架空地線融冰自動接線裝置的技術(shù)研究

王鄭，葉鵬，冒新國 ，汪晶晶，李新春

（1.超高壓輸電公司貴陽局，貴州貴陽，550081；2.江東金具設(shè)備有限公司，江蘇南通，226000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)高速增長，能源問題成為當(dāng)今社會關(guān)注的一大焦點(diǎn)，為了實現(xiàn)我國有限能源資源的高效利用，更大范圍內(nèi)優(yōu)化配置電力資源，規(guī)劃建設(shè)了大量高壓、特高壓電網(wǎng)，其安全穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要[1]。在架空輸電線路中，覆冰災(zāi)害是最典型的災(zāi)害之一，當(dāng)線路覆冰嚴(yán)重時，會使線路弧垂變大，當(dāng)線路發(fā)生風(fēng)振舞動時，線路間較易發(fā)生閃絡(luò)，嚴(yán)重時可使線路跳閘，從而影響線路正常運(yùn)行，同時鐵塔兩側(cè)的覆冰厚度差異較大,塔頂受到不平衡的張力會增大,當(dāng)鐵塔被覆蓋時,不平衡的張力會增大。當(dāng)塔不能承受這種載荷,最終會導(dǎo)致線桿掉落或桿塔坍塌。相對線可以將兩個相線短接成回路,地線則需要電力供應(yīng)人員暫時短接導(dǎo)地線,傳統(tǒng)融冰方法需要人工登塔,安全隱患很大。

因此，研究一種安全可靠地線自動融冰接線裝置是非常必要的。目前，國內(nèi)僅有一種地線自動融冰接線裝置，雖然可實現(xiàn)導(dǎo)地線連接，但其具有重量大、穩(wěn)定性差、通用性差等缺點(diǎn)。積極研究架空地線融冰技術(shù)和其相應(yīng)的小型化地線融冰裝置，對我國電力系統(tǒng)控制和抵御冰雪災(zāi)害、提高輸電線路的運(yùn)行可靠性具有重要意義。

1 輸電線路地線融冰現(xiàn)狀概述

■1.1 融冰機(jī)理分析

為實現(xiàn)地線融冰，將覆冰區(qū)架空地線絕緣起來[2]，利用地線自動融冰接線小型化裝置使導(dǎo)地線連接起來，使地線上電流通入地線，使其獲得足夠大的電流，產(chǎn)生的熱量使地線溫度在短時間內(nèi)升高，從而使將地線表面覆冰融化。

輸電線路覆冰是一種熱量交換過程，其主要通過傳導(dǎo)、對流和蒸發(fā)實現(xiàn)，大氣中的水遇到低溫，低于其凝固點(diǎn)，從而放熱在線路覆冰，覆冰過程即環(huán)境溫度低于水分凝固點(diǎn)，當(dāng)有風(fēng)速時，水分在地線表面運(yùn)動，從而在地線表面形成覆冰。 varga 和 bejan 在1994年對覆冰柱體內(nèi)部的融冰進(jìn)行了研究,這一問題類似于現(xiàn)在線路的融冰問題[3]。根據(jù)他們研究，建立相應(yīng)的融冰模型，如圖1所示。

圖1 融冰過程模型

根據(jù)模型,融冰過程大致可分為兩階段,第一個階段是圓柱體被冰完全包圍的融冰,第二個階段是圓柱體被冰剪破后,使冰脫落在圓柱體上,當(dāng)冰和圓柱體的接觸角較小時,這個時候冰的重量將大大于與圓柱體表面的冰層接觸,覆冰將從地面脫落出來。

■1.2 融冰電流計算

在進(jìn)行覆冰傳熱分析中,對地線在通流情況的覆冰過程進(jìn)行有效的分析,地線融冰主要通過傳輸電流或采用短接電流等輸電方式,將電能轉(zhuǎn)化成熱能達(dá)到地線融冰的目的。由于地線融冰電流受地線長度和熱穩(wěn)定性等多種因素影響,即地線融冰電流不允許超過其最大允許負(fù)載電流,同時不允許低于其融冰過程的最小融冰電流,目前氣象預(yù)報可信性越來越高,可預(yù)先得知易于發(fā)生地線覆冰的雨、雪天氣,可提前計算融冰臨界電流[4]。找出最大融冰電流和最小融冰電流，對做好地線融冰接線裝置設(shè)計具有重要意義。

