不同類型地線對直流融冰影響的淺析

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摘要：2008年初發(fā)生的低溫雨雪冰凍災害，造成全國范圍電網(wǎng)極大損壞，大范圍面積停電，其中我國南方、華中、華東地區(qū)受損最為嚴重。事后，南方電網(wǎng)公司為了抵御和防范極端天氣災害，提出了適當提高建設(shè)標準，應(yīng)用抗冰融冰技術(shù)并完善應(yīng)急機制的綜合措施。直流融冰技術(shù)作為一種新型高效的技術(shù)，對電網(wǎng)抗擊冰災具有重大意義。本文通過對不同類型地線進行直流融冰計算，采用對比方式進行分析，得出在外部因素影響下，不同類型地線的融冰電流的變化情況，為以后在高壓線路地線選型上提供了理論數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：冰災；地線；直線融冰；

1引言

大氣異常，自然災害頻發(fā)，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。為了“建設(shè)人民放心的電網(wǎng)”，電力部門組織了電力設(shè)計、科研、制造單位，對中、重冰區(qū)輸變電工程抗冰設(shè)計參數(shù)優(yōu)化及通用設(shè)計進行了研究，修改了有關(guān)設(shè)計規(guī)程、規(guī)范，優(yōu)化了電網(wǎng)規(guī)劃，提高了電網(wǎng)的建設(shè)標準，并對事故線路進行了抗冰改造，同時啟動了融冰技術(shù)研究及應(yīng)用，以提高電網(wǎng)抗冰災保障能力。中國南方電網(wǎng)公司在2012年發(fā)布了《架空輸電線路地線覆冰防治工作導則（試行）》[1]（以下統(tǒng)稱“防冰導則”），地線直流融冰技術(shù)將在南方電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。從此以后，部分地方供電局對一些重要線路加裝了直流融冰裝置對線路進行融冰，效果非常顯著，有效防止了倒塔、斷線等惡性事故的發(fā)生。

2防冰導則對架空輸電線路采用防冰措施的規(guī)定

2012年發(fā)布的《防冰導則》從設(shè)計、運行、改造全過程，提出了重冰線路“避、抗、融、防”四字的地線覆冰差異化防治措施。根據(jù)《重覆冰架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5440-2009）規(guī)定，重覆冰線路設(shè)計應(yīng)首先采用避冰及抗冰措施，有條件的地方經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后可采用融冰及防冰等措施。線路的避冰應(yīng)在線路路徑選擇階段就認真研究、考慮，一旦線路路徑確定后，相應(yīng)的線路設(shè)計冰厚就確定了。因此，架空地線防冰措施可從防冰和融冰方面考慮。

3架空地線直流融冰

在我國，導線融冰已取得較多的實踐經(jīng)驗，而地線融冰還處于研究試研階段，地線融冰不少關(guān)鍵技術(shù)還需要通過專題試驗研究解決。本次架空地線直流融冰方案的原則及計算過程的假設(shè)條件如下：

1）設(shè)計標準按《110kV～750kV架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)范》（DL/T 50545-2010）執(zhí)行。

2）融冰電流與融冰冰厚、時間、風速及環(huán)境溫度有關(guān)。為方便融冰電流的計算，假設(shè)計算條件取環(huán)境溫度-5℃、風速5m/s、冰厚10mm、融冰時間1小時。

3）結(jié)合融冰方案確定融冰電壓，要盡可能達到既滿足冬季融冰又滿足防雷及正常運行方式對地線的要求。

地線融冰主要是采用一定量的電流使地線發(fā)熱，達到融冰熱平衡而實現(xiàn)融冰，這是一個電能轉(zhuǎn)化為熱能的過程，融冰電流和融冰時與各參數(shù)之間熱平衡關(guān)系式如下：

（3-1）

式中：IC-融冰電流；R0-電線電阻；Q1-被融化部分的冰的溫度從Te（結(jié)冰時外界溫度）升溫到T0（地線融冰溫度）吸收的熱量；Q2-融化冰所需吸收的熱量；Q3-未被融化的冰溫度變化吸收的熱量；Q4-地線溫度從Te升溫到T0所吸收的熱量；Q5-冰表面散失的熱量。

當?shù)鼐€上通過的電流I大于上式計算的臨界融冰電流IC時，經(jīng)過時間t，地線上冰層融化并脫落，達到融冰的目的。

根據(jù)《防冰導則》附錄B中的地線融冰電流計算公式，將公式（3-1）轉(zhuǎn)換為下列公式：

（3-2）

式中：Ir — 融冰電流（A）；R0 — 0℃時的導線電阻（Ω/m）；Tr — 融冰時間（h）；Δt — 導體溫度與外界氣溫之差（℃）；g0 — 冰的比重（一般按雨淞取0.9）；b — 冰層厚度，即覆冰每邊冰厚（cm）；D — 導體覆冰后的外徑（cm）；RT0 — 等效冰層傳導熱阻（），；d — 導線直徑（cm）；λ — 導熱系數(shù)（），對雨淞 λ=2.27×10-2，對霧淞 λ=0.12×10-2；RT — 對流及輻射等效熱阻（）

對雨淞：；對霧淞：；

V——風速（m/s）

根據(jù)公式（3-2）可知，架空線路的地線融冰電流主要與環(huán)境溫度、風速、覆冰厚度、融冰時間因素有關(guān)。由于不同地區(qū)的輸電線路覆冰情況與天氣情況等外部條件不一致，為了研究上述各種因素對融冰電流大小的影響規(guī)律，本文分別選取6種不同型號的常見地線（包括復合地線光纜）進行計算各外部因素與融冰電流的關(guān)系，6種不同型號的地線參數(shù)詳見表3-1：

表3-1 常用地線參數(shù)表

參 數(shù)

型 號外徑（mm）20℃時直流電阻（Ω/km）

GJX-8010.092.7287

GJX-10013.002.0490

JLB20A-8011.401.0788

JLB20A-10013.000.8524

OPGW-24B1-8012.301.085

OPGW-24B1-10013.200.882

按假設(shè)計算條件：外界環(huán)境溫度為-5℃、風速為5m/s、融冰時間為1h、覆冰厚度為10mm。通過計算分別得出上述4種因素與融冰電流關(guān)系的曲線圖，見圖3-1～圖3-4。

圖3-1 融冰電流與覆冰厚度的關(guān)系曲線圖

圖3-2 融冰電流與溫差的關(guān)系曲線圖

圖3-3 融冰電流與天氣風速的關(guān)系曲線圖