強(qiáng)寒潮下超高壓輸電線路直流融冰效果差異分析

王敩青, 張厚榮, 羅望春, 蘇國(guó)磊

(中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州510663)

強(qiáng)寒潮下超高壓輸電線路直流融冰效果差異分析

王敩青, 張厚榮, 羅望春, 蘇國(guó)磊

(中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州510663)

針對(duì)強(qiáng)寒潮天氣下超高壓輸電線路各區(qū)段直流融冰效果存在差異的實(shí)際案例，根據(jù)輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)信息，結(jié)合輸電線路運(yùn)行參數(shù)以及直流融冰技術(shù)相關(guān)原理，開(kāi)展了氣象環(huán)境、覆冰情況及直流融冰參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性分析。結(jié)果表明：地線等效覆冰厚度較大導(dǎo)致融冰所需時(shí)間更長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)氣溫較低、風(fēng)速較大導(dǎo)致覆冰完全脫落所需的融冰電流有所增加，而實(shí)際融冰電流小于所需融冰電流導(dǎo)致覆冰未完全脫落。建議在融冰電流一定的基礎(chǔ)上，若線路覆冰厚度較大，需適當(dāng)延長(zhǎng)融冰時(shí)間；若要短時(shí)間內(nèi)取得較好的融冰效果，需適當(dāng)增加融冰電流；在融冰時(shí)間一定的基礎(chǔ)上，若線路環(huán)境氣溫較低或風(fēng)速較大，需適當(dāng)增加融冰電流。

輸電線路；覆冰；強(qiáng)寒潮；融冰電流；融冰時(shí)間

輸電線路覆冰事故嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-3]。直流融冰作為一種有效抗冰手段，能較快消除覆冰對(duì)架空線路的威脅[4-5]。

2016年冬季，華南地區(qū)經(jīng)歷了超強(qiáng)寒潮，受影響區(qū)域的超高壓線路出現(xiàn)了不同程度的覆冰。在開(kāi)展直流融冰過(guò)程中，由于現(xiàn)場(chǎng)天氣惡劣，發(fā)現(xiàn)部分線路區(qū)段融冰效果不佳。針對(duì)這種現(xiàn)象，根據(jù)輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)特巡反饋信息，結(jié)合輸電線路運(yùn)行參數(shù)以及直流融冰技術(shù)的相關(guān)原理，開(kāi)展了氣象環(huán)境、覆冰情況及直流融冰參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性分析，為選擇最優(yōu)參數(shù)、有效開(kāi)展直流融冰工作提供技術(shù)參考。

1 事件背景

2016年1月22—23日，對(duì)某500 kV雙回線路(下文以甲線、乙線表示)開(kāi)展了多次融冰工作，圖1為對(duì)19—181號(hào)區(qū)段進(jìn)行直流融冰時(shí)地線的覆冰變化情況，其中拉力倍數(shù)為導(dǎo)線拉力實(shí)時(shí)測(cè)量值與導(dǎo)線無(wú)覆冰時(shí)拉力測(cè)量值之比。下文以基準(zhǔn)值表示導(dǎo)線無(wú)覆冰時(shí)拉力測(cè)量值。

圖1 直流融冰期間甲、乙線地線覆冰變化情況

由圖1可知：在直流融冰期間，甲線117、118+1號(hào)塔地線覆冰均完全脫落，而108、110、112、118號(hào)塔覆冰均未完全脫落；乙線113號(hào)塔地線拉力恢復(fù)至基準(zhǔn)值的時(shí)間明顯較其他塔長(zhǎng)，其覆冰完全脫落較112、113+1、115號(hào)塔遲約1 h。

2 線路融冰參數(shù)計(jì)算公式

以下針對(duì)上述2個(gè)案例進(jìn)行分析，以明確直流融冰效果出現(xiàn)差異的原因，并研究融冰參數(shù)與氣象環(huán)境的關(guān)系。

