抗冰導(dǎo)線的設(shè)想

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(1.廣西電網(wǎng)公司興安供電公司，廣西 桂林 541301； 2.賀州學(xué)院，廣西 賀州 542899)

1 引言

興安縣位于桂北地區(qū)，冬季最低氣溫在零度左右，加上是海拔較高，處于迎風(fēng)面上，空氣中的水份較大。在冬季氣溫低于5℃時(shí)，高山(微地形)導(dǎo)線易結(jié)冰，每年抗冰保電工作都要花費(fèi)較大的人力物力和財(cái)力。在電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)管理中，筆者與同事們希望通過研制一種抗冰導(dǎo)線，以提升導(dǎo)線的除冰效率、降低每年抗冰保電的工作強(qiáng)度。

當(dāng)前，對于導(dǎo)線覆冰，桂北地區(qū)主要采用的技術(shù)手段是，對重冰區(qū)、中冰區(qū)的線路按南方電網(wǎng)《35kV及以下架空電力線路抗冰加固技術(shù)導(dǎo)則》的要求進(jìn)行線路抗冰加固。在冬季出現(xiàn)嚴(yán)重覆冰時(shí)，35kV及以上電壓等級的線路采用直流融冰,中低壓線路常用的除冰方法是麻繩除冰、用竹竿敲冰等人工除冰方法。10kV線路分布點(diǎn)多面廣，線路上帶有較多的配電變壓器，采用直流融冰的方法對某條線路進(jìn)行融冰時(shí)，需斷開該條線路所有分支配變，且僅能對該線路的主干線進(jìn)行融冰或分段進(jìn)行支線融冰，在融冰準(zhǔn)備上花的時(shí)間過長,有時(shí)甚至超過人工除冰的時(shí)間,因此很多10kV線路只能采取人工除冰。但容易結(jié)冰且覆冰最嚴(yán)重的地方往往是高山大嶺的風(fēng)口、地形復(fù)雜的河邊等交通不便利之處，人力除冰效率較低，且存在較大的交通安全隱患。

2 導(dǎo)線結(jié)冰的形成機(jī)制

當(dāng)冬季氣溫在±5℃之間時(shí)，雨夾雪或陰濕天氣時(shí)，線路上面負(fù)荷不大的話，導(dǎo)線運(yùn)行的發(fā)熱量無法將接觸到導(dǎo)線上面的過冷雨滴、云霧滴及水汽加熱至4℃及以上，就會有部分凝結(jié)成冰粘在導(dǎo)線上，然后再把繼續(xù)下的雨、雪粘在導(dǎo)線，就像“澆”蠟燭油一樣，導(dǎo)線上面的冰最后越結(jié)越粗。隨著導(dǎo)線上面的覆冰增加，桿塔承受的靜載荷也就越來越大，同時(shí)導(dǎo)線因覆冰受到的風(fēng)載荷也增加，導(dǎo)線及桿塔上承受的機(jī)械負(fù)載就遠(yuǎn)超過平時(shí)，同時(shí)由于耐張桿塔由于前后不同段導(dǎo)線上的覆冰不同，每端承受的導(dǎo)線拉力也會不一樣。長時(shí)間承受超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度的機(jī)械應(yīng)力，最后會出現(xiàn)斷線、倒桿塔的電力事故發(fā)生。

在覆冰時(shí)，風(fēng)速也會影響到覆冰的大小。風(fēng)引起導(dǎo)線擺動，會“甩”開部分接觸到導(dǎo)線的過冷水滴。根據(jù)參考資料，導(dǎo)線上面的冰與風(fēng)速有較大關(guān)系，圖1是參考資料上導(dǎo)線在-5℃進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)不同風(fēng)速下的導(dǎo)線冰型。

從圖1可知，環(huán)境風(fēng)速低于10m/s，不利于導(dǎo)線產(chǎn)生覆冰[1]。

圖1 導(dǎo)線冰型

3 抗冰導(dǎo)線的構(gòu)成及工作原理

3.1 抗冰導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)