根據(jù)以上兩種物理覆蓋到冰率的模型，當(dāng)?shù)孛婧途€路的表面周圍有厚厚冰層時，地面天線就會包裹在一起，按照不同單條線路地面天線的使用情況進(jìn)行分析,定義了單條線路的全部熱量，在覆蓋到冰層的過程中,地面天線和周圍冰層的部分外力和輻射就會損失,熱量就會降低。定義線路熱量為Q1，覆冰過程中地線和冰層部分對外輻射和損耗熱量為Q2。

圖2 覆冰物理模型

式中Ir為地線通過的電流平均值，L為地線長度，r為地線半徑，R0為單位線路直流電阻值，設(shè)地線溫度為Tx，地線冰層表面溫度為tT，融冰環(huán)境溫度為Te，t為融冰時間，地線任意一點(diǎn)M與基準(zhǔn)線角度為a，那么M點(diǎn)和地線間的交換熱量為：

Q1a為M處交換熱量，Ra為M處的熱阻。此時M點(diǎn)和外界的交換熱量公式為：

式中h為地線覆冰層表面與空氣的熱交換系數(shù)，l為M點(diǎn)到地線中點(diǎn)的長度距離。

地線覆冰時的Tx≤ 0 ℃，此時冰層無法吸收足夠的熱量融冰而使地線上的覆冰加厚，那么就有Q1＜Q2，由公式可得，增加Tx可使Q1增大，地線通過電流產(chǎn)生焦耳熱使得地線溫度升高，當(dāng)Q1=Q2時進(jìn)入臨界狀態(tài)，進(jìn)一步加大融冰電流，隨著Tx的增大Q1增大，覆冰層開始吸收熱量向液態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，同時環(huán)境溫度Te的增加可使Q2降低，而Q1=Q2，進(jìn)入臨界狀態(tài)，隨著Te的進(jìn)一步增加導(dǎo)致Q2減少，那么就可在冰與地線層間因熱量交換過程中融化。

因此，當(dāng)?shù)鼐€開始融冰后，Q1＞Q2。定義Q3為融冰過程中冰液化所吸收的熱量以及地線與覆冰層的熱增加值，則Q3=Q1?Q2，隨著Q3的增加，覆冰層開始吸收熱量，由內(nèi)向外呈現(xiàn)液化趨勢，會產(chǎn)生一個液體層，使覆冰附著力減小，地線開始進(jìn)入脫冰過程，根據(jù)相關(guān)公式，融冰期間的融冰能力還與覆冰厚度，風(fēng)速，與分布均勻度有關(guān)。

為了更好地說明，以JL/G1A? 3 00/15,線路來計算地線的最大電流和最小融冰電流，使覆冰全部融化所需要的熱量，計算最大融冰電流值，忽略Q2，僅需計算Q3。將地線的截面等效為圓柱形，長度為設(shè)為L，半徑設(shè)為r，地線密度為P地，體積為V地，地線的比熱容為C地，設(shè)初始溫度為?5oC，冰的密度為P地，比熱容為C地，融化熱為K。計算出地線覆冰體積為：

代入公式計算可得471A。

由此可以得出，該線路通電電流大于471A，所產(chǎn)生的熱量不會導(dǎo)致地線結(jié)冰，同時電流小于1350A時，所產(chǎn)生的熱量不會損壞地線。

■1.3 最小融冰電流計算分析

架空輸電線路的最小融冰電流與眾多因素有關(guān)，如風(fēng)速、環(huán)境溫度、覆冰層厚度、融冰時間等。通過研究各種因素對最小融冰電流的影響，得出相關(guān)規(guī)律，以JL/G1A? 3 00/15地線為研究對象，計算幾種外部因素與融冰電流的關(guān)系。具體詳見圖3-圖5（覆冰厚度10mm,融冰時間1h）。