導(dǎo)線融冰電流是指使導(dǎo)線表面覆冰融化的電流。融冰電流在導(dǎo)線電阻中產(chǎn)生的熱量以4種形式消耗[4-5]，一是使冰柱溫度上升至熔點(diǎn)，二是使冰柱融化，三是損失在導(dǎo)線表面到冰柱表面的傳熱途中，四是通過(guò)冰柱表面散失。計(jì)算公式為

其中：

式中：Ir為融冰電流，A；R0為0 ℃時(shí)的導(dǎo)線電阻，Ω/m；tr為融冰時(shí)間，h；g0為冰的密度，雨凇為0.9 g/cm3；b為冰層厚度，cm；D為導(dǎo)線覆冰后外徑，cm；RTO為等效冰層傳導(dǎo)熱阻， ℃·cm/W；d為導(dǎo)線直徑，cm；RT1為對(duì)流及輻射等效熱阻， ℃·cm/W；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，雨凇為0.027 W/(cm· ℃)，霧凇為0.0012 W/(cm· ℃)；v為風(fēng)速，m/s；ΔT為導(dǎo)體溫度與外界氣溫之差， ℃，導(dǎo)體溫度可取0 ℃。

通過(guò)以上計(jì)算公式，可以計(jì)算出直流融冰電流和融冰時(shí)間。

3 線路融冰參數(shù)分析

3.1 融冰時(shí)間

以乙線19—181號(hào)區(qū)段地線直流融冰為例，根據(jù)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，查詢得到不同塔位氣溫、拉力值開(kāi)始下降的起點(diǎn)、終點(diǎn)時(shí)刻以及覆冰厚度的變化情況，具體見(jiàn)表1。

表1 乙線地線110-116號(hào)區(qū)段融冰情況

桿塔號(hào)拉力變化時(shí)段拉力變化時(shí)長(zhǎng)/min氣溫/℃覆冰厚度/mm融冰時(shí)間理論計(jì)算值/min1138：40—10：20100[-28，-25]146→0941128：50—9：2030[-27，-25]49→035113+18：40—9：2040[-17，-16]59→0391158：40—9：2040[-18，-16]50→035

由表1可見(jiàn)：112、113+1、115號(hào)塔等效覆冰厚度[6-7]接近，覆冰完全脫落時(shí)間基本在30 min左右；而113號(hào)塔等效覆冰厚度較大，覆冰完全脫落時(shí)間在100 min左右。

根據(jù)相鄰檔內(nèi)各桿塔所處地形(如圖2所示)，結(jié)合當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào)及現(xiàn)場(chǎng)巡視信息，113號(hào)塔風(fēng)速約8 m/s、112號(hào)塔風(fēng)速約7 m/s、113+1號(hào)塔風(fēng)速約6 m/s、115號(hào)塔風(fēng)速約5 m/s，氣溫為終端測(cè)量值。根據(jù)直流融冰操作信息，融冰電流為200 A。通過(guò)以上參數(shù)計(jì)算得出融冰時(shí)間理論計(jì)算值，見(jiàn)表1。

圖2 乙線111—115號(hào)桿塔區(qū)段地形

對(duì)比表1的融冰時(shí)間理論計(jì)算值、拉力變化時(shí)長(zhǎng)可知，實(shí)際情況與理論計(jì)算值基本吻合。

為進(jìn)一步分析融冰時(shí)間的影響因素，以等效覆冰厚度及融冰電流為變量，在其他參數(shù)均確定的基礎(chǔ)上，分析融冰時(shí)間的變化趨勢(shì)[8-11]，結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3可知，融冰時(shí)間與導(dǎo)線覆冰厚度基本呈線性關(guān)系，即導(dǎo)線覆冰越厚，融冰時(shí)間越長(zhǎng)。由圖4可知，融冰時(shí)間與融冰電流呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即融冰電流越大則融冰時(shí)間越短。但需要指出的是，當(dāng)融冰電流小于一定值(此例為130 A)時(shí)，直流融冰將無(wú)法獲得融冰效果。

