架空地線的絕緣化改造及融冰方法

陳義剛，范松海

(1.四川省電力公司，四川 成都 610041;2.四川電力科學(xué)研究院，四川成都 610072)

0 概述

最近幾年，輸電線路冰災(zāi)事故頻發(fā)，給電力系統(tǒng)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。2008年冰災(zāi)，造成全國(guó)范圍內(nèi)電網(wǎng)因冰災(zāi)停運(yùn)的電力線路計(jì)39 033條，造成了數(shù)以千億的經(jīng)濟(jì)損失［1－3］。2011年年初，連續(xù)的冰雪災(zāi)害造成四川電網(wǎng)500 kV布坡高壓線倒塔兩基，使二灘、瀑布溝等重要水電送出通道癱瘓。2011年12月10日，四川月普一、二線發(fā)生了因冰災(zāi)斷線倒塔的事故。2012年年初，布坡線又發(fā)生了倒塔斷線事故。

2008年年初中國(guó)南方大面積冰災(zāi)后，通過分析和比較，國(guó)家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司均把短路融冰作為防治電網(wǎng)冰災(zāi)的主要方法，相繼投入了大量的人力、財(cái)力和物力研究以及開發(fā)短路融冰方法和裝備［5］。四川省電力公司于2011年在普提站和東坡站裝設(shè)了兩套直流融冰裝置，2012年又計(jì)劃新安裝3套直流融冰裝置。

但是，由于架空地線沿線分布接地特性，不能直接采用短路融冰，這導(dǎo)致架空地路除冰成為難點(diǎn)。而架空地線處在輸電線路的上方，其覆冰往往比輸電線路更嚴(yán)重。2011年年底，普洪三線實(shí)施直流融冰之后，無法恢復(fù)送電，后在巡線時(shí)發(fā)現(xiàn)，該輸電線路的某一段地線出現(xiàn)斷線，折斷的地線搭在輸電線路上，從而導(dǎo)致輸電線路無法恢復(fù)供電。在2012年年初，又出現(xiàn)了兩次地線斷股斷線事故。地線除冰已成為當(dāng)前輸電線路防冰減災(zāi)的緊迫課題。下面提出了通過對(duì)架空地線絕緣化改造，使架空地線具備融冰條件，采用交流電源提供融冰電流，可以實(shí)現(xiàn)輸電線路帶負(fù)荷除去架空地線的覆冰。

1 架空地線覆冰的危害性

1.1 架空地線在冰荷載的作用下出現(xiàn)斷股、斷線

如果冰荷載超過了架空地線的機(jī)械強(qiáng)度，架空地線就會(huì)出現(xiàn)斷股、斷線［6］。折斷的地線可能懸空或直接搭在輸電線路上，易造成輸電線路對(duì)地線放電或直接短路故障，使輸電線路無法正常輸電。此外，架空地線的斷線也會(huì)造成輸電線路力學(xué)體系失衡，為桿塔傾斜甚至倒塌埋下隱患。

1.2 架空地線在冰荷載的重力作用下弧垂過低

由于冰荷載的重力作用，架空地線將比無覆冰時(shí)的弧垂要低，弧垂降低的程度取決于冰荷載的重力和架空地線本身的彈性模量。一般來說，架空地線與同走廊的導(dǎo)線的彈性模量不會(huì)有太大差別。同一地段的導(dǎo)地線覆冰也相差不會(huì)太大，故在一般情況下，可以粗略地認(rèn)為地線和導(dǎo)線的弧垂近似一致，二者之間的間距也基本恒定。但是，弧垂過大，再加上覆冰導(dǎo)線特殊的空氣動(dòng)力特性，容易導(dǎo)致導(dǎo)地線發(fā)生舞動(dòng)，因而增加了導(dǎo)地線之間放電的風(fēng)險(xiǎn)。此外，當(dāng)導(dǎo)線實(shí)施融冰之后，導(dǎo)線因冰荷載的釋放而恢復(fù)正?；〈?，而地線由于無法實(shí)施除冰，其與導(dǎo)線之間的距離可能會(huì)小于安全距離，這將會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)地線之間的放電甚至直接放電，如圖1所示。

圖1 架空地線因弧垂過低與輸電線路放電

2 架空地線的融冰方案

由于架空地線與塔直接連接，沿線分布接地，因而不能通過融冰電流。要對(duì)架空地線實(shí)施融冰的前提條件是要對(duì)其進(jìn)行絕緣化改造［7－8］。改造的目標(biāo)是讓塔與地線之間相互絕緣。改造的方式是在塔與地線之間安裝絕緣子，使架空地線與塔之間通過絕緣子相連，從而隔斷了塔與地線之間的電氣連接(如圖2所示)。在地線兩端的變電站，架空地線通過一個(gè)開閘后接地。在正常運(yùn)行的時(shí)候，隔離開關(guān)處在合閘位置，使架空線在變電站內(nèi)接地。而在融冰狀態(tài)，使隔離開關(guān)處在斷開狀態(tài)，電源端變電站對(duì)架空地線通融冰電流，在對(duì)側(cè)變電站使兩地線直接短接，融冰電流通過兩架空地線形成回路，從而達(dá)到融冰的目的。

