復(fù)合光纖架空地線交流融冰法的研究

黃佩瑋，王銀順，郭煥輝，李 楊，鞠 鵬，苗金亞，劉常軍

(1．華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206; 2．華北電力大學(xué)高電壓技術(shù)與電磁兼容北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206)

復(fù)合光纖架空地線交流融冰法的研究

黃佩瑋1，2，王銀順1，2，郭煥輝1，2，李 楊1，2，鞠 鵬1，2，苗金亞1，2，劉常軍1，2

(1．華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206; 2．華北電力大學(xué)高電壓技術(shù)與電磁兼容北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206)

冰災(zāi)引發(fā)的輸電線路覆冰事故嚴(yán)重危害電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，尤其是電力通信地線的覆冰事故，可能造成供電、通信中斷等危害，因此，提高地線融冰技術(shù)是關(guān)鍵。本文提出一種復(fù)合光纖架空地線新型交流融冰法，具有感應(yīng)電壓低、無功小、融冰電源設(shè)備成本低、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，適用于受災(zāi)的復(fù)合光纖架空地線(OPGW)耐張段間覆冰線路的融冰，局部針對(duì)性融冰確保線路耐壓耐熱要求，減小融冰耗能。所提出的OPGW結(jié)構(gòu)采用漆包線繞制無感雙絞線取代鋁包鋼中心線作為加熱源。設(shè)計(jì)制作實(shí)驗(yàn)樣品，并進(jìn)行裸導(dǎo)線加熱升溫實(shí)驗(yàn)以及OPGW融冰實(shí)驗(yàn)。基于熱路法，建立等效熱路模型，進(jìn)行溫升計(jì)算及Matlab仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果基本吻合，初步驗(yàn)證新型OPGW結(jié)構(gòu)交流融冰的可行性。

復(fù)合光纖架空地線;交流融冰;無感雙絞線;熱路法

1 引言

覆冰是一種特殊的自然災(zāi)害，由于空氣中的過冷卻水滴遇冷釋放潛熱凝固形成，其主要集中在我國西南及華中地區(qū)，具有持續(xù)時(shí)間久、影響范圍廣、危害嚴(yán)重等特征。電力系統(tǒng)覆冰事故可能引發(fā)輸電線路及電氣設(shè)備冰閃、倒塔、斷線等事故，甚至電網(wǎng)癱瘓，影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行［1］。

復(fù)合光纖架空地線(Optical Fiber Composite O-verhead Ground Wire，OPGW)集通信功能與輸電線路避雷功能于一體，構(gòu)成輸電線路上的光纖通信網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文基于型號(hào)為OPGW-2S1/ 36B1(85/43-131.2)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析。

OPGW覆冰事故首先會(huì)影響其電氣性能，同時(shí)，光纖由于線路覆冰所受拉伸力增加，導(dǎo)致芯線斷裂，影響系統(tǒng)通信傳輸質(zhì)量［2］。因此，提高OPGW融冰技術(shù)是電網(wǎng)研究的重要課題之一。

國內(nèi)外在防冰抗冰工作上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。目前，針對(duì)導(dǎo)線的融冰研究較為成熟，常用的融冰方法有機(jī)械除冰法和熱力融冰法［3］。熱力法包括短路電流融冰法、交流融冰法和直流融冰法等，熱力融冰法在導(dǎo)線融冰中取得一定成效。地線融冰基于導(dǎo)線融冰方法，融冰時(shí)改變地線接線，使地線與大地形成回路或者地線與導(dǎo)線形成融冰回路，通過融冰電流發(fā)熱融化覆冰。目前，直流融冰法及交流融冰法均適用于地線融冰。

圖1 復(fù)合光纖架空地線結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Schematic cross section of OPGW

直流融冰法技術(shù)多用于高電壓、長距離輸電線路，已成功投運(yùn)于110～500kV電壓等級(jí)線路以及地線融冰，有效避免了傳統(tǒng)交流融冰無功需求大、受電源容量制約的不足。直流融冰電源取自交流電網(wǎng)，通過大功率整流裝置將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，加于待融冰線路［4］。實(shí)際生產(chǎn)中，線路覆冰多發(fā)生于偏遠(yuǎn)山區(qū)，氣候條件惡劣，交通運(yùn)輸不便，這些都增加了融冰設(shè)備搬運(yùn)工作的難度，移動(dòng)式直流融冰工作量大，耗時(shí)長，不利于融冰工作及時(shí)有效地開展，難以高效應(yīng)對(duì)大規(guī)模冰凍災(zāi)害［5］。

針對(duì)架空地線直流融冰存在的操作復(fù)雜、設(shè)備運(yùn)輸不便、耗時(shí)長、融冰時(shí)系統(tǒng)停運(yùn)以及傳統(tǒng)交流融冰無功消耗大、所需電源容量較大等問題，本文提出一種新型OPGW交流融冰法，該方法克服了傳統(tǒng)架空線直流、交流融冰的不足，可全面提高電力系統(tǒng)的抗冰能力。