地線型號(hào)JLB23-120，氣溫-3 ℃，風(fēng)速5 m/s，融冰電流200 A。圖3 融冰時(shí)間與等效覆冰厚度的關(guān)系

地線型號(hào)JLB23-120，氣溫-3 ℃，風(fēng)速5 m/s，覆冰厚度10 mm。圖4 融冰時(shí)間與融冰電流的關(guān)系

綜上所述，因等效覆冰厚度較大，融冰所需時(shí)間更長(zhǎng)，導(dǎo)致乙線113號(hào)塔地線拉力恢復(fù)至基準(zhǔn)值的時(shí)間明顯較長(zhǎng)。在直流融冰過(guò)程中，在融冰電流一定的基礎(chǔ)上，若線路覆冰厚度較大，需適當(dāng)延長(zhǎng)融冰時(shí)間；若要短時(shí)間內(nèi)取得較好的融冰效果，需適當(dāng)增加融冰電流。

3.2 融冰電流

以甲線19—188號(hào)區(qū)段地線直流融冰為例，根據(jù)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，查詢得到不同塔位氣溫、拉力值開(kāi)始下降的起點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)刻、覆冰厚度的變化情況，表2為107—119號(hào)區(qū)段的融冰情況。

表2 甲線地線107—119號(hào)區(qū)段融冰情況

桿塔號(hào)拉力變化時(shí)間拉力變化時(shí)長(zhǎng)/min氣溫/℃覆冰厚度/mm2h融冰電流理論計(jì)算值/A10823：00—次日1：00120[-51，-4]66→6321311022：50—次日1：00140[-51，-41]90→722011223：00—次日0：3090[-43，-35]88→3320211723：00—次日0：1070[-45，-39]80→019211823：00—次日1：00120[-39，-32]130→55205118+123：00—23：5050[-39，-32]105→0179

由表2可見(jiàn)：117、118+1號(hào)塔達(dá)到融冰效果，在1 h左右覆冰完全脫落；而108、110、112、118號(hào)塔在2 h左右的直流融冰操作過(guò)程中未完全達(dá)到融冰效果，甚至部分桿塔覆冰厚度未出現(xiàn)明顯變化。

根據(jù)相鄰檔內(nèi)各桿塔所處地形(如圖5所示)，結(jié)合當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào)及現(xiàn)場(chǎng)巡視信息，110、118號(hào)塔風(fēng)速約12 m/s，108、112、117號(hào)塔風(fēng)速約10 m/s，118+1號(hào)塔風(fēng)速約8 m/s，氣溫取終端測(cè)量值。根據(jù)直流融冰操作信息，融冰電流為200 A。通過(guò)以上參數(shù)計(jì)算得出直流融冰持續(xù)2 h的前提下覆冰完全脫落所需的融冰電流理論計(jì)算值，見(jiàn)表2。

圖5 甲線108—120號(hào)區(qū)段桿塔地形

對(duì)比表2的覆冰厚度變化、2 h融冰電流理論計(jì)算值可知，2 h融冰電流理論計(jì)算值小于200 A的桿塔均達(dá)到完全融冰效果，而2 h融冰電流理論計(jì)算值超過(guò)200 A的桿塔均未完全達(dá)到融冰效果。實(shí)際情況與理論計(jì)算值基本吻合，對(duì)于融冰效果不佳的桿塔，要達(dá)到覆冰完全脫落的效果且融冰電流必須控制在200 A，則需延長(zhǎng)融冰時(shí)間，或者在2 h的融冰時(shí)間內(nèi)增加融冰電流。

為進(jìn)一步分析融冰電流的影響因素，以氣象環(huán)境參數(shù)為變量，在其他參數(shù)均確定的基礎(chǔ)上，分析融冰電流的變化趨勢(shì)[8-11]，如圖6、圖7所示。

