰效果。

本例还提供一种基于电磁超声导波的电力线缆除冰系统，采用了如上所述的基于电磁超声导波的电力线缆除冰方法。

综上所述，本例通过所述电力线缆的一个固有频率作为激励频率，将其施加在所述螺旋管式线圈上进而在电力线缆上产生导波，进而能够利用电磁超声导波对电力线缆进行除冰，能够实现单点激励，电力线缆与传感器之间不发生相对移动，且具有高效、稳定与节能等优点；在此基础上，选取所述电力线缆的固有频率作为激励频率能够增强导波振动幅值，进而提高除冰效率，保证对电力线缆除冰的安全保障，有效实现电力输电线缆的除冰工作。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。