電力架空地線除冰技術(shù)分析

廣東冠能電力科技發(fā)展有限公司 呂偉桃 鄧海輝 王 斌

貴州電網(wǎng)公司畢節(jié)供電局 張興遠 陳勇宇 李克明 莫 剛 聶 剛

1.引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，線路走廊越建越多，穿越的地理環(huán)境更加復(fù)雜。在嚴冬和初春季節(jié)，我國云貴高原等地區(qū)特有的氣候環(huán)境容易出現(xiàn)霧凇、雨凇和混合淞現(xiàn)象，造成輸電線路覆冰，使線路舞動、閃絡(luò)、燒傷，甚至斷線倒桿，使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)遭受嚴重破壞，安全運行受到嚴重威脅。電力架空地線與同塔架設(shè)的導(dǎo)線處于相同的地理環(huán)境和天氣條件下（溫度、濕度、風速等條件），但因為輸電導(dǎo)線有負荷電流通過，能夠產(chǎn)生熱能以抵御部分冰凍，因此架空地線上的覆冰厚度一般情況下會超過輸電導(dǎo)線。當架空地線上的覆冰達到一定程度時，會造成上述后果或由于弧垂不足而對線路放電。目前，架空地線中往往復(fù)合了電力通信網(wǎng)，如果沒有有效的除冰方法，地線斷裂將導(dǎo)致電力通信通道中斷，危及電力控制系統(tǒng)的安全運行[1]。

因此針對架空地線除冰方法及技術(shù)的研究顯得尤為重要。

2.電力架空地線覆冰產(chǎn)生的機理

電力架空地線覆冰產(chǎn)生的條件主要包括地理環(huán)境、物理量條件、氣象動力條件等。以貴州地區(qū)為例，貴州地理上處于云貴高原東北側(cè)，平均海拔1100m。冬季，來自北方的冷空氣南下受到高原的阻擋，在西南地區(qū)形成滇黔準靜止鋒。物理量條件包括溫度條件和水汽條件。首先是溫度條件，當準靜止鋒后地區(qū)出現(xiàn)陰雨綿綿天氣，帶來降水，降水及地前形成過冷卻雨滴，同時地面溫度＜0℃；其次是水汽條件，冷空氣南下遇到云貴高原阻擋后被迫抬升，導(dǎo)致低層濕空氣輻合形成水汽。氣象動力條件是滇黔準靜止鋒系統(tǒng)淺薄，但低層較強的輻合，形成較大的上升運動，導(dǎo)致冰凍現(xiàn)象的發(fā)生并得以維持[2]。電力架空地線在冰凍環(huán)境下結(jié)合空氣濕度、風速風向等條件的共同作用，如遇大霧、小雨或小雨夾雪天氣，首先形成雨凇；白天氣溫略有升高，雨凇將開始融化，覆冰過程停止；如天氣轉(zhuǎn)冷或到夜間，氣溫下降，凍雨和雪則在粘結(jié)強度很高的雨凇冰面上迅速增長，形成冰層，如氣溫繼續(xù)下降，原有冰層外側(cè)積覆霧凇。這種過程將導(dǎo)致形成雨凇一混合凇一霧凇的復(fù)合冰層。如在這種過程中氣溫多次升降，融化再結(jié)冰增加了覆冰的密度，如此發(fā)展將形成雨凇和霧凇交替重疊的混合凍結(jié)物，即混合凇[3]。

3.電力架空地線除冰研究進展

由于架空地線在結(jié)構(gòu)、性能、用途等方面不同于輸電導(dǎo)線，故針對地線的覆冰目前還沒有太好的解決辦法。目前，關(guān)于地線除冰，總結(jié)有以下方法：

(1)提高設(shè)計標準

通過提高覆冰地區(qū)架空地線的設(shè)計標準，可起到防冰、抗冰作用，保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠地運行。

(2)短路融冰

短路融冰原理：利用焦耳熱能定律。在地線金具加裝絕緣子使地線絕緣，并在絕緣子旁加裝一小刀閘或接地線，雷雨季節(jié)短接以保證防雷的需要，融冰時打開刀閘或斷開接地線進行融冰。融冰前，選定合適地點先將架空地線與地絕緣并短接，利用導(dǎo)線兩相與地線連通來提供回路融冰電流，用較低電壓提供較大短路電流加熱，分步進行地線融冰[1]。

(3)自然脫冰方法

自然脫冰方法是不需要借助外界的能量而靠自然力達到除冰效果的方法。在地線上刷涂吸熱涂料在有足夠輻射的情況下，利用太陽能實現(xiàn)地線融冰。同時，一些憎水性涂料可以顯著降低覆冰與地線表面之間的粘附力，對地線防冰除冰也起到一定的作用[5]。

4.架空地線高頻自沖擊遙控除冰技術(shù)的應(yīng)用

架空地線高頻自沖擊遙控除冰技術(shù)是通過特制的除冰裝置，利用機械震動的方式實現(xiàn)地線除冰。其主要原理是：除冰本體裝置空包彈點火使氣室中氣體瞬間膨脹，本體上頂作用于與之緊密接觸的覆冰地線，瞬間對地線產(chǎn)生機械震動，利用機械震動導(dǎo)致的高應(yīng)變率使覆冰呈現(xiàn)脆性，在稍有震動的情況下就破碎和掉落，達到地線除冰的目的。