2 新型OPGW融冰樣品

2.1 OPGW幾何結(jié)構(gòu)

本文對(duì)傳統(tǒng)OPGW結(jié)構(gòu)稍作改造，采用無感繞制雙絞線［6，7］取代OPGW中心鋁包鋼結(jié)構(gòu)作為加熱源。所提出的交流融冰OPGW結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖3為無感雙絞線結(jié)構(gòu)示意圖，交流電源直接接于無感雙絞線上，構(gòu)成電流回路，雙絞線相鄰回路上的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小相等，方向相反，相互抵消，有效抑制了電磁干擾，減小回路電抗系數(shù)與通流損耗。雙絞線熱損耗主要為阻性損耗［8，9］。這種結(jié)構(gòu)適用于線路覆冰段通流融冰。實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中OPGW接地方式主要采用通過耐張塔逐基接地或分段接地［10］，線路覆冰主要集中在山區(qū)地段，數(shù)個(gè)桿塔之間的線路，一般不會(huì)出現(xiàn)數(shù)百公里線路覆冰現(xiàn)象，有針對(duì)地對(duì)覆冰段線路展開融冰工作，在確保線路耐壓耐熱需求的同時(shí)避免數(shù)百公里線路融冰造成電能損耗過多。

圖2 新型復(fù)合光纖架空地線結(jié)構(gòu)示意圖Fig．2 Schematic cross section of proposed OPGW

圖3 無感雙絞線模型Fig．3 Helical bifilar wire model

2.2 樣品制作

為保證導(dǎo)線的穩(wěn)定運(yùn)行和使用壽命，無感雙絞線的制作材料需要承受較大電流，具有耐高溫特性。實(shí)驗(yàn)選取型號(hào)為 QZ-2/130的聚酯漆包銅圓線［11，12］。

樣品制作時(shí)盡量縮小雙絞線兩線之間距離，保證導(dǎo)線各層結(jié)構(gòu)緊湊，減小空隙，提高傳熱效率。表1為雙絞線相關(guān)參數(shù)。雙絞線理論分析，作以下假設(shè):①忽略制作工藝上的扭絞不均勻性;② 雙絞線節(jié)距遠(yuǎn)大于兩線之間距離。

表1 雙絞線參數(shù)表Tab．1 Parameters of twisted bifilar wire

用上述規(guī)格雙絞線替換OPGW中心鋁包鋼支撐結(jié)構(gòu)，外層仍為絞線，實(shí)驗(yàn)制備的OPGW樣品如圖4所示。

圖4 無感雙絞線實(shí)驗(yàn)樣品Fig．4 Overview of helical bifilar wire sample

3OPGW熱傳導(dǎo)計(jì)算

3.1 傳熱計(jì)算原理

電流產(chǎn)生的焦耳熱傳遞至冰層表面，提供融冰所需熱量。本文運(yùn)用熱路法分析融冰時(shí)熱量傳遞過程。熱交換主要包括兩個(gè)階段:導(dǎo)線和冰套的熱傳導(dǎo)，冰表面和空氣之間的熱交換。

對(duì)OPGW的絞線結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將分層的絞線結(jié)構(gòu)近似為同軸電纜，即以幾何中心為圓心的分層結(jié)構(gòu)，OPGW等效同軸電纜結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。將電纜各層結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境簡(jiǎn)化為等效熱阻，雙絞線熱損耗簡(jiǎn)化為等效熱源［13］。忽略軸向傳熱的影響，僅考慮熱量在徑向的傳導(dǎo)，導(dǎo)體溫度場(chǎng)均勻連續(xù)變化［14］。根據(jù)圖5導(dǎo)線分層結(jié)構(gòu)及熱路理論建立二維熱路模型，如圖6所示，電路為三組RC等效電路的串聯(lián)。

圖5 架空地線等效模型圖Fig．5 Equivalent model of ground wire

圖6 地線等效熱路模型Fig．6 Equivalent thermal circuit model of ground wire

圖6中Q1為雙絞線發(fā)熱功率;鋁包鋼及鋁單絲絞線層導(dǎo)熱性能較好，熱損耗可忽略不計(jì)。T1為雙絞線表面溫度，T2為光纖不銹鋼單元表面溫度，T3為地線表面溫度，T0為環(huán)境溫度;R1為雙絞線層(包含空氣部分)等效熱阻，R2為鋁包鋼及光纖單元層等效熱阻(包含空氣部分)，R3為鋁單絲層等效熱阻(包含空氣部分);C1為無感雙絞線層和鋁包鋼層等效熱容之和，C2為鋁單絲層等效熱容，C3為周圍空氣等效熱容，導(dǎo)線敷設(shè)在空氣中，空氣熱容較小。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)電流法原則，有以下方程:

將式(1)進(jìn)行迭代運(yùn)算，整理得到:

結(jié)合所制作樣品幾何參數(shù)，計(jì)算等效熱路模型中的熱阻和熱容公式分別為［15，16］:

式中，ro為等效同軸導(dǎo)線第i層外徑;ri為等效同軸導(dǎo)線第i層內(nèi)徑;λi為第i層介質(zhì)熱導(dǎo)系數(shù);ρi為第i層介質(zhì)密度;Vi為第i層介質(zhì)體積;Cpi為第i層介質(zhì)定壓熱容。

熱路參數(shù)見表2。

表2 熱路參數(shù)Tab．2 Parameters of thermal-circuit

3.2 裸導(dǎo)線升溫仿真

基于傳熱原理和熱路模型參數(shù)，通過Matlab編程仿真計(jì)算導(dǎo)線各層溫度。OPGW雙絞線、光纖不銹鋼單元以及導(dǎo)線外表面的初始溫度分別為14℃、14.33℃和14.43℃，40A交流作用，雙絞線發(fā)熱功率為11.706W。應(yīng)用式(4)做熱路迭代計(jì)算，得到的溫升曲線如圖7所示。在0～25min導(dǎo)線溫度上升較快，45min后導(dǎo)線各層溫度逐漸趨近平衡狀態(tài)。溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，光纖不銹鋼層溫度為72℃，光單元耐溫性能為80℃，導(dǎo)線處于安全使用范圍內(nèi)。

3.3 覆冰導(dǎo)線升溫仿真

覆冰導(dǎo)線通流溫升仿真中，雙絞線發(fā)熱用于導(dǎo)線升溫以及冰層融化。研究過程重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)線光纖單元以及導(dǎo)線外表層溫度變化，因此，在覆冰導(dǎo)線升溫計(jì)算中，只計(jì)算光纖不銹鋼及導(dǎo)線外表面溫度。光纖不銹鋼層和導(dǎo)線表面初始溫度分別為1.606℃和－1.9235℃，35A交流電流作用，通過式(4)迭代計(jì)算，得到導(dǎo)線融冰階段溫度-時(shí)間曲線，如圖8所示。

圖7 裸導(dǎo)線仿真溫度-時(shí)間曲線Fig．7 Simulation temperature-time curves for bare conductor

圖8 覆冰導(dǎo)線仿真溫度-時(shí)間曲線Fig．8 Simulation plot of temperature against time for iced conductor

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 裸導(dǎo)線加熱實(shí)驗(yàn)

對(duì)所制作的樣品分別進(jìn)行裸導(dǎo)線通流加熱實(shí)驗(yàn)和覆冰導(dǎo)線融冰實(shí)驗(yàn)，結(jié)合仿真結(jié)果對(duì)比分析。裸導(dǎo)線加熱實(shí)驗(yàn)通40A、50Hz的交流電流，實(shí)驗(yàn)中，在雙絞線、不銹鋼光纖表面以及導(dǎo)線外表面粘貼鉑電阻溫度傳感器測(cè)量導(dǎo)線溫度變化，鉑電阻型號(hào)為PT100。每隔1min記錄一組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)時(shí)長60min，記錄60個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。裸導(dǎo)線溫度-時(shí)間曲線如圖9所示，圖中離散的點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)記錄的OPGW溫度數(shù)值，實(shí)線為仿真計(jì)算溫度曲線。中心無感雙絞線層和光纖不銹鋼層的溫度計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，表層溫度受環(huán)境影響，稍有誤差，但誤差在允許范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比證明熱路法用于計(jì)算覆冰導(dǎo)線融冰過程的熱量傳遞是可行的。

4.2 覆冰導(dǎo)線融冰實(shí)驗(yàn)

導(dǎo)線融冰實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2014年1月11日早6∶00～8∶30，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為北京市昌平區(qū)，實(shí)驗(yàn)當(dāng)天氣溫為－6℃～3℃，實(shí)驗(yàn)期間環(huán)境溫度小于0℃，排除覆冰在自然環(huán)境下融冰可能性，可以認(rèn)為覆冰融化是通過導(dǎo)線通流升溫實(shí)現(xiàn)的。

圖9 裸導(dǎo)線溫度-時(shí)間曲線Fig．9 Curves of temperature vs．time for bare conductor

制作圓柱形套管，長度為 50cm，套管內(nèi)徑3.46cm。將樣品立于套管中央，套管注滿水，環(huán)境溫度小于－5℃條件下，放置于室外，12h后形成覆冰，取出樣品，樣品冰厚0.93cm，覆冰長度35cm，模擬具有一定冰厚的架空地線進(jìn)行融冰實(shí)驗(yàn)。圖10為自然環(huán)境下制作的OPGW覆冰導(dǎo)線。