圖3 最小融冰電流與環(huán)境溫度關(guān)系

圖4 最小融冰電流與覆冰厚度關(guān)系

圖5 最小融冰電流與融冰時間關(guān)系

從圖3可知，環(huán)境溫度與地線溫度差對最小融冰電流影響很大，經(jīng)過計算可以得出，環(huán)境溫度每下降2℃，則最小融冰電流增加15A-25A。

從圖4可知，覆冰厚度與最小融冰電流關(guān)系很大，覆冰厚度每增加5mm,融冰電流需要增加10-20A，一般情況，覆冰厚度超過5mm就要啟用融冰過程，否則覆冰厚度會很快增加，從而導(dǎo)致融冰電流增加，增加融冰難度。同時覆冰厚度增加，加大了線路弧垂，桿塔發(fā)生倒塌的風(fēng)險大大增加。

從圖5可知，融冰時間越長，最小融冰電流越小，隨著融冰時間增加，其變化趨勢較為平緩。

通過對幾種典型的地線外部因素與融冰電流的關(guān)系，得出相關(guān)結(jié)論，為地線自動融冰接線小型化裝置研究提供堅實的理論基礎(chǔ)。

2 自動融冰接線裝置小型化研究

■2.1 地線自動融冰接線方式現(xiàn)狀

國內(nèi)外已成功運(yùn)行的直流融冰裝置工程中，諸多成熟的直流融冰技術(shù)和直流融冰裝置設(shè)備應(yīng)用于電網(wǎng)，這為文章論及的技術(shù)研究的可行性奠定了良好的理論和實踐基礎(chǔ)[5]，在地線融冰過程中，對于導(dǎo)地線連接裝置是一個值得研究的問題，目前，大部分場合需要快速融冰，從而恢復(fù)供電，這就需要融冰工作快捷、操作簡單，并可自動完成，研究這樣的連接方式具有重要的意義。

目前，地線融冰自動接線方案能實現(xiàn)自動化接線，避免了運(yùn)維人員登塔，但現(xiàn)有的自動融冰接線裝置，雖然實現(xiàn)了自動接線，但其實現(xiàn)需要定制化設(shè)計，不同電壓等級關(guān)鍵參數(shù)不同，需要專門的設(shè)計。同時，現(xiàn)有裝置存在穩(wěn)定性差，在低溫冰凍條件不易打開等缺點(diǎn)，且裝置體積較大，不利于登塔安裝。

■2.2 自動融冰小型化接線方案

本次設(shè)計開發(fā)的小型化融冰接線裝置，采用渦輪蝸桿大減速器、伸縮導(dǎo)電桿、自鎖式合流裝置，絕緣部分采用整體絕緣方式，與原先的自動融冰接線裝置相比，不需要安裝多個絕緣子方式絕緣，從而大大減少了裝置體積與重量，同時伸縮桿可實現(xiàn)1-6m范圍伸縮，可適應(yīng)不同高度桿塔自動融冰接線裝置。如圖6(a)所示，小型化融冰裝置處于開合狀態(tài)，合流線夾位于桿塔橫擔(dān)下方，融冰時，操作相應(yīng)的電氣電路控制系統(tǒng)，啟動傳動機(jī)構(gòu)帶動導(dǎo)電桿打向跳線串合流線夾，合流到達(dá)相應(yīng)位置后，碰觸相應(yīng)的電氣開關(guān)，傳動機(jī)構(gòu)將自動停止，導(dǎo)、地線之間實現(xiàn)電氣連接，從而使地線帶電，進(jìn)而開始融冰，如圖6(b)所示。