高頻自沖擊遙控除冰裝置主要由除冰本體裝置和拋繩裝置組成。利用拋繩裝置把牽引繩發(fā)射到地線高處，使得牽引繩繞過地線落地。然后連接各繩，通過地面工作人員配合，把除冰本體裝置拉上地線，直到最后使得除冰本體裝置上方頂住地線，地面工作人員通過遙控擊發(fā)除冰本體裝置空包彈，并對與之緊密接觸的覆冰地線瞬間產(chǎn)生機械震動力，利用機械震動導(dǎo)致的高應(yīng)變率使覆冰呈現(xiàn)脆性，在稍有震動的情況下就破碎和掉落，從而實現(xiàn)地線除冰。如下圖所示：

圖1 拋繩過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of throwing process

圖2 自沖擊遙控除冰示意圖Fig.2 Schematic diagram of self impact remote de-icing

架空地線高頻自沖擊遙控除冰技術(shù)操作簡單、體積小、重量輕、便于攜帶，除冰操作時間短，預(yù)期3-5人在25分鐘內(nèi)即可完成一次自沖擊遙控除冰工作，成本低，安全高效，可靠性高，無需作業(yè)人員登塔作業(yè)，降低了高危作業(yè)風險，且除冰速度較以往人工除冰快上數(shù)倍，大大提高除冰效率和降低了投入的成本，具有較好的經(jīng)濟效益。

5.架空地線覆冰防護措施和建議

從國內(nèi)外應(yīng)對覆冰的情況看，電網(wǎng)系統(tǒng)覆冰的防治應(yīng)根據(jù)不同的地理位置、氣象條件和不同的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，結(jié)合架空地線覆冰程度不同等具體情況和特點，因地制宜制定完善的綜合防治體系[6]。

(1)在覆冰嚴重的重要地區(qū)或重要線路推廣使用覆冰監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)的采集，及時分析和評估電網(wǎng)安全風險，提高電網(wǎng)防冰抗冰的預(yù)防能力。利用監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)協(xié)助指導(dǎo)防冰除冰等技術(shù)手段的實施，提前做好防冰除冰應(yīng)急預(yù)案，應(yīng)對冰害發(fā)生。

(2)適當提高重冰區(qū)架空地線的設(shè)計標準，對架空地線抗冰融冰技術(shù)開展進一步深入研究。除推廣應(yīng)用成熟的地線除冰方法外，積極開展基于新技術(shù)、新材料的防冰除冰措施研究，做到因地制宜地采用防冰除冰技術(shù)。

(3)建立完善的電網(wǎng)恢復(fù)支持系統(tǒng)，當輸電系統(tǒng)發(fā)生斷線、倒塔或停電等事故時，能整合資源，高效有序地開展搶修工作，迅速恢復(fù)電力供應(yīng)[7]。

(4)覆冰地區(qū)可采用預(yù)防備用的方式，從各覆冰地區(qū)不同的覆冰程度實際出發(fā)，適當配備一定數(shù)量高頻自沖擊遙控除冰裝置，以供應(yīng)急情況下除冰工作的使用。

另外，通過改良架空地線的結(jié)構(gòu)[8]，針對短距離和長距離不同線路，可采用不同的改良方式，使地線能夠帶有負荷電流，且通電后具有融冰的性能，達到防冰除冰的目的[9]。

6.結(jié)論

電力架空地線覆冰問題，影響因素很多，應(yīng)重點研究覆冰機理，開發(fā)更有效節(jié)能的防冰除冰技術(shù)及裝置[10]。高頻自沖擊遙控除冰裝置在國內(nèi)率先提出了利用機械裝置在地面遙控對架空地線進行除冰工作。高頻自沖擊遙控除冰裝置具有體積小、重量輕、便于攜帶和操作，除冰效率高，成本低，安全高效，可靠性高等特點，降低了高危作業(yè)風險，大大提高除冰效率和降低了投入的成本，經(jīng)濟效益良好，具有很好的應(yīng)用前景。同時，寄望將來通過不斷的研究，研發(fā)出各種基于不同原理的新型除冰方法和裝置，服務(wù)電網(wǎng)系統(tǒng)，保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運行。

[1]周鵬,李光輝.架空地線的融冰方法及改進措施[J].大眾用電,2008(9):25-26.

[2]杜正靜,熊方,何玉龍,胡玉玲.貴州嚴重冰凍天氣過程典型模型及環(huán)流特征分析[J].貴州氣象,2009,1(33):7-10.

[3]韋遠武,吳兆鑫,楊恒.輸電線路覆冰災(zāi)害的分析與預(yù)防措施[J].貴州電力技術(shù),2008(12):34-39.

[4]楊濟海,彭汐單.對抗覆冰光纖復(fù)合架空地線的思考[J].電力系統(tǒng)通信,2008,29(191):14-15.

[5]李寧,周羽生,鄺江華,彭琢.輸電線路除冰技術(shù)的研究[J].防災(zāi)科技學院學報,2008,10(3):33-36.

[6]Koval D O,SHEN Bin,Chowdhury S.Modeling severe weather related highvoltage transmission line forced outages[C].Transmission and Distribution Conference and Exhibition,2005/2006 IEEE PES Dallas,USA.

[7]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):1-5.

[8]孫鵬,陳紹輝.架空地線的直流融冰研究[C].2011年云南電力技術(shù)論壇論文集,P79-82.

[9]易華,文武,阮江軍,陳飛.安八500kV輸電線路架空地線降耗融冰接線方式的研究[J].廣東電力,2013,3(26):34-37.

[10]蔣興良,張麗華.輸電線路除冰防冰技術(shù)綜述[J].高電壓技術(shù),1997(1):36-39.