架空線路覆冰研究現(xiàn)狀綜述

李紅坤 陳芳芳 高 鑫

?

架空線路覆冰研究現(xiàn)狀綜述

李紅坤 陳芳芳 高 鑫

（云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，昆明 650000）

本文首先介紹了我國架空線路覆冰的現(xiàn)狀，線路覆冰造成的危害，線路覆冰類型，形成原因、條件和不同類型的覆冰對電網(wǎng)所造成的影響。然后介紹了目前國內(nèi)外對架空線路覆冰的研究現(xiàn)狀，其中研究方法包括在線監(jiān)測法、稱重法、導(dǎo)線傾角法等，并簡單介紹了機(jī)械除冰法、短路與熱力除冰法及它們的適用條件。

架空線路；覆冰；在線監(jiān)測；除冰

“西電東送”是我國電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃的重要規(guī)劃之一。在“西電東送”過程中，架空線路要經(jīng)過復(fù)雜的地理、氣象環(huán)境。而隨著超高壓、特高壓電路的快速建設(shè)，對電網(wǎng)應(yīng)對自然災(zāi)害的能力提出了更高的要求。

從全球范圍來看，最早記錄架空線路覆冰事故是在1932年；對于我國來說，最早記錄架空線路覆冰事故是在1954年。關(guān)于架空線路覆冰的問題，人們感受最深的一次恐怕就是2008年初的雨雪冰凍災(zāi)害。此次自然災(zāi)害是我國有氣象記錄以來最為嚴(yán)重的一次雨雪冰凍災(zāi)害，使得云南、貴州、湖南、浙江等省的輸電線路長時間大面積的癱瘓，給國民經(jīng)濟(jì)和人民生活帶來了巨大的損失和不便。隨著全球環(huán)境的不斷惡化，極端氣象天氣也不斷增多，架空線路覆冰問題會更加頻繁。對于架空線路覆冰問題的研究，主要存在于以下方面：①對不同地段、不同線路，覆冰成因的不同和對電網(wǎng)的不同影響的研究；②對于架空線路覆冰監(jiān)測的研究；③覆冰線路除冰方法的研究。只有正確認(rèn)識架空線路覆冰的成因，做好監(jiān)控，用恰當(dāng)?shù)姆绞郊皶r除冰，才能減小對生產(chǎn)、生活的影響。

1 架空線路覆冰的成因與對電網(wǎng)的影響

1.1 架空線路覆冰的成因

架空導(dǎo)線覆冰的形成原因是由多種條件決定的，主要有氣象條件、地理條件、海拔高度、導(dǎo)線懸掛高度、導(dǎo)線直徑、風(fēng)向和風(fēng)速、電場強(qiáng)度等[1]。氣象條件對架空線路覆冰的影響主要是由線路經(jīng)過地的環(huán)境溫度、空氣濕度以及風(fēng)向風(fēng)速等因素綜合造成的。

架空線路覆冰問題并非偶然事件，在我國很多地方每年冬天都會發(fā)生架空線路覆冰問題。但是不同地區(qū)、地形上架空線路覆冰的類型不太相同，具體來說可分為雨凇、霧凇、混合凇、濕雪4種?！坝贲　睆暮邶埥綇V東、從新疆到山東都有不同程度發(fā)生，而中緯度地區(qū)尤為突出。“霧凇”主要發(fā)生在高山濕潤地區(qū)的冬季，例如吉林省長白山天池氣象站一帶，年平均霧凇出現(xiàn)天數(shù)為179天，從10月份到第二年的3月份，每月都有20天以上霧凇現(xiàn)象?！盎旌馅　笔怯贲『挽F凇交替成冰形成的，當(dāng)溫度到冰點(diǎn)以下，風(fēng)速較大地區(qū)易于形成?！皾裱倍喑霈F(xiàn)于平原地區(qū)或低地?zé)o風(fēng)地區(qū)。

1.2 覆冰對電網(wǎng)的影響

架空線路覆冰對電網(wǎng)的影響主要有過負(fù)載、絕緣子冰閃、覆冰的導(dǎo)線舞動、脫冰閃絡(luò)等。過載會導(dǎo)致架空線路出現(xiàn)機(jī)械和電氣方面的故障，即會出現(xiàn)倒塔、金具的損壞和由弧垂增大而導(dǎo)致的閃絡(luò)燒線等。當(dāng)絕緣子上覆冰時，可以看作絕緣子上出現(xiàn)了污穢而改變了絕緣子上的電場分布，特別是冰中往往會含有污穢，這就更易造成閃冰[2-3]。在風(fēng)力的作用下，架空線路上的覆冰是不對稱的，這就造成線路極易發(fā)生舞動，且舞動幅度較大、持續(xù)時間長。對線路輕則引起相間閃絡(luò)、線路跳閘，重則引起斷線或倒塔。

