長距離地線融冰及工程實踐

張益修，李 健，趙全江，李 毅，胡守松，柏曉路

(中南電力設計院，湖北 武漢 430071)

1 概述

隨著電網(wǎng)的發(fā)展和全球極端氣候頻發(fā)，尤其是2008年我國南方、華中、華東地區(qū)出現(xiàn)了歷史上罕見的低溫雨雪凝凍災害，對電網(wǎng)造成了極大破壞，大面積停電使國民經(jīng)濟及人民生活都受到嚴重影響。在導線完成融冰后，架空地線在覆冰嚴重時也很容易引起斷線和桿塔損壞，從而影響線路的正常運行。開展地線融冰研究和工程實踐，對于確保輸電線路在極端冰雪條件下的安全穩(wěn)定運行，有著重要的意義。

本文對地線直流融冰技術進行了深入研究，在500 kV施秉—賢令山線路(下文簡稱500 kV施賢線)防冰抗冰改造工程實踐中，通過對全線地線直流融冰參數(shù)分析計算，根據(jù)計算結果選擇不同型號地線融冰電流以及地線絕緣配置水平，提出有效可行的地線直流融冰技術方案，對全線約1200 km線路成功實現(xiàn)了全覆蓋融冰。

2 融冰電流選擇

將電能轉化為熱能融冰是輸電線路融冰的基本思路。直流融冰技術是將覆冰線路作為負載，施加直流電源，地線由于電阻較大，通過大電流后電壓較大，融冰電壓可能會超過融冰裝置輸出電壓，如何保證輸出大電流，又要低電壓輸出時目前地線直流融冰技術需要解決的問題。對于長距離輸電線路，由于地線分段、氣象分段的不同，融冰電流的選擇既要滿足覆冰區(qū)段融冰所需熱能量要求，也要考慮到未覆冰區(qū)段導線溫升在安全范圍內，此外，不同材質地線的融冰電流匹配問題也影響融冰方案的確定。

2.1 地線融冰電流

融冰電流是指輸電線路覆冰后，在相應的環(huán)境溫度、風速條件和給定的時間下，能使輸電線路覆冰融化的最小電流。目前輸電線路融冰電流計算常采用蘇聯(lián)的布爾斯道爾夫公式：

式中：Ir為融冰電流(A)；R0為0℃時導線電阻(Ω/m)；Tr為融冰時間 (h)；Δt為導線實際溫度與外界溫度差(℃)；RT0為等效冰層傳導熱阻(℃×cm/w)；RT1為對流及輻射傳導熱阻(℃×cm/w)；g0為冰的比重(g/cm)；d為導線直徑(cm)；b為覆冰厚度(cm)；D為覆冰后導線外徑(cm)。由于施賢線全線全長約1200 km，地處貴州、廣西、湖南、廣東四省，氣象條件復雜，因此采用經(jīng)驗公式應考慮適當?shù)脑６?。結合全線氣象分區(qū)綜合分析，地線融冰計算條件取為環(huán)溫－5℃，風速5 m/s，冰厚10 mm，1小時融冰。根據(jù)上式，對500 kV施賢線地線最小融冰電流進行計算，計算結果見表1。

2.2 地線允許電流

地線允許電流是指融冰過程中，在相應的環(huán)境溫度和風速條件下，短時間內地線達到允許溫度所通過的最大電流。

當環(huán)境條件一定時，地線允許電流取決于允許溫度、融冰時間外，其允許溫度可按照電線強度損失不超過5%控制。

對于鋁包鋼和光纖復合架空地線(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire,OPGW)，其允許電流較大，地線允許溫度可按大跨越允許溫度考慮，鋁包鋼絞線地線允許溫度取100℃，OPGW光纜允許溫度取90℃。對于鍍鋅鋼絞線短時最大允許溫度，中國電科院曾做過耐熱試驗，在180℃下，400 h后鍍鋅鋼絲強度殘存率約為98.12%，滿足要求；1000 h后其強度殘存率約為97.92%。因此，180℃時鍍鋅鋼絲的強度幾乎不隨時間而下降，具有良好的耐熱性能，最高允許溫度取180℃。

本工程融冰區(qū)段較長，氣象條件復雜，為安全考慮，環(huán)境溫度取5℃，風速取2 m/s。根據(jù)摩根公式計算不同型號地線允許電流，計算結果見表1。

