輸電線路完善化融冰技術(shù)綜述

莫理莉，甘凌霄，王善生，楊戰(zhàn)

（1.華南理工大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510640;2.貴州電網(wǎng)公司貴陽(yáng)供電局，貴州 貴陽(yáng) 550004;3.廣東電網(wǎng)公司，廣東 廣州 510630）

0 引言

我國(guó)自然地理和地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，是世界上遭受地質(zhì)災(zāi)害種類(lèi)最多、受災(zāi)最嚴(yán)重的少數(shù)幾個(gè)國(guó)家之一［1］。我國(guó)的地質(zhì)與氣象條件決定了輸電線路非常容易遭受冰災(zāi)的影響。輸電線路覆冰不僅給電網(wǎng)生產(chǎn)與運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重影響，更對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和人民生活造成重大損失。2008年南方冰災(zāi)，湖南、貴州、云南等電網(wǎng)發(fā)生大面積倒塔斷線、絕緣子閃絡(luò)、導(dǎo)線舞動(dòng)、跳閘等事故，甚至個(gè)別區(qū)域地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列。這次冰災(zāi)僅南方電網(wǎng)的直接經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)150億元［2］。為了能夠更好地減少自然災(zāi)害對(duì)輸電線路的影響，國(guó)內(nèi)外一直把電力系統(tǒng)輸電線路融冰作為重點(diǎn)研究方向。目前已提出防冰除冰方法約30余種，但大多數(shù)均處于實(shí)驗(yàn)階段，僅有少數(shù)在一定程度及范圍內(nèi)得到工程的實(shí)際運(yùn)用［3］。本文在簡(jiǎn)述常規(guī)除冰技術(shù)的同時(shí)，重點(diǎn)介紹一種將基于GPRS的輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與基于SVC直流融冰策略相結(jié)合的完善化融冰方案，該方案在工程實(shí)際中已取得良好應(yīng)用。

1 線路覆冰基本理論

1.1 導(dǎo)線覆冰的熱平衡方程

覆冰是液態(tài)過(guò)冷卻水滴釋放潛熱固化的物理過(guò)程，與熱量交換和傳遞密切相關(guān)。導(dǎo)線覆冰量、冰厚、冰的密度都取決于覆冰表面的熱平衡狀態(tài)［4］。覆冰表面的熱平衡方程如（1）所示:

式中Qf—凍結(jié)時(shí)釋放的潛熱;Qf—空氣摩擦對(duì)冰面的水滴加熱;Qf—冰從0°C冷卻到覆冰表面穩(wěn)態(tài)溫度釋放的熱量;Qf—覆冰表面與空氣的對(duì)流熱損失;Qf—覆冰表面蒸發(fā)或升華產(chǎn)生的熱損失;Qf—碰撞導(dǎo)線的過(guò)冷卻水滴溫度升高到0°C時(shí)釋放的熱量;Qf—冰面輻射產(chǎn)生的熱損失。

1.2 導(dǎo)線覆冰的臨界條件

在理想狀態(tài)下，當(dāng)導(dǎo)線處于覆冰和不覆冰的臨界狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)線表面的溫度a3為0℃，水滴在其表面的凍結(jié)系數(shù)Ts為0［5］。

1.3 融冰時(shí)間

當(dāng)使用大電流進(jìn)行融冰時(shí)，為了確保不使導(dǎo)線過(guò)熱，需要對(duì)融冰電流的大小和融冰時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)熱平衡方程，融冰時(shí)間T計(jì)算公式［6］如（2）所示:

式中Ci—冰的比熱;Ta—?dú)鉁?ri—冰的密度;R0—覆冰后導(dǎo)線平均半徑;I—融冰電流;Ri—不覆冰時(shí)導(dǎo)線半徑;Re—融冰電流為單位長(zhǎng)導(dǎo)線在零度時(shí)的電阻。

1.4 導(dǎo)線覆冰的臨界電流

負(fù)荷電流的焦耳熱效應(yīng)在一定條件下可使線路免遭冰雪的危害。在覆冰條件下導(dǎo)線不覆冰的最小負(fù)荷電流稱(chēng)為臨界負(fù)荷電流。由式（3）可得覆冰氣象條件下導(dǎo)線不覆冰時(shí)的臨界負(fù)荷電流為［7］:

式中臨界負(fù)荷電流ic是風(fēng)速v、環(huán)境溫度Ta、空氣中液態(tài)水含量w和水滴在導(dǎo)線上碰撞系數(shù)aj等的函數(shù)（Ln=a1wv）。