根據(jù)導(dǎo)線結(jié)冰的過程分析，要想減少導(dǎo)線覆冰厚度，一個(gè)方法是減少環(huán)境風(fēng)速，這只能運(yùn)用在設(shè)計(jì)階段，在線路路徑選擇時(shí)避開山口等風(fēng)速較大的地段，或?qū)Υ说囟蔚木€路進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，另一方法是在于環(huán)境溫度為+5℃～-5℃這個(gè)溫度區(qū)間時(shí)，線路運(yùn)行導(dǎo)線散發(fā)的熱量能防止雨雪在上面凝結(jié)，本文設(shè)想的抗冰導(dǎo)線采用的就是這種方法。因此，在環(huán)境溫度為+5℃至-5℃這個(gè)溫度區(qū)間時(shí)，只需要導(dǎo)線的發(fā)熱量足夠，導(dǎo)線表面不利于液態(tài)及固態(tài)水停留，就能達(dá)到導(dǎo)線抗冰的目的。我們設(shè)想的抗冰導(dǎo)線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 抗冰導(dǎo)線結(jié)構(gòu)圖

減少覆冰的原理是通過增加導(dǎo)線發(fā)熱量,將與導(dǎo)線相近的冰升溫成液態(tài)水,由于導(dǎo)線表面為光滑的憎水基材料,冰由于自身重力從導(dǎo)線上面掉下來。

其中，感應(yīng)線圈的材料可以采用鎳鐵合金等電阻率較大的導(dǎo)體材料，含憎水基的外絕緣層可以使用交聯(lián)聚氯乙烯這類的絕緣材料。

3.2 抗冰導(dǎo)線電氣接線原理

為使抗冰導(dǎo)線在環(huán)境溫度處于+5℃～-5℃這個(gè)溫度區(qū)間時(shí)，有足夠的發(fā)熱量，筆者設(shè)想的的抗冰導(dǎo)線電氣接線原理圖如圖3所示。

圖3 抗冰導(dǎo)線電氣原理圖

抗冰導(dǎo)線的感應(yīng)發(fā)熱線圈在線路耐張桿塔與中間的導(dǎo)線連接,一端是直接連接,另一端通過一大電阻與溫度控制回路的并聯(lián)電路連接,溫控觸點(diǎn)K1在高于+5℃時(shí)斷開,溫控觸點(diǎn)K2在低于5℃時(shí)斷開，其中R1的阻值遠(yuǎn)大于R2。

在目前的技術(shù)水平下，類似于電飯鍋上面的溫控觸點(diǎn)開關(guān)技術(shù)上已經(jīng)成熟，此類開關(guān)的價(jià)格也比較便宜。線路在運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)線有工頻電流流過，在感應(yīng)線圈產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電壓，當(dāng)氣溫在非凝凍溫度時(shí)，即高于+5℃或低于-5℃時(shí)，上述電路的虛線部分總有一個(gè)溫控觸是斷開的，感應(yīng)線圈、大電阻R1與導(dǎo)線形成回路，由于此時(shí)R1的阻值很大，因而感應(yīng)線圈回路電流的很小，發(fā)熱量也很小；當(dāng)氣溫在+5℃～-5℃之間時(shí)，溫控觸點(diǎn)K1、K2均閉合，由于溫控回路的電阻遠(yuǎn)小于大電阻R1的阻值，R2通過K1、K2與R1并聯(lián)后，與感應(yīng)線圈、導(dǎo)線形成回路，回路流過的電流較大，發(fā)熱量也較大，將有效的防止產(chǎn)生覆冰。

對于采用抗冰導(dǎo)線引起的電感及電容效應(yīng)，主要通過減少感應(yīng)發(fā)熱線圈匝數(shù)，盡量將電感與電容帶來的影響抵消，并使線路整體保持在容性狀態(tài)。

4 抗冰導(dǎo)線的設(shè)計(jì)和運(yùn)維要點(diǎn)

為了適應(yīng)各種長度耐張段及各地區(qū)溫度、濕度的差異，抗冰導(dǎo)線在使用時(shí)，R2應(yīng)該通過計(jì)算驗(yàn)證，合理確定R2的阻值。

由于感應(yīng)線圈不能開路，否則會如同開路的電流互感器樣會產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓，所以該應(yīng)線圈必須與電阻R1可靠連接。為防止溫度在高+5℃或低于-5℃時(shí)，過高電壓擊穿斷開狀態(tài)的溫控觸點(diǎn)，必要時(shí)可在R2、K1、K2回路中增加一個(gè)并聯(lián)電容。