地線型號(hào)JLB23-120，風(fēng)速5 m/s，覆冰厚度10 mm，融冰時(shí)間2 h。圖6 融冰電流與氣溫的關(guān)系

地線型號(hào)JLB23-120，氣溫-3 ℃，覆冰厚度10 mm，融冰時(shí)間2 h。圖7 融冰電流與風(fēng)速的關(guān)系

由圖6可知：融冰電流與氣溫基本呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，即氣溫越低，所需融冰電流越大；氣溫對(duì)融冰電流影響較大，針對(duì)本算例，氣溫由0 ℃降至-10 ℃，融冰電流需增加約150 A。由圖7可知：融冰電流與風(fēng)速呈正相關(guān)關(guān)系，即風(fēng)速越大，所需融冰電流越大，但風(fēng)速對(duì)融冰電流的影響較氣溫明顯偏小。需要指出的是，正是由于現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速較大(巡視人員反饋現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速較大以及氣象預(yù)報(bào)附近地區(qū)局部有6級(jí)大風(fēng))，且不同塔位因地形原因風(fēng)速存在較大區(qū)別，使得部分桿塔覆冰完全脫落所需的融冰電流超過(guò)了實(shí)際融冰電流值，從而導(dǎo)致不同桿塔出現(xiàn)明顯不同的融冰效果。

綜上所述，現(xiàn)場(chǎng)氣溫較低、風(fēng)速較大導(dǎo)致所需融冰電流有所增加，由于實(shí)際融冰電流略小于覆冰完全脫落所需融冰電流，甲線108、110、112、118號(hào)塔覆冰均未完全脫落。在直流融冰過(guò)程中，在融冰時(shí)間一定的基礎(chǔ)上，若線路環(huán)境氣溫較低或風(fēng)速較大，需適當(dāng)增加融冰電流。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

a)因地線等效覆冰厚度較大，融冰所需時(shí)間更長(zhǎng)，使得乙線113號(hào)塔地線拉力恢復(fù)至基準(zhǔn)值的時(shí)間明顯較長(zhǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)氣溫較低、風(fēng)速較大導(dǎo)致覆冰完全脫落所需融冰電流有所增加，因?qū)嶋H融冰電流略小于所需融冰電流，甲線108、110、112、118號(hào)塔覆冰均未完全脫落。

b)融冰時(shí)間與導(dǎo)線覆冰厚度基本呈線性關(guān)系，即導(dǎo)線覆冰越厚，融冰時(shí)間越長(zhǎng)；融冰時(shí)間與融冰電流呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即融冰電流越大，融冰時(shí)間越短。

c)融冰電流與氣溫基本呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，即氣溫越低，所需融冰電流越大；氣溫對(duì)融冰電流影響較大。融冰電流與風(fēng)速呈正相關(guān)關(guān)系，即風(fēng)速越大，所需融冰電流越大；風(fēng)速對(duì)融冰電流的影響較氣溫明顯偏小。

4.2 建議

a)在直流融冰過(guò)程中，在融冰電流一定的基礎(chǔ)上，若線路覆冰厚度較大，需適當(dāng)延長(zhǎng)融冰時(shí)間；若要短時(shí)間內(nèi)取得較好的融冰效果，需適當(dāng)增加融冰電流。在融冰時(shí)間一定的基礎(chǔ)上，若線路環(huán)境氣溫較低或風(fēng)速較大，需適當(dāng)增加融冰電流。

b)在實(shí)際融冰過(guò)程中，根據(jù)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，獲取融冰區(qū)段不同塔位的等值覆冰厚度、氣溫及風(fēng)速測(cè)量值，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巡視人員反饋的線路覆冰、氣象環(huán)境情況，開(kāi)展以融冰電流、融冰時(shí)間為主的直流融冰參數(shù)分析，再綜合考慮系統(tǒng)運(yùn)行要求，制定針對(duì)性更強(qiáng)的直流融冰方案，以獲得最好的融冰效果。

[1] KONSTANTIN S, MASOUD F. Modeling if Icing and Ice Shedding on Overhead Power Lines Based on Statistical Analysis of Meteorological Data[J]. IEEE Trans. on Power Delivery, 2004, 19(2): 715-721.

[2] MASOUD F，KONSTANTIN S. Statistical Analysis of Field Data for Precipitation Icing Accretion on Overhead Power Lines[J]. IEEE Trans. on Power Delivery, 2005, 20(2): 1080-1087.