圖2 架空地線的絕緣化改造

2.1 架空地線融冰電流的選擇

架空地線融冰與導(dǎo)線融冰原理是一致的。如圖3所示，架空地線通融冰電流后，將產(chǎn)生焦耳熱。焦耳熱一部分用于加熱地線，使其溫度升高。焦耳熱的另一部分則傳遞至冰層內(nèi)表面。在冰層內(nèi)表面上，一部分熱量用于融冰所吸收的潛熱，另一部分則傳導(dǎo)至冰層外表面，使冰層外表面的溫度上升至Ti。由于冰層外表面的溫度Ti大于環(huán)境溫度Ta，所以，冰表面將以對(duì)流傳熱和輻射散熱的方式向周邊的空氣中散失熱量。而對(duì)流傳熱和輻射傳熱是由風(fēng)速和環(huán)境溫度控制的，所以，導(dǎo)地線融冰也受風(fēng)速和環(huán)境溫度的影響。根據(jù)融冰過程中熱傳遞過程，可以得到式(1)～(4)的融冰電流計(jì)算公式［1－5］。

圖3 融冰的熱平衡示意圖

表1 幾種型號(hào)地線的融冰電流及電源容量va=5 m/s;Ta=－5℃ ;di(覆冰厚度)=10 mm;t=60 min

對(duì)于交流，由于存在趨膚效應(yīng)，地線的線電阻率計(jì)算式為

式中，rdc為地線的直流電阻率，Ω/m;rac為地線的交流電阻率，Ω/m;ys的計(jì)算式為

式中，f為電流的頻率，Hz;ks為導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)系數(shù)，對(duì)于地線，ks=1。

將地線的直流電阻率rdc和交流電阻率rac分別代入式(1)～(4)，即可分別得到地線的直流融冰電流Idc和交流融冰電流Iac。

直流融冰電源的容量(Sdc)可由以下公式確定。

式中，Sdc為直流融冰的電源容量，V·A;rT為地線在溫度T℃時(shí)的電阻率，Ω/m;Lc為融冰導(dǎo)線的長(zhǎng)度，m。

交流短路融冰電源容量為

式中，l為單位長(zhǎng)導(dǎo)線電感，H/m。

根據(jù)以上計(jì)算方法，可得到幾種型號(hào)地線的融冰電流及電源容量，如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可知，由于地線的電阻較大，采用交流融冰時(shí)，有功消耗為主，無功消耗相對(duì)較小。故從成本和方便的角度考慮，架空地線融冰宜采用交流融冰。

3 架空地線融冰改造的實(shí)施方法及其影響

3.1 架空線路絕緣化改造的方法

由表1數(shù)據(jù)可知，對(duì)于架空地線融冰，線路壓降不大，100 km線路壓降小于20 kV，故線路改裝相對(duì)較為容易，可以考慮采用輸電線路不停電改造。

但是，帶電改造過程中，要考慮到地線可能會(huì)折斷并與輸電線路短路。在短路瞬間，地線會(huì)有短路電流通過。大短路電流可能會(huì)使地線瞬間溫度上升，從而可能會(huì)燒傷操作人員，故線路改造技術(shù)人員一定要帶防燒傷手套。

3.2 架空線路絕緣化改造后對(duì)防雷的影響

架空線路絕緣化改造后，除在兩端變電站接地外，中間塔位處不再接地，當(dāng)雷落在輸電線路中間斷的地線上時(shí)，會(huì)增加線路反擊雷的概率。因此，為防止落在地線上的雷反擊導(dǎo)線，在不覆冰的季節(jié)，建議將雷區(qū)地線恢復(fù)接地。

4 結(jié)語

(1)要對(duì)地線進(jìn)行融冰，要對(duì)其進(jìn)行絕緣化改造，改變其沿線分布式接地特性，使地線具備通融冰電流的條件;

(2)由于地線電阻遠(yuǎn)大于同走廊導(dǎo)線電阻，故在通融冰電流的情況下，電源容量主要提供有功消耗?？紤]到經(jīng)濟(jì)成本和方便性等因素，建議采用交流融冰方法;

(3)地線絕緣化改造后對(duì)防雷有一定的影響，因此在雷季的多雷區(qū)線路，建議將絕緣化改造的線路恢復(fù)接地。

［1］Songhai Fan，Xingliang Jiang，Caixin Sun，et al.Temperature Characteristic of DC Ice－melting Conductor［J］.Cold Regions Science and Technology，2011，65(1):29－38.

［2］Songhai Fan，Xingliang Jiang，Lichun Shu，et al.DC Ice－melting Model for Wet－growth Icing Conductor and Its Experimental Investigation［J］.Science in China Series E:Technological Sciences，2010，53(12):3248 －3257.

［3］Songhai Fan，Xingliang Jiang，Lichun Shu，et al.DC Ice－ Melting model for Elliptic Glaze Iced Conductor［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，26(4):2697－2704.

［4］Xingliang Jiang，Songhai Fan，Zhi jin Zhang，et al.Simulation and Experimental Investigation of DC Ice－Melting Process on an Iced Conductor［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2010，25(2):919－929.

［5］蔣興良，范松海，胡建林，等.輸電線路直流短路融冰的臨界電流分析［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(1):111－116.

［6］文聰.輸電線路導(dǎo)線覆冰斷股分析［J］.云南電力技術(shù)，2009，37(5):24－25.

［7］周鵬，李光輝.架空地線的融冰方法及改進(jìn)措施［J］.湖南電力，2008，28(4):47－48.

［8］許樹楷，趙杰.電網(wǎng)冰災(zāi)案例及抗冰融冰技術(shù)綜述［J］.南方電網(wǎng)技術(shù)，2008，2(2):1－2.