圖6

(1)合流取電器

合流取電器主要由合流線夾和取電器構(gòu)成。合流線夾的作用是將分裂架空地線上的電流匯集并通過導(dǎo)電桿最終傳輸至架空地線。取電器與導(dǎo)線相連，將導(dǎo)線上的電流匯入合流線夾，進(jìn)而通過融冰裝置導(dǎo)入地線，合流線夾是整個裝置的關(guān)鍵通電零部件，其自身的冰雪防護(hù)也是非常重要的。因此，合流線夾設(shè)計有專門的冰雪保護(hù)罩。具體設(shè)計如圖7所示。

圖7

(2)金具串

金具串的作用是懸掛合流取電器，同時滿足線路絕緣要求，避免桿塔帶電，同時使合流線夾與小型化融冰裝置傳動機(jī)構(gòu)的位置固定，以便合流取電裝置長度固定，增強(qiáng)裝置的通用性。

(3)傳動機(jī)構(gòu)

傳動控制機(jī)構(gòu)的工作功能主要是通過傳動控制系統(tǒng)對直流傳動電機(jī)的快速反轉(zhuǎn)進(jìn)行帶動并對導(dǎo)電器元件進(jìn)行自動開合,實現(xiàn)傳動設(shè)備的快速合閘和自動開閘。

傳動機(jī)構(gòu)是裝置實現(xiàn)開合閘的核心部分，傳動裝置的穩(wěn)定性及效率直接決定了整個裝置的穩(wěn)定性及效率，本次的傳動機(jī)構(gòu)支撐板件均采用高強(qiáng)度的鋁合金7075T651制作，在降低重量的同時提高了強(qiáng)度，同時優(yōu)化配置結(jié)構(gòu)，采用大減速比傳動，減速比為3000:1，可有效降低裝置重量，同時提高裝置的扭矩，同時減少了傳動環(huán)節(jié)，使傳動更加平穩(wěn)。

由于架空地線融冰裝置在均在戶外工作，工作環(huán)境為雨雪天氣，無交流220V或380V電源供裝置使用，本次融冰裝置電源采用可攜帶式的直流蓄電池作為自動融冰裝置轉(zhuǎn)動合閘的工作電源，為直流電機(jī)提供電能。直流電機(jī)經(jīng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)輸出足夠的扭矩帶動合流線夾實現(xiàn)合閘，使導(dǎo)線和地線導(dǎo)通。

(4) 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)通過控制電機(jī)進(jìn)一步控制傳動機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)，本小型化裝置采用繼電器加各種傳感器控制，可調(diào)整合閘速度，裝置到達(dá)相應(yīng)位置會觸碰相應(yīng)的行程開關(guān)，自動斷電，即便電氣控制系統(tǒng)失效，由于渦輪蝸桿減速器具有自鎖功能，各部件也會停留在原位。

本次控制采用的是按鈕加遙控方式控制，控制箱和遙控均采用移動式連接，當(dāng)使用的時候，將控制箱通電即可，同時也可通過遙控控制方式對裝置進(jìn)行控制，使操作更加快捷有效。

(5)裝置防護(hù)

由于整個裝置工作環(huán)境為雨雪天氣，傳動部件和合流線夾的覆冰會導(dǎo)致整個裝置功能失效，因此裝置防護(hù)作用舉足輕重，本裝置對各部分有專門的雨雪防護(hù)。

(6)聯(lián)塔設(shè)計

地線自動融冰裝置通過高強(qiáng)度鋁板與鐵塔固定，根據(jù)塔型設(shè)計，有效的避開鐵塔角鋼和橫擔(dān)結(jié)構(gòu)，方便裝置與鐵塔的安裝。

(7)伸縮導(dǎo)電桿

地線融冰自動接線裝置的通流主要是通過伸縮導(dǎo)電桿和合流裝置之間的接觸來實現(xiàn)的。由于導(dǎo)電桿具有一定的長度，因此導(dǎo)電桿應(yīng)考慮其強(qiáng)度是否滿足使用要求。這里，我們選擇7075高強(qiáng)度鋁合金管和鋁合金板作為導(dǎo)電桿的主材，同時在各節(jié)桿之間采用彈簧觸指進(jìn)行硬密封，同時，導(dǎo)電桿使用氣動方式進(jìn)行收縮，經(jīng)試驗，設(shè)計的導(dǎo)電桿不僅可以滿足600A的通流要求，其強(qiáng)度也能滿足使用要求。

