低功耗视频监测设备防冰装置的设计研究

黄 良 李 京 黄 力 詹乐贵 朱 彬 尹学兵

(1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州 贵阳 550000；2.贵州电网有限责任公司六盘水供电局，贵州 六盘水 553000；3.贵州电网有限责任公司铜仁供电局，贵州 铜仁 554300；4.贵州电网有限责任公司信息通信分公司，贵州 贵阳 550000；5.贵州电网有限责任公司毕节供电局，贵州 毕节 551700；6.贵州电网有限责任公司兴义供电局，贵州 兴义 562400)

对输电线路进行运行状态在线监测，是输电线路安全运行的有力支撑手段，属于智能电网在输电环节的主要内容，可以实现输变电设备状态运行检修管理、提升生产运行管理精细化水平。视频监测是输电线路在线监测的一种重要手段和方法，近年来广泛应用于输电线路覆冰监测、防外力破坏监测及山火监测等[1-3]。

输电线路的视频监测设备的运行状态易受外界环境温度、湿度等因素的影响。当外部环境为低温高湿工况时，摄像机机芯的外保护罩表面上常因高湿空气及低温环境而形成凝露及覆冰，致使拍摄到的影像模糊不清，无法进行有效观测。而一些现有的适合在低温高湿工况下工作的视频监测设备，只单一地在装置内部增设电加热热阻，热阻发热后通过导热将热量传至镜头表面，防止覆冰。但此种形式的装置存在着功耗过大的问题，导致能耗浪费现象，同时，热阻热量的多向传递，有可能会对视频监测设备内部核心部件产生影响，使其产生局部过热现象，影响设备的正常运行，在实际应用中受到一定的限制。

因此，有必要对高湿低温工况下运行的视频监控装置的技术进行深入研究，解决该环境下外保护罩表面的凝露及覆冰问题，提升视频监控效果，促进输电线路远程可视监控技术的发展。

1 低功耗视频监测设备防冰装置设计研究

1.1 结构设计说明

本文所设计的低功耗视频监测设备包覆在防冰腔体内，腔体包括外保护层、保温层、低功率透明电加热玻璃、气流防护罩等部件。图1为防冰摄像机外观结构示意图，其中摄像机设置于摄像机舱体内，镜头与低功率透明电加热玻璃平行，内部为静止空气，低功率透明电加热玻璃通电后会产生一定的热量，保证镜头所处空间的温湿度处在合理范围内。

对于摄像机型号的选择本文基于如下原则：①环境适应性，应选用工业级摄像机产品使其工作温度(-40～+85℃)适用于覆冰低温环境，提高产品可靠性。②低功耗(1.3W)，从功耗分配的角度考虑，降低传感器功耗可确保整体设备低功耗设计的实现。③小体积(55*55*42mm)，衡量摄像机外形尺寸，确保防冰腔体体积和重量在合理范围内。同时，低功率透明电加热玻璃外部覆有超疏水透明涂层，抑制凝露和覆冰，即当外界气象条件达到所设预警值后，加热器件启动加热，以保证摄像机模块镜头玻璃表面无水雾、凝露。本文并通过对摄像机机舱内部进行加热的方式，结合基于热设计理论，从装置关键零件的材料选择、表面处理及结构设计等方面，减少机舱热量损失，尽量保持装置温度，最大限度地抑制装置的凝露及覆冰状况。

1.2 实验效果分析

本文利用Fluent软件[4]构建图1低功耗视频监测设备防冰装置结构模型，研究摄像头入口环境温度、风速对玻璃表面的平均温度的影响。从图2(左)计算结果可以看出，风速保持恒定时(本文模拟过程中取值3m/s)，入口温度越低，玻璃表面的平均温度越低，且变化率随着入口温度降低而增大；而玻璃下方空腔内风速是一样的，说明结构相同，风速相等时，入口温度变化只影响内腔的温度场，不影响流场。这一实验结果说明，本文所设计的低功耗视频监测设备防冰装置对于不同温度工况环境下对内部设备的影响较小，从而解决了视频设备在冰期无法正常工作的缺陷。

图1 防冰摄像机外观结构示意图

从图2(右)计算结果可以看出，入口温度保持在-10℃时，入口风速越大，玻璃表面的平均温度越低，且变化率随着风速的增大而增大；加热玻璃下方空腔内风速随着入口风速的增大而增大，且变化率随着风速的增大保持一致；结构相同，入口温度相等时，入口风速变化同时影响内腔的温度场和流场。

图2 玻璃表面温度与入口温度、入口风速变化趋势

2 结论

针对目前视频摄像头在冰期无法正常工作的缺陷，本文所设计的低功耗视频监测设备包覆在防冰腔体内，腔体包括外保护层、保温层、低功率透明电加热玻璃、气流防护罩等部件，能够保证其所有结构部件在冰期能够正常工作。