2 熱力融冰方法

目前，國(guó)內(nèi)外除冰方法大致可分為熱力除冰方法、機(jī)械除冰方法、被動(dòng)除冰方法、其它除冰方法4類(lèi)［8］。輸電線路走廊，特別是超高壓輸電線路走廊為了避讓城市規(guī)劃區(qū)、居民生活區(qū)等，一般選擇架設(shè)在從荒山野嶺之間。特別是在云貴湘地區(qū)，海拔較高，多低溫陰雨，一旦輸電線路產(chǎn)生覆冰，采用機(jī)械除冰方法或者被動(dòng)除冰方法很難取得良好效果［9－11］。而熱力融冰法采用焦耳效應(yīng)融冰原理，利用電流加熱覆冰導(dǎo)線進(jìn)行除冰，仍然是目前解決輸電線路覆冰問(wèn)題的最好方法。而熱力除冰法又分為以下幾類(lèi):

2.1 調(diào)度融冰法

調(diào)度融冰法主要依靠電力調(diào)度，通過(guò)改變電網(wǎng)潮流分配，使覆冰線路的電流盡可能增大，熱量增加以達(dá)到融冰的目的，這是實(shí)際中針對(duì)輸電線路最方便的除冰方法，但是這種方法由于受變壓器及線路容量等條件的限制，并不能從根本上解決覆冰問(wèn)題，只適用于線路覆冰初期，只能起到緩解、延遲線路覆冰的作用［12］。調(diào)度融冰法的優(yōu)點(diǎn)在于不需停運(yùn)，缺點(diǎn)是融冰效果不佳。

2.2 交流短路融冰法

交流短路融冰是在架空線路的某一點(diǎn)裝設(shè)三相融冰短接線，再由中壓配電點(diǎn)對(duì)線路送短路融冰電流 ，借助短路電流（控制在導(dǎo)線最大允許電流范圍之內(nèi)）發(fā)熱融化覆冰［13］。這種方法在國(guó)內(nèi)外一定范圍內(nèi)已經(jīng)正式運(yùn)行［14－15］，但是由文獻(xiàn)［16］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:35 kV與110 kV做融冰電源，500 kV線路中的短路電流不能達(dá)到最小融冰電流;220 kV做融冰電源，短路電流可以達(dá)到融冰需要的電流，但線路長(zhǎng)度必須在一定距離之內(nèi)。因此，對(duì)于500 kV或更高電壓等級(jí)輸電線來(lái)說(shuō)，由于難以找到滿(mǎn)足要求的融冰電源，采用交流短路融冰方案是不可行的。

2.3 電流接觸器負(fù)載轉(zhuǎn)移法

電流接觸器負(fù)載轉(zhuǎn)移法是專(zhuān)為分裂導(dǎo)線而研發(fā)的［17］。它的獨(dú)到之處是通過(guò)電流觸發(fā)器裝置配置的新間隔替換實(shí)際應(yīng)用中分裂導(dǎo)線的間隔，以此來(lái)控制分裂導(dǎo)線的電流。在連續(xù)的除冰過(guò)程中，電流觸發(fā)器迫使流過(guò)所有次導(dǎo)線的電流只經(jīng)過(guò)一個(gè)次導(dǎo)線。但是這種方法仍處于概念階段，將它應(yīng)用于工程實(shí)際還有很長(zhǎng)的路要走。

2.4 直流融冰法

2.4.1 直流融冰方案

直流融冰法（見(jiàn)圖1）是將交流電源通過(guò)換流裝置轉(zhuǎn)化為直流電流加熱覆冰導(dǎo)線以達(dá)到融冰目的的方法。對(duì)于直流電流來(lái)說(shuō)，由于其本身在線路上流動(dòng)并不消耗無(wú)功，且輸電線路的電阻R?電抗X，僅換流裝置本身需要消耗部分無(wú)功;所以對(duì)于同電壓等級(jí)的融冰電源來(lái)說(shuō)，直流融冰較交流融冰能輸出更大的融冰電流。因此直流融冰法適用于多個(gè)電壓等級(jí)的融冰，特別是交流融冰方案無(wú)法滿(mǎn)足的500 kV及以上的高電壓等級(jí)輸電線。

圖1 直流融冰方案

2.4.2 融冰電源

直流融冰的電源可以取自發(fā)電機(jī)（車(chē)），也可以取自交流電網(wǎng)［18］。由于發(fā)電車(chē)受到容量的限制，實(shí)際的有效融冰距離很短。如表1顯示［19］:2 MVA容量發(fā)電車(chē)對(duì)500 kV交流線路是沒(méi)有意義的，但對(duì)導(dǎo)線截面為240 mm2的110 kV、95 mm2的35 kV、95 mm2的10 kV融冰距離比較理想。所以在條件允許的情況下，最好還是從交流電網(wǎng)，例如可以將整流裝置直接接在220 kV主變或110 kV主變35 kV側(cè)或者10 kV側(cè)獲取電源以充分利用整流器的過(guò)載能力。