伸縮導(dǎo)電桿與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相連接,可快速實現(xiàn)小型化融冰裝置的開合閘,其主要功能是將合流取電器的電流引至架空地線，從而使地線上覆冰融化。

■2.3 防護(hù)裝置

本次設(shè)計的防護(hù)裝置包括合流導(dǎo)電器的保護(hù)、及伸縮導(dǎo)電桿鎖緊機(jī)構(gòu)，以及其余重要部位雨雪防護(hù)設(shè)計。

(1)鎖緊機(jī)構(gòu)

伸縮導(dǎo)電桿鎖緊機(jī)構(gòu)其主要防止伸縮導(dǎo)電桿脫落，在裝置不使用的情況下將導(dǎo)電桿鎖緊，并承受導(dǎo)電桿大部分重力，防止導(dǎo)電桿掉落，同時解決線路感應(yīng)電壓問題，其由兩部分組成，電動伸縮推桿和伸縮導(dǎo)電桿上的鎖環(huán)，其中鎖環(huán)安裝在伸縮導(dǎo)電桿上。

(2)防護(hù)罩

為防止冰雪覆蓋對合流線夾端部觸頭進(jìn)行冰雪覆蓋，從而影響合流線夾的正常工作，為此，設(shè)計了合流線夾防護(hù)罩。

■2.4 電路控制裝置

本次自動融冰裝置包括直流電源、按鈕、電源線、信號線、接觸器等零部件，電氣控制裝置用來控制自動融冰裝置正反轉(zhuǎn)，以及導(dǎo)電桿伸縮，合閘，同時控制鎖緊機(jī)構(gòu)開鎖、閉鎖，自動融冰接線裝置所有控制均集成在電氣控制箱內(nèi)。

(1) 電氣控制箱

本次采用的電氣控制箱重量輕、體積小便于攜帶。工作模式按運(yùn)行方式可分為正常、應(yīng)急、人工三種模式。本次設(shè)計的電氣控制箱，通過按鈕和遙控控制，融冰時，根據(jù)需要，只在按下電氣控制箱的按鈕，即可使導(dǎo)、地線間連接，無需施工人員登塔接線，避免了相應(yīng)的安全事故，同時，導(dǎo)地線連接只需30s，可使導(dǎo)線電流快速導(dǎo)入地線，有效把握了地線融冰的最佳時間，大大縮短輸電線路停電時間。

(2)鎖線柜

在夏季及不結(jié)冰季節(jié)期間，需要對的電源線、信號線、氣管進(jìn)行防護(hù)，為此設(shè)計了相應(yīng)的鎖線柜，鎖線柜安裝于距地面5米的橫擔(dān)上。當(dāng)完成地線融冰時，將電源線及其他線放于鎖線柜中，有效防止雨雪對線路的損壞，同時可起到防盜作用。

3 地線融冰接線裝置試驗

自動融冰接線小型化裝置的通流能力及裝置穩(wěn)定性是考察裝置融冰性能的重要指標(biāo)，為此進(jìn)行了如下幾個試驗：

■3.1 導(dǎo)流效果驗證試驗—電阻溫升及熱循環(huán)試驗

為檢驗自動融冰裝置的導(dǎo)電能力，對伸縮導(dǎo)電桿進(jìn)行了電阻溫升及相應(yīng)的熱循環(huán)試驗。測試裝置在600A，800A，900A三種不同電流情況下，各零部件的發(fā)熱情況，通流時長為不小于4h,試驗情況均滿足線路融冰要求。