圖10 實(shí)驗(yàn)覆冰導(dǎo)線圖Fig．10 Picture of iced conductor in experiment

無感雙絞線通35A交流，鉑電阻溫度傳感器置于光纖不銹鋼單元和導(dǎo)線表層進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，每隔1min記錄樣品測(cè)溫點(diǎn)實(shí)驗(yàn)值，并觀察冰層變化情況，測(cè)得導(dǎo)線融冰溫度變化如圖11所示。t =43min覆冰脫落;t=44min后，為裸導(dǎo)線升溫階段。由于環(huán)境因素影響，導(dǎo)線溫度變化曲線有波動(dòng)。

圖11 覆冰導(dǎo)線溫度-時(shí)間曲線Fig．11 Dependence of temperature on time in iced conductor

仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在溫度變化趨勢(shì)和溫度變化時(shí)間常數(shù)兩方面能夠吻合，因此熱路法可進(jìn)行融冰的傳熱計(jì)算，估算融冰時(shí)間，分析融冰過程中光纖溫度是否滿足其熱穩(wěn)定性要求。

實(shí)際融冰過程中，融冰物理模型較為復(fù)雜。冰層形狀并非均勻的圓環(huán)狀變化，空氣濕度等自然因素的影響，實(shí)驗(yàn)采用點(diǎn)測(cè)溫法(用導(dǎo)體某一點(diǎn)溫度表示同一導(dǎo)體面的溫度)等都會(huì)引起計(jì)算誤差。

5 結(jié)論

結(jié)合傳統(tǒng)OPGW結(jié)構(gòu)，本文使用耐高溫漆包線繞制無感雙絞線作為熱源，實(shí)現(xiàn)OPGW覆冰段局部交流融冰。通過裸導(dǎo)線升溫實(shí)驗(yàn)研究其基本傳熱過程，進(jìn)一步的融冰實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這種結(jié)構(gòu)交流融冰的可行性。所提出結(jié)構(gòu)適用于架空地線局部覆冰線路交流不停電融冰，可有效降低交流融冰時(shí)的無功損耗，只需較小的電源即可滿足融冰需求，一定程度上改善了地線融冰時(shí)感應(yīng)電壓和接地方式等方面的不足。融冰設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，融冰電源直接通過系統(tǒng)提供，避免了直流融冰設(shè)備繁多、投運(yùn)操作復(fù)雜等問題。

目前，這種結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究是通過低溫環(huán)境人為結(jié)冰實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃在人工氣候?qū)嶒?yàn)室進(jìn)行，人工模擬環(huán)境溫度、濕度、氣壓等各種復(fù)雜氣象環(huán)境，這樣更接近自然環(huán)境下線路覆冰和融冰情況，從而完善架空地線融冰的研究。

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(，cont．on p.75)(，cont．from p.43)

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Research on AC ice-melting method for OPGW

HUANG Pei-wei1，2，WANG Yin-shun1，2，GUO Huan-hui1，2，LI Yang1，2，JU Peng1，2，MIAO Jin-ya1，2，LIU Chang-jun1，2
(1．State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，North China Electric Power University，Beijing 102206，China; 2．Beijing Key Laboratory of High Voltage and Electromagnetic Compatibility，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

Ice depositing on transmission lines is of great danger to the security and stability of electrical power system．Especially the ice accidents of the electric power communication ground wires may cause power outage and communication interruption．So，to improve the melting technology of ground wire is of great significance．A new AC ice-melting method for Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire(OPGW)is proposed，which has advantages of low induced voltage，small reactive power and low cost supply power as well as convenient operation．It is applied to partial line ice-melting，which can ensure the voltage and heat requirements and reduce the energy consumption．The new structure of the new OPGW chose a twisted bifilar wire fabricated by enameled wire as a heater for de-icing by replacing the aluminum-clad steel wire in the central layer．After a sample was fabricated，temperature rise of bare conductor and de-icing tests with ice depositing on its surface were performed respectively．On the other hand，an equivalent thermal circuit was established according to the simplified thermal resistance model by which the temperature rise of conductor was separately calculated and simulated by Matlab software．The simulated results are in good agreement with the experimental ones，which preliminarily validates the feasibility of the new structure for de-icing．

Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire(OPGW);AC de-icing;twisted bifilar wire;thermal circuit method

TM726.3

A

1003-3076(2015)10-0039-05

2014-06-16

國家自然科學(xué)基金(51477053)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金(2014ZD02)資助項(xiàng)目

黃佩瑋(1990-)，女，福建籍，碩士研究生，研究方向?yàn)榧芸盏鼐€、輸電線路融冰研究;王銀順(1965-)，男，河北籍，教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)電工及電力技術(shù)等。