[3] 王敩青, 戴棟, 郝艷捧,等. 基于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸電線路覆冰數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析[J]. 高電壓技術(shù), 2012, 38(11): 3000-3007.

WANG Xiaoqing, DAI Dong, HAO Yanpeng, et al. Statistics and Analysis of Transmission Lines Icing Data Based on Online Monitoring System[J]. High Voltage Engineering, 2012, 38(11): 3000-3007.

[4] 中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司. 電網(wǎng)防冰融冰技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2010.

[5] 劉洪澤. 直流輸電線路覆冰與防治[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2012.

[6] 張厚榮. 一種基于稱重法的耐張塔導(dǎo)線覆冰厚度計(jì)算方法和系統(tǒng): 201410268423.1[P]. 2014-06-16.

[7] 張厚榮. 一種基于稱重法的直線塔導(dǎo)線覆冰厚度計(jì)算方法和系統(tǒng): 201410348869.5[P]. 2014-07-21.

[8] ZHU Y, HUANG X, JIA J, et al. Experimental Study on the Thermal Conductivity for Transmission Line Icing[J]. Cold Regions Science and Technology, 2016, 129: 96-103.

[9] 李鐵鼎, 李健, 呂健雙, 等. 輸電線路地線融冰的熱平衡分析與計(jì)算[J]. 電力建設(shè), 2015，36(4): 70-76.

LI Tieding, LI Jian, Lü Jianshuang, et al. Heat Balance Analysis and Calculation of Ground Wire Ice-melting in Transmission Line[J]. Electric Power Construction, 2015，36(4): 70-76.

[10] 蔣興良, 范松海, 胡建林, 等. 輸電線路直流短路融冰的臨界電流分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2010，30(1): 111-116.

JIANG Xingliang, FAN Songhai, HU Jianlin, et al. Analysis of Critical Ice-melting Current for Short-circuit DC Transmission Line[J]. Proceedings of the CSEE, 2010,30(1): 111-116.

[11] 吳端華, 何東. 輸電線路直流融冰的臨界電流和融冰時(shí)間分析[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2010, 22(5): 86-91.

WU Duanhua, HE Dong. Analysis on Critical Current and Ice-melting Time by DC on Transmission Line[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2010, 22(5): 86-91.

(編輯 李麗娟)

Analysis on Differences in DC De-icing Effects on EHV Power Transmission Lines Under Strong Cold Wave Weather

WANG Xiaoqing, ZHANG Hourong, LUO Wangchun, SU Guolei

(Maintenance and Test Center of Extra High Voltage Power Transmission Company of China Southern Power Grid, Guangzhou, Guangdong 510663, China)

In allusion to actual cases of differences in DC de-icing effects on EHV power transmission lines under strong cold wave weather, this paper analyzes relevance among weather environment, icing situations and DC de-icing parameters according to online monitoring data of icing of power transmission lines and field information combining with operational parameters of power transmission lines and relevant principles of DC de-icing technology. Results indicate that equivalent icing thickness of earth wire is quite big which causes more longer de-icing time, and low field temperature and larger wind speed cause required de-icing current for icing fall-off increase while actual de-icing current is less which causes icing not fully cleared. It suggests to properly delay de-icing time if icing thickness of the line is big on the basis of certain de-icing current, or increase de-icing current in order to acquire better de-icing effect in short time. In addition, on the basis of certain de-icing time, it is suggested to properly increase de-icing current if environmental temperature of the line is lower or wind speed is larger.

power transmission line; icing; strong cold wave; de-icing current; de-icing time

2016-09-07

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.12.020

TM852

B

1007-290X(2016)12-0110-05

王敩青(1987)，男，江西吉安人。工程師，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)檩旊娫O(shè)備外絕緣、輸電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)。

張厚榮(1989)，男，福建龍巖人。工程師，工學(xué)學(xué)士，主要研究方向?yàn)檩旊娫O(shè)備在線監(jiān)測(cè)。

羅望春(1987)，男，湖北天門人。工程師，工學(xué)學(xué)士，主要研究方向?yàn)檩旊娫O(shè)備在線監(jiān)測(cè)。