溫控觸點(diǎn)組成的電路，也就是圖中虛線所圈的部分，應(yīng)制成一個(gè)整體，以便使用絕緣操作棒對其進(jìn)行帶電安拆。每年冬季來臨前帶電將其拆除，并進(jìn)行檢修，確保部件運(yùn)行的可靠性。

為提高控制的可靠性，防止出現(xiàn)感應(yīng)電流燒壞溫控觸點(diǎn)事故的產(chǎn)生，此回路也可以用晶閘管來代替，觸發(fā)器可以是用555集成電路組成的大占空比觸發(fā)電路，如有智能信息化的要求，也可以通過單片機(jī)組成的控制電路，在電路動作時(shí)向后臺監(jiān)控電腦發(fā)信息。不過，我認(rèn)為控制電路在能滿足控制要求的前提下，應(yīng)該越簡單越好，因?yàn)檫@樣可以降低造價(jià)、提高運(yùn)行可靠性，方便檢修與維護(hù)。

5 抗冰導(dǎo)線的應(yīng)用范圍

南方電網(wǎng)公司的《35kV及以下架空電力線路抗冰加固技術(shù)導(dǎo)則》指出在以下幾種微地型地段更易形成線路覆冰[2]：

(1)高出當(dāng)?shù)啬叨鹊牡貐^(qū)；

(2)促使覆冰增速的埡口、風(fēng)道地段；

(3)迫使覆冰氣流抬升、過冷卻水滴增多的長緩坡地段；

(4)使覆冰增長期加長的地段；

(5)冬季水汽充足的河流、湖泊等潮濕地區(qū)；

(6)形成局部沉積型覆冰小氣候的封閉低洼的盆形地區(qū)。

建議在上述易覆冰的微地形優(yōu)先進(jìn)行應(yīng)用，主要安裝在負(fù)荷較少的分支線路上面。

6 結(jié)論和建議

由于抗冰導(dǎo)線構(gòu)成也就比目前的10kV架空絕緣導(dǎo)線多一層發(fā)熱線路圈和憎水基絕緣涂層，造價(jià)增加不多，而溫度導(dǎo)通控制器與線夾相對線路工程來說造價(jià)也不高，故對于抗冰導(dǎo)線線路相對普通導(dǎo)線路增加工程造價(jià)很微小。

由于抗冰導(dǎo)線僅在零度低溫時(shí)消耗電能進(jìn)行防冰，故在全年運(yùn)行中，抗冰導(dǎo)線增加的線損率依然很低，且日常并不需要過多維護(hù)，因此增加的運(yùn)行費(fèi)用也很少。但通過采用抗冰導(dǎo)線，將不需要進(jìn)行人工除冰，也減少了由于覆冰引起的斷線斷桿事故，降低了維護(hù)和修理費(fèi)用。綜上所述，采用此類抗冰導(dǎo)線的工程一次投資造價(jià)雖比采用普通導(dǎo)線的造價(jià)略有上升,且會引起線損率的輕微升高，但卻可以降低每年冰凍期間的除冰成本，并取得良好的除冰效果，且平時(shí)運(yùn)行維護(hù)簡單,運(yùn)維費(fèi)用較低。若抗冰導(dǎo)線能夠研制成功并在冰凍區(qū)域的中低壓線路上得到廣泛使用，必然會取得較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

由于條件限制，我們只能提出設(shè)想，尚無法制造出實(shí)際的抗冰導(dǎo)線，因此僅在提出抗冰導(dǎo)線的設(shè)想，希望能為中低壓線路冬季運(yùn)行維護(hù)提供一些方法和思路。由于在導(dǎo)線上增加感應(yīng)線圈所帶來的電容和電感效應(yīng)對電能質(zhì)量等方面造成的影響尚無法通過試驗(yàn)得出結(jié)論，故需要在試驗(yàn)和運(yùn)行過程中進(jìn)一步驗(yàn)證和改進(jìn)，以便達(dá)到設(shè)想的要求。

[1] 肖正直,晏致濤,李正良,等.八分裂輸電導(dǎo)線結(jié)冰風(fēng)洞及氣動力特性試驗(yàn)[J],電網(wǎng)技術(shù),2009,5(33):90-94.

[2]Q/CSG11501-2008,35kV及以下架空電力線路抗冰加固技術(shù)導(dǎo)則[S].