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(shè)計院，湖北 武漢 430071）

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(shè)計院，湖北 武漢 430071）

摘要：架空輸電直流融冰技術(shù)由于其良好的融冰效果，在交流500 kV及以上線路導(dǎo)線融冰中得到廣泛應(yīng)用，地線融冰技術(shù)成為目前需要解決的問題。在500 kV施秉—賢令山線路防冰抗冰改造工程實踐中，通過對地線直流融冰技術(shù)進(jìn)行深入研究，針對本工程復(fù)雜的地線情況，進(jìn)行了地線直流融冰計算與分析，提出適合本工程的地線融冰方案并加以實施，取得了良好的效果，本文根據(jù)工程實踐并結(jié)合地線直流融冰技術(shù)提出下一步展望。

關(guān)鍵詞：架空輸電線路；地線；覆冰；直流融冰。

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(zāi)害，對電網(wǎng)造成了極大破壞，大面積停電使國民經(jīng)濟(jì)及人民生活都受到嚴(yán)重影響。在導(dǎo)線完成融冰后，架空地線在覆冰嚴(yán)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(yùn)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(yùn)行，有著重要的意義。

本文對地線直流融冰技術(shù)進(jìn)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(jié)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(shù)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(zhuǎn)化為熱能融冰是輸電線路融冰的基本思路。直流融冰技術(shù)是將覆冰線路作為負(fù)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(shù)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(dǎo)線溫升在安全范圍內(nèi)，此外，不同材質(zhì)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(yīng)的環(huán)境溫度、風(fēng)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(dǎo)線電阻

（Ω/m）；Tr為融冰時間（h）；Δt為導(dǎo)線實際溫度與外界溫度差（℃）；RT0為等效冰層傳導(dǎo)熱阻（℃·cm/w）；RT1為對流及輻射傳導(dǎo)熱阻（℃·cm/w）；g0為冰的比重（g/cm）；d為導(dǎo)線直徑（cm）；b為覆冰厚度（cm）；D為覆冰后導(dǎo)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(fù)雜，因此采用經(jīng)驗公式應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)脑６取＝Y(jié)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(fēng)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(jìn)行計算，計算結(jié)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(yīng)的環(huán)境溫度和風(fēng)速條件下，短時間內(nèi)地線達(dá)到允許溫度所通過的最大電流。

當(dāng)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(qiáng)度損失不超過5%控制。

對于鋁包鋼和光纖復(fù)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(qiáng)度殘存率約為98.12%，滿足要求；1000 h后其強(qiáng)度殘存率約為97.92%。因此，180℃時鍍鋅鋼絲的強(qiáng)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(fù)雜，為安全考慮，環(huán)境溫度取5℃，風(fēng)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(jié)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(nèi)不同地線融冰電流需匹配，融冰電流不大于段內(nèi)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(yùn)行操作。

對于架設(shè)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(dǎo)致電流分配嚴(yán)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(jié)合的接線方式進(jìn)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(shè)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(jié)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(jié)合的接線方式進(jìn)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

500kV施賢線采用分段絕緣、單點接地運(yùn)行模式，要實現(xiàn)地線融冰，必須將全線地線（含OPGW）進(jìn)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(yīng)電壓合理進(jìn)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(yùn)行工況下感應(yīng)電壓限值及防雷要求，又滿足融冰工況下絕緣強(qiáng)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(fù)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(dǎo)線與地線間存在電場及磁場的相互耦合，線路正常運(yùn)行時在地線上將產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓。地線絕緣分段線路越長，感應(yīng)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(yīng)電壓，全線融冰區(qū)段最長約150 km，計算出感應(yīng)電壓最大值約為5.3 kV。

由于感應(yīng)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(fù)合絕緣子的選擇，在正常運(yùn)行和融冰條件下滿足工作感應(yīng)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(fù)合絕緣子參數(shù)見表3。

表3　地線復(fù)合絕緣子參數(shù)

4.4地線間隙配置

絕緣地線的間隙值應(yīng)既滿足冬季融冰要求，又滿足防雷及正常運(yùn)行方式時的要求。即要避免融冰電壓擊穿保護(hù)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(hù)間隙有效擊穿。

根據(jù)地線復(fù)合絕緣子人工覆冰耐受試驗結(jié)果，該地線復(fù)合絕緣子在間隙取值為40 mm，覆冰厚度為10 mm時，閃絡(luò)電壓在30～35 kV之間，滿足融冰電壓的要求。復(fù)合絕緣子污穢閃絡(luò)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(yīng)電壓進(jìn)行了初步的研究計算，結(jié)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(yīng)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(yīng)電荷在雷電下行先導(dǎo)在向下梯級發(fā)展過程中達(dá)到的準(zhǔn)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(dāng)?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(zhì)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(yùn)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(yīng)電壓較大，為保證運(yùn)行維護(hù)安全，在每個OPGW接頭位置安裝融冰接地刀閘。

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

地線融冰接地刀閘結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。

圖4　融冰接地刀閘

5.2OPGW絕緣配套設(shè)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(shè)備進(jìn)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(cè)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(shè)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(dǎo)線、地線短接，將導(dǎo)線上的電流引入地線，并構(gòu)成回路，因此需設(shè)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(dān)正下方導(dǎo)線跳線處，與跳線間隔棒安裝方式相同，用于與導(dǎo)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(dǎo)線短接。

圖5　OPGW配套設(shè)備絕緣示意圖

圖6　地線融冰裝置示意圖

6　結(jié)論與展望

（1）通過合理地進(jìn)行分段、接線，將導(dǎo)線直流融冰技術(shù)應(yīng)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(jìn)一步推廣應(yīng)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(jìn)一步深入實驗和研究。

（3）目前的融冰操作設(shè)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(jìn)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(fù)合絕緣子耐壓水平，應(yīng)加強(qiáng)對直流融冰裝置研制和新型復(fù)合絕緣子的研究，同時進(jìn)一步開展如絕緣地線等新技術(shù)在地線融冰中的應(yīng)用研究。

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中圖分類號：TM75

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-9913（2015）02-0051-05

* 收稿日期：2014-07-29

作者簡介：張益修（1985- ），男，碩士，工程師，從事輸電線路設(shè)計工作。

De-icing and Engineering Practice of Long Distance Ground Wire

ZHANG Yi-xiu， LI Jian， ZHAO Quan-jiang， LI Yi， HU Shou-song， BAI Xiao-lu
（Central Southern Electric Power Design Institute， Wuhan 430071， China）

Abstract：Due to the good effect of DC based de-icing technique used in overhead transmission line， it has been widely used in conductor de-icing of 500kV and above AC transmission line line. The ground wire de-icing technology becomes the current problem to be solved. In Shi Bing - Xian Ling Shan 500kV transmission line anti-icing renovation project， according to the complex ground wires， we made deeply study on the DC based de-icing technique for the project and calculated and analyzed. Then we proposed appropriate solutions for de-icing of this project and achieved good effect. This paper based on engineering practice combined with DC based de-icing technology and proposed next prospect.

Key words：overhead transmission； ground wire； Ice； DC based de-icing； engineering practice.