2 架空線路覆冰的監(jiān)測

在架空線路覆冰時，如果能實時監(jiān)測到架空線路覆冰狀況，就能為以后除冰方式的選擇、除冰效果的判斷帶來極大的方便。因此，對架空線路覆冰的監(jiān)測是解決線路覆冰問題的重要環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)外對于架空線路覆冰的監(jiān)控方法主要有：在線監(jiān)測法、圖像檢測法、氣象要素監(jiān)測法、稱重法、導(dǎo)線傾角法等。

2.1 在線監(jiān)測法

在國外，在線監(jiān)測很早就用在線路覆冰的實時監(jiān)控中。早在20世紀(jì)70年代，在加拿大魁北克省無人區(qū)的一條輸電線路中就使用了自動記錄線路覆冰的無源測冰儀。這套儀器連續(xù)記錄了四十多年該架空線路在冬季的覆冰數(shù)據(jù)。在線監(jiān)測發(fā)展到今天，很多國家都安裝了成套的實時在線監(jiān)測系統(tǒng)。我國在線監(jiān)測的研究也在不斷發(fā)展。西安交通大學(xué)等單位通過建立導(dǎo)線覆冰厚度與導(dǎo)線弧垂的力學(xué)模型，并由后臺軟件按其模型計算出實時的覆冰厚度；后來華南理工大學(xué)改進(jìn)了力學(xué)模型。西安理工大學(xué)在晉東到荊門1000kV特高壓交流架空線路中第一次實現(xiàn)了在線監(jiān)測。

從用途出發(fā)，可將在線監(jiān)測法分為在線理論模型分析、在線覆冰監(jiān)測和在線融冰控制3類。其分別解決了驗證氣象學(xué)模型、監(jiān)測現(xiàn)場覆冰和舞動，及時給出除冰信息和對整個融冰過程自動控制和監(jiān)測，并分析除冰效果等問題。

2.2 稱重法

稱重法的基本原理為：由于導(dǎo)線覆冰的原因，會導(dǎo)致桿塔發(fā)生一定量的傾斜，通過測量桿塔傾斜的大小和收集相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)，模擬導(dǎo)線覆冰后重量增加的情況，反推線路覆冰的厚度，從而根據(jù)相關(guān)公式計算出覆冰的狀況。對于一段架空線，通過對無覆冰和覆冰兩種狀態(tài)的對比，得到覆冰狀態(tài)下導(dǎo)線的應(yīng)力，再利用狀態(tài)方程計算水平應(yīng)力、導(dǎo)線長度、垂直荷載的變化求解架空線路覆冰的等效厚度。該方法簡單易行、可靠性高，但受環(huán)境影響較大，從長期來看不利穩(wěn)定運(yùn)行。架空線路的水平應(yīng)力方程為[4-5]

式中，0為導(dǎo)線的初設(shè)計溫度；ice為覆冰溫度；0為導(dǎo)線固有的水平應(yīng)力；為導(dǎo)線的溫度膨脹系數(shù)；為導(dǎo)線的彈性系數(shù)。

2.3 導(dǎo)線傾角法

導(dǎo)線傾角法就是根據(jù)傳感器測量出來的線路參數(shù)，如覆冰狀態(tài)下導(dǎo)線的傾角和弧垂等，再結(jié)合實時的氣象數(shù)據(jù)，利用狀態(tài)方程來計算出導(dǎo)線覆冰的厚度。此方法在簡化不規(guī)則計算方面有其便利之處，但是當(dāng)導(dǎo)線覆冰不均勻時，計算的結(jié)果與實際情況有較大的出入。輸電線路的狀態(tài)方程和此狀態(tài)下覆冰厚度方程分別為[6-7]

3 覆冰線路的除冰方法

目前輸電線路除冰的方法有幾十種，常用的除冰方法有機(jī)械除冰法、熱力除冰法、混合除冰法等。

3.1 機(jī)械除冰

機(jī)械除冰是一種簡單的除冰方式，即一般直接使用人工除冰、滾筒除冰、機(jī)器人除冰、沖擊波機(jī)械法等。使用機(jī)械方法來破碎相同大小的冰塊所需能量遠(yuǎn)低于熱力法，約為熱力方法所需能量的1/200，但在實際應(yīng)用中，機(jī)械除冰方式的能量效率范圍為3%～4%。機(jī)械除冰的方式雖然簡單，但除冰效率較低，使用受環(huán)境地形影響較大，不利于大面積推廣使用。

3.2 短路與熱力除冰法

目前最有效的除冰方式有短路和熱力除冰法。短路是利用導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁力，使導(dǎo)線相互撞擊從而達(dá)到除冰的效果；熱力除冰法是利用的原理為焦耳效應(yīng)，其主要包括交流或直流融冰法、方式融冰法等。