表1 典型發(fā)電車(chē)容量與各電壓等級(jí)融冰線路長(zhǎng)度的關(guān)系

2.4.3 融冰裝置類(lèi)型

一般說(shuō)來(lái)，直流融冰裝置可分為固定式直流融冰裝置和移動(dòng)式融冰裝置兩類(lèi)（如圖2所示）。固定式直流融冰裝置由變電站提供電源，主要由換流變壓器、晶閘管閥、電抗器、交直流濾波器及控制保護(hù)設(shè)備等組成，有的還可以通過(guò)改變連接方式，實(shí)現(xiàn)直流融冰和SVC兩種功能。移動(dòng)式融冰裝置的基本原理同固定式融冰裝置相同，都是通過(guò)晶閘管整流器進(jìn)行整流獲得直流電壓，將覆冰線路末端短接，利用其中的兩相或三相同時(shí)作為負(fù)載，提供直流電流加熱導(dǎo)線，使覆冰融化。唯一的區(qū)別就是移動(dòng)式的融冰裝置能夠用平板車(chē)拖動(dòng)組裝式設(shè)備且融冰電流較固定式的略小一些。

圖2 固定式與移動(dòng)式融冰裝置

3 完善化直流融冰技術(shù)

所謂完善化的直流融冰技術(shù)，就是將基于SVC的直流融冰策略和基于GPRS的輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置相結(jié)合，以彌補(bǔ)原有的直流融冰技術(shù)的不足。

3.1 基于SVC的直流融冰策略

雖然直流融冰裝置對(duì)于500 kV及其以上的高壓輸電線路能起到良好效果，但是直流融冰設(shè)備造價(jià)昂貴。如果僅用于持續(xù)時(shí)間短但強(qiáng)度大的冰災(zāi)，那直流融冰設(shè)備的效率較低、經(jīng)濟(jì)性較差。為了提高直流融冰裝置的經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合國(guó)外直流融冰裝置的研發(fā)狀況，由國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)、自主制造、自主研發(fā)的首套最大容量的固定式直流融冰裝置已于2008年底在湖南電網(wǎng)順利通過(guò)試驗(yàn)并成功應(yīng)用。這種直流融冰兼SVC裝置在輸電線路沒(méi)有融冰需求時(shí)，作為動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置使用，其功能相當(dāng)于常規(guī)的 SVC裝置，可以為系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐，阻尼系統(tǒng)低頻振蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定極限和輸送能力。而當(dāng)輸電線路需要融冰時(shí)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的主接線重構(gòu)，可以較方便地改為直流融冰裝置，為輸電線路提供必要的直流融冰電流［20］。

3.2 基于GPRS的輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置

3.2.1 國(guó)內(nèi)輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置

早期的輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)主要依靠人工巡線，不僅受地形環(huán)境、天氣狀況等因素的制約，而且消耗了大量的人力和物力，有時(shí)還不能及時(shí)地監(jiān)測(cè)故障事件，可能會(huì)帶來(lái)一些不必要工作延誤，甚至?xí)U(kuò)大故障范圍［21］。隨著我國(guó)電力建設(shè)的高速發(fā)展，特別是2008年南方冰災(zāi)之后，線路的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)受到普遍重視，兩大電網(wǎng)公司分別開(kāi)展了關(guān)于輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制工作，取得了豐碩的成果。南方電網(wǎng)公司除了海南電網(wǎng)外，其余管轄的廣東、廣西、云南、貴州省網(wǎng)和超高壓電網(wǎng)均已建設(shè)或者正在建設(shè)線路的在線監(jiān)示范性項(xiàng)目［22］。與此同時(shí)，國(guó)家電網(wǎng)也在同時(shí)期加快了輸電線路的在線監(jiān)測(cè)示范性工程，其所管轄的華東、華中、華北、山西、湖南和福建等地區(qū)電網(wǎng)已建立了輸電線路覆冰狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［23］。其中最為有影響力的，應(yīng)該算是在線監(jiān)測(cè)裝置在世界上第一個(gè)交流1 000 kV特高壓示范性工程——晉東南—南陽(yáng)—荊門(mén)的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行表明，在線監(jiān)測(cè)裝置能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了1 000 kV輸電線路沿線導(dǎo)線的覆冰綜合拉力變化、傾斜角、風(fēng)偏角、溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向以及圖像視頻等信息，便于在覆冰初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)冰害危險(xiǎn)，提供預(yù)告報(bào)警信息，有利于將覆冰事故消除在萌芽狀態(tài)，防止冰害事故，提高了1 000 kV特高壓輸電線路覆冰區(qū)的安全性［24］。文獻(xiàn)［25］著重介紹國(guó)際通用的、最可靠、誤差最小的稱(chēng)重法在監(jiān)測(cè)覆冰裝置的應(yīng)用情況。