■3.2 合閘功能試驗

由于本次自動融冰接線裝置合閘均在低溫戶外進(jìn)行，受熱脹冷縮、風(fēng)力等眾多惡劣環(huán)境影響，合流取電器的位置受環(huán)境的影響較大。因此合流線夾防偏設(shè)計是非常必要的，根據(jù)相關(guān)的偏置數(shù)據(jù)，取電器的位移偏差一般為不超過70mm,通過相應(yīng)的試驗測試，當(dāng)伸縮導(dǎo)電桿與合流取電器之間的相對位置向兩側(cè)偏移150mm時，自動融冰裝置仍然能夠合閘，滿足現(xiàn)場融冰要求。

4 自動融冰小型化接線國內(nèi)同類技術(shù)對比分析

目前，國內(nèi)關(guān)于地線融冰裝置資料較少。近年有單位研發(fā)出地線融冰的裝置。2011年12月，國內(nèi)首套導(dǎo)地線直流融冰裝置在昭通市220kV大鎮(zhèn)線實施實際帶地線升流、帶地線升流獲得成功。2012年4月，湖南電科院首次研制了滿足5～25km農(nóng)配網(wǎng)長線路、滿足5km 及以下農(nóng)配網(wǎng)短線路融冰和滿足400m 以內(nèi)超短線路融冰需求的系列融冰裝置，并實施了多次現(xiàn)場直流融冰；但其所研制的地線融冰裝置需在融冰前上塔在地線上纏漆包線。綜上可見，盡管近幾年國內(nèi)已相繼研制出了不同型式的地線融冰裝置，但是地線融冰自動接線裝置仍未見報道。本項目研制的地線融冰自動接線裝置具有性能安全可靠、自動化程度高、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，施工人員直接于塔底操作電氣控制箱，即可輕松實現(xiàn)導(dǎo)、地線之間的連接，可消除施工人員上塔操作的危險性；另外，裝置整個操作過程僅需3分鐘，可大大縮短線路停運(yùn)的時間，節(jié)約電力建設(shè)成本。

2013年，國內(nèi)某廠家研究出了地線融冰裝置，施工人員直接于塔底操作電氣控制箱，雖然可實現(xiàn)導(dǎo)、地線之間的自動連接，一定程度上消除施工人員上塔操作的危險性，但其體積大，重量大，導(dǎo)電桿得根據(jù)跳線串高度定做，需要對鐵塔橫梁進(jìn)行改造，通用性差、安裝不便。

本項目研制的地線融冰自動接線小型化裝置具有性能安全可靠、自動化程度高、體積小操作簡便、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，施工人員直接于地面按下電氣控制箱上的按鈕，即可輕松實現(xiàn)導(dǎo)、地線之間的快速連接，可消除施工人員上塔操作的危險性；另外，裝置整個操作過程僅需30s，可大大縮短線路停運(yùn)的時間，節(jié)約電力建設(shè)成本，表1為對比分析報告。

表1 國內(nèi)同類技術(shù)對比分析

5 裝置試運(yùn)行情況

2020年試驗成功初至今，已有多套自動融冰接線小型化裝置在電網(wǎng)系統(tǒng)多條輸電線路工程中安裝，順利實現(xiàn)地線快速融冰，大大縮短了線路融冰時間，大大減少了冰災(zāi)對電網(wǎng)輸電線路造成的危害。

6 結(jié)論

本次設(shè)計的地線融冰小型化裝置,操作人員于只需在地面操作電氣控制箱按鈕,通過裝置即可輕松實現(xiàn)架空輸電線路導(dǎo)地線的連接、可實現(xiàn)自動接線，時間僅需要30S左右,可在冰層剛形成時有效把握融冰的最佳時機(jī),大大縮短了輸電線路停運(yùn)時間,避免長時間停電給電網(wǎng)帶來巨大損失。裝置中的全部部位均有雨雪、冰凍防護(hù)罩,保證了在覆冰狀態(tài)下的安全應(yīng)用。地線融冰裝置可穩(wěn)定運(yùn)行。通過現(xiàn)場運(yùn)行效果來看,地線融冰自動接線小型化裝置導(dǎo)流能力強(qiáng)、操作安全性高,應(yīng)急預(yù)案有效。