1）短路融冰法。指由一端供電而另一端短路，使線路一側(cè)中的短路電流增大，短路電流的增大會使導(dǎo)線產(chǎn)生電磁力，在電磁力的作用下導(dǎo)線會相互撞擊，從而使導(dǎo)線覆冰脫落，達(dá)到除冰的目的。面對架空線路覆冰問題，國內(nèi)外都在短路除冰方面積累了一定的經(jīng)驗。當(dāng)選擇這種除冰方式時，會增加相應(yīng)的輔助設(shè)備，如為實現(xiàn)短路而在短路側(cè)加裝開關(guān)設(shè)備等。

2）交流融冰法。不管是交流電還是直流電，當(dāng)有電流流過導(dǎo)線時，導(dǎo)線都會發(fā)熱。對于現(xiàn)在的電網(wǎng)來講，大部分采用的是交流輸電，這就可以直接利用自己電網(wǎng)的交流電來進(jìn)行融冰，從而達(dá)到降低費(fèi)用的目的。當(dāng)面對長距離輸電時，為了滿足融冰功率的要求，要提供能夠滿足要求的融冰電壓，從而獲得滿足要求的電流[8]。

3）方式融冰法。這種方法不需要加入其他的附加設(shè)備，僅僅是通過改變電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。但一般而言，正常運(yùn)行的輸電線路所產(chǎn)生的負(fù)荷電流相對于能達(dá)到融冰的電流還較小，產(chǎn)生的熱量不足以防止線路結(jié)冰或者除冰。所以要想用這種方式融冰，就必須改變線路的正常運(yùn)行方式，從而滿足負(fù)荷電流所產(chǎn)生的熱量能達(dá)到融冰的要求。這種方法一般用在單分裂導(dǎo)線中，考慮到融冰電流較大和對電網(wǎng)穩(wěn)定性，對于多分裂導(dǎo)線而言，一般不用此 方法。

4 結(jié)論

從以上的論述不難發(fā)現(xiàn)，目前，不管是在架空線路覆冰機(jī)理的分析方面，還是對架空線路覆冰的監(jiān)測方面，或者是對架空線路除冰方式的選擇方面都存在一定的問題。對于架空線路覆冰問題依舊沒有很好的解決方法。未來除了在設(shè)計之初對線路做合理規(guī)劃，對現(xiàn)有方法做細(xì)致分析和研究外，伴隨著大數(shù)據(jù)和人工智能的快速發(fā)展，在對架空線路覆冰問題上，可以使之與之相結(jié)合，使得不管是在覆冰形成機(jī)理分析方面，還是在監(jiān)控模型分析優(yōu)化方面，或者是在除冰方式的選擇等問題上，都能得到很好的優(yōu)化或解決。

[1] 蔣興良, 易輝. 輸電線路覆冰及防護(hù)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2002: 26-56.

[2] 全明睿. 防污閃復(fù)合材料(PRTV)在±800kV特高壓直流輸電線路中的應(yīng)用[J]. 電氣技術(shù), 2016, 17(7): 129-131.

[3] 許俊, 郭耀杰, 曹珂, 等. 考慮多檔導(dǎo)線及絕緣子串影響的覆冰及脫冰輸電導(dǎo)線找形分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(13): 87-91.

[4] 陳金熠, 范春菊, 胡天強(qiáng). 考慮架空線路狀態(tài)的線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2012, 40(15): 93-98.

[5] 段杰, 王秀麗, 侯雨伸. 基于模糊專家系統(tǒng)的輸電線路分段冰風(fēng)荷載等效停運(yùn)率模型[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2016, 31(8): 220-228.

[6] 周恩澤. 高壓架空輸電線路覆冰在線監(jiān)測方法的研究[D]. 北京: 華北電力大學(xué), 2015.

[7] 李銀華, 韓郡業(yè), 王婷. 架空電力線覆冰監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 電力自動化設(shè)備, 2009, 29(11): 112-115.

[8] 李川江, 王徭, 焦明曦, 等. 基于網(wǎng)損最小與供電能力最大目標(biāo)的長春地區(qū)66kV聯(lián)絡(luò)線功率調(diào)整方法[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(10): 45-49, 99.

An Overview of the Research Situation on the Covering Ice of Overhead Lines

Li Hongkun Chen Fangfang Gao Xin

(School of Electrical and Information Technology, Yunnan Minzu University, Kunming 650000)

We first gave an introduction in this paper to the present situation of covering ice of overhead lines in china, the harms caused by covering ice on the line and types of covering ice of overhead lines in China, reasons and conditions of the formation of covering ice, as well as the influence of different types of covering ice on power grid. Then, we introduced the current research situation of covering ice of overhead lines both at home and abroad, among which the research methods include online inspecting, weighing and dip-angle of wire. What’s more, some methods of mechanical deicing, short circuit and thermal deicing and the respective conditions of using them were also mentioned in this paper.

overhead lines; covering ice; online inspection; deicing