3.2.2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

雖然稱(chēng)重法在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用［26］，但基于電阻應(yīng)變片的拉力傳感器方法存在裝置長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性和可靠性的問(wèn)題［27］，所以在國(guó)內(nèi)工程實(shí)際中，得到更多應(yīng)用的還是將稱(chēng)重法和視頻圖像法相結(jié)合的綜合性策略。稱(chēng)重法作為主要監(jiān)測(cè)手段實(shí)現(xiàn)定量分析，而視頻圖像法作為輔助監(jiān)測(cè)手段實(shí)現(xiàn)定性分析。在供電單元方面，多采用的是太陽(yáng)能+免維護(hù)蓄電池供電的方式［28］。圖3為某電網(wǎng)公司線路覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)局部結(jié)構(gòu)圖。

圖3 線路覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)局部結(jié)構(gòu)圖

3.2.3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能分析

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能強(qiáng)大，具有良好的應(yīng)用前景，可監(jiān)測(cè)全方位的多組數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)真正意義上對(duì)線路的監(jiān)測(cè)與控制:

（1）微氣象。系統(tǒng)通過(guò)在被測(cè)線路桿塔上安裝溫度、濕度、風(fēng)向等測(cè)量采集儀器，能實(shí)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)氣象參數(shù)傳回后方數(shù)據(jù)中心，供運(yùn)行人員對(duì)影響微氣象地區(qū)線路運(yùn)行故障的自然環(huán)境因素進(jìn)行分析，同時(shí)為微氣象地區(qū)輸電線路的設(shè)計(jì)和運(yùn)行檢修提供詳細(xì)的第一手氣象資料［29］。

（2）運(yùn)行視頻的在線監(jiān)測(cè)。安裝在鐵搭上面的攝像頭可對(duì)輸電線路進(jìn)行圖片視頻拍攝，通過(guò)GPRS傳到后臺(tái)，信號(hào)經(jīng)相關(guān)軟件解碼后能直觀的表現(xiàn)在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，便于運(yùn)行人員對(duì)輸電線路進(jìn)行24小時(shí)監(jiān)測(cè)，減少巡線人員的工作強(qiáng)度。

（3）危險(xiǎn)點(diǎn)的控制。文獻(xiàn)［30］談到了電力設(shè)施遭受外力破壞已經(jīng)成為影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要因素，是威脅城市電網(wǎng)安全運(yùn)行的首要因素。輸電線路通道受違章侵占和樹(shù)線交跨的矛盾還比較突出，嚴(yán)重威脅著電網(wǎng)安全。而在線監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)用正好可以在一定意義上解決這類(lèi)問(wèn)題。

風(fēng)偏距監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)懸垂串風(fēng)偏角和傾斜角或跳線風(fēng)偏角、風(fēng)速、最小電氣間隙、風(fēng)向、氣溫濕度等參數(shù)的分析比較尋找跳線絕緣子串風(fēng)偏與氣象環(huán)境各個(gè)相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系，作出合理的預(yù)警信息［31］。

專(zhuān)家軟件［32］。監(jiān)控中心專(zhuān)家軟件可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該線路各桿塔上的變量情況，，并通過(guò)對(duì)分機(jī)的點(diǎn)測(cè)、巡測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，判斷當(dāng)前線路的覆冰狀況，及時(shí)給出預(yù)報(bào)警，并把報(bào)警信息傳送給管理員和相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）相對(duì)于機(jī)械除冰法或者被動(dòng)除冰法，熱力融冰法仍然是目前解決輸電線路覆冰問(wèn)題的最好方法。

（2）對(duì)于500 kV及其以上的線路而言，直流融冰法是首選的融冰策略，也是今后需要集中研究的重點(diǎn)。

（3）基于SVC的直流融冰策略能夠提升設(shè)備在非融冰期的使用效率，這種經(jīng)驗(yàn)值得進(jìn)一步借鑒和推廣。

（4）基于GPRS的線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)線路的實(shí)時(shí)視頻、微氣象、風(fēng)偏距的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)警、報(bào)警，能及時(shí)準(zhǔn)確地掌握線路覆冰情況，為電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行部門(mén)提供決策依據(jù)，是對(duì)直流融冰策略的補(bǔ)充與完善。

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