表1 不同地線型號融冰電流及最大允許電流

3 融冰分段及接線方式

3.1 融冰分段

融冰分段主要受融冰電壓大小、不同型號地線融冰電流匹配等因素影響。融冰分段不宜過長，需保證融冰電壓需低于直流融冰裝置額定輸出電壓。為保證融冰段全段融冰，分段內不同地線融冰電流需匹配，融冰電流不大于段內所有地線的最大允許電流。

以500 kV黎桂甲線地線融冰方案為例，綜合考慮該線路不同型號地線融冰電流的匹配以及融冰操作便捷性，可實現(xiàn)黎平站和桂林站融冰裝置均能完成融冰，將黎桂甲線分為三個融冰區(qū)段，根據(jù)電阻匹配原則，既可完成每個分段單獨融冰，又能三段并聯(lián)實現(xiàn)全線融冰，融冰方案見表2。

表2 黎桂甲線融冰方案

3.2 融冰接線方式

融冰接線方式宜盡可能操作簡單，分段位置盡可能交通便利，方便運行操作。

對于架設雙普通地線的線路，由于同區(qū)段的兩根地線型號相同，不存在電阻參數(shù)差異過大而導致電流分配嚴重不均勻的情況。從簡化融冰步驟、縮短融冰時間的角度考慮，采用將同區(qū)段的兩根普通地線并聯(lián)的融冰接線方式，同時通過優(yōu)化地線融冰開斷點，實現(xiàn)分段并聯(lián)和分段單獨融冰相結合的接線方式進行融冰，即每個分段可單獨實現(xiàn)地線融冰，也可實現(xiàn)不同分段并聯(lián)融冰，接線方式見圖1。

圖1 地線分段并聯(lián)融冰接線示意圖

對于架設一根普通地線與一根OPGW的線路，為避免兩者串聯(lián)或并聯(lián)融冰時電阻較大的地線發(fā)生熔斷，可通過優(yōu)化地線融冰開斷點，結合融冰電流計算，可實現(xiàn)普通地線和OPGW分段并聯(lián)或分段單獨融冰相結合的接線方式進行融冰,即普通地線和OPGW每個分段可單獨實現(xiàn)地線融冰操作，也可實現(xiàn)不同分段并聯(lián)融冰，接線方式見圖2。

圖2 地線分段融冰接線示意圖

4 地線絕緣配置

500 kV施賢線采用分段絕緣、單點接地運行模式，要實現(xiàn)地線融冰，必須將全線地線(含OPGW)進行絕緣改造，使其具備接入直流電流形成回路的能力。因此需根據(jù)融冰電壓和感應電壓合理進行地線絕緣配置，選擇地線絕緣水平和絕緣間隙，使改造后的地線既滿足正常運行工況下感應電壓限值及防雷要求，又滿足融冰工況下絕緣強度要求。

4.1 融冰電源

目前500 kV施賢線全線有桂林站、黎平站兩套直流融冰裝置。其中桂林站直流融冰裝置額定直流電流為4500 A，額定直流電壓約為±25 kV，融冰功率為225 MW；黎平站直流融冰裝置額定直流電流為4500 A，額定直流電壓為±11.2 kV。

融冰裝置輸出的直流電壓為6脈動電壓或12脈動電壓，由于負載線路情況以及直流濾波器配置不同，存在不同幅值的波動，融冰裝置輸出電壓波形見圖3。

圖3 融冰裝置輸出電壓波形

4.2 地線絕緣水平選擇

對于地線直流融冰，融冰電壓為融冰電流在地線上產(chǎn)生的壓降，融冰區(qū)段越長，融冰電壓越大。通過對500 kV施賢線各分段融冰電壓計算，融冰電壓最大值為±16.0 kV。

地線絕緣后，由于相導線與地線間存在電場及磁場的相互耦合，線路正常運行時在地線上將產(chǎn)生較高的感應電壓。地線絕緣分段線路越長，感應電壓越大。按各融冰區(qū)段地線首端接地、分段絕緣的接地方式，計算500 kV施賢線全線地線感應電壓，全線融冰區(qū)段最長約150 km,計算出感應電壓最大值約為5.3 kV。

由于感應電壓較融冰裝置輸出電壓要小很多，地線絕緣水平主要受融冰裝置輸出電壓控制，充分考慮直流融冰裝置輸出電壓存在的諧波分量，地線絕緣水平按35 kV考慮。

4.3 地線絕緣子選擇

地線復合絕緣子的選擇，在正常運行和融冰條件下滿足工作感應電壓和融冰電壓的要求，同時需滿足污穢耐壓水平和覆冰耐壓水平。35 kV地線復合絕緣子參數(shù)見表3。

表3 地線復合絕緣子參數(shù)

4.4 地線間隙配置

絕緣地線的間隙值應既滿足冬季融冰要求，又滿足防雷及正常運行方式時的要求。即要避免融冰電壓擊穿保護間隙，又要保證冰閃電壓、污閃電壓、單相接地故障以及雷擊時保護間隙有效擊穿。

根據(jù)地線復合絕緣子人工覆冰耐受試驗結果，該地線復合絕緣子在間隙取值為40 mm，覆冰厚度為10 mm時，閃絡電壓在30～35 kV之間，滿足融冰電壓的要求。復合絕緣子污穢閃絡電壓約為30 kV，滿足本工程污穢耐壓水平要求。

通過對500 kV施賢線單相接地故障時絕緣地線上的感應電壓進行了初步的研究計算，結果表明在單相接地故障時，40 mm的地線絕緣間隙可被擊穿。

地線的全線絕緣將降低地線上感應電荷的聚集速度；但從定量上說，這種影響不足以破壞地線的感應電荷在雷電下行先導在向下梯級發(fā)展過程中達到的準靜態(tài)平衡狀態(tài)。通過電磁暫態(tài)程療(Electro-Maguetic Transient Drogram,EMTP)計算，當?shù)鼐€與桿塔絕緣的空氣間隙距離在20 ～100 mm時，線路的反擊耐雷水平下降3 ～5 kA 左右。因此，地線的絕緣間隙距離為20～100 mm時，其引雷能力沒有實質性的削弱。

綜合考慮，地線絕緣間隙距離采用40 mm。

5 融冰配套裝置

5.1 融冰接地刀閘

為實現(xiàn)地線分段融冰，運行人員需上塔操作，在每個融冰分段點均考慮安裝融冰接地刀閘。由于OPGW光纜地線融冰長度較長，感應電壓較大，為保證運行維護安全，在每個OPGW接頭位置安裝融冰接地刀閘。

線路正常運行時，合上融冰接地刀閘，地線接地；在進行融冰操作時，人員上塔完成融冰設備操作后，斷開刀閘，實現(xiàn)地線融冰。在安裝與運行時，須確保上塔人員的安全。

地線融冰接地刀閘結構示意圖見圖4。

圖4 融冰接地刀閘

5.2 OPGW絕緣配套設備

要實現(xiàn)OPGW絕緣，需對OPGW引下線夾、接頭盒、余纜架等配套設備進行絕緣化改造。

光纜接頭位置均需安裝絕緣接頭盒、絕緣余纜架和絕緣引下線夾。對于非分段的光纜接頭位置，在光纖接續(xù)的同時，還需保持電氣連接，需采用普通絕緣接頭盒。對于光纜融冰分段位置的接頭盒，需斷開兩側OPGW的電氣連接，但仍要保證光纖的接續(xù)，采用光電分離接頭盒。

絕緣引下線夾將OPGW引下部分與桿塔塔身絕緣。OPGW配套設備絕緣示意圖見圖5。

5.3 融冰操作裝置

要實現(xiàn)地線的長距離分段融冰，按融冰方案將導線、地線短接，將導線上的電流引入地線，并構成回路，因此需設計一套專用的融冰操作裝置，主要包括35 kV交聯(lián)聚乙烯電纜和配套的操作桿、合流線夾，見圖6。其中合流線夾安裝于橫擔正下方導線跳線處，與跳線間隔棒安裝方式相同，用于與導線相連。融冰操作桿下端與連接地線的電纜頭連接，便于操作人員上塔通過操作桿將地線與導線短接。

圖5 OPGW配套設備絕緣示意圖

圖6 地線融冰裝置示意圖

6 結論與展望

(1)通過合理地進行分段、接線，將導線直流融冰技術應用于長距離線路的地線融冰是可行的，500 kV施賢線的地線融冰取得了良好效果，也證明直流地線融冰是行之有效的，值得進一步推廣應用。

(2)地線絕緣改造后的絕緣配合問題，如過電壓、間隙選擇等需做進一步深入實驗和研究。

(3)目前的融冰操作設備需人工上塔操作，為提高地線融冰接線效率以及安全可靠性，需進一步開展對地線自動融冰接線裝置的研究開發(fā)。

(4)地線融冰距離主要受限于直流融冰裝置輸出電壓和地線復合絕緣子耐壓水平，應加強對直流融冰裝置研制和新型復合絕緣子的研究，同時進一步開展如絕緣地線等新技術在地線融冰中的應用研究。

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