輸電線路地線融冰接線裝置的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀

徐望圣，曹偉偉，陸桂來

（1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司貴陽局，貴州 貴陽 550081；2.南京電力金具設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 211500）

1 引言

我國電力資源總量較為豐富，但是分布極為不均。陸地上可利用的風(fēng)電資源大多在三北地區(qū)，即東北、華北和西北［1］；水電資源主要在西南地區(qū)，占國內(nèi)可開發(fā)利用的水資源總量的70%左右［2］，煤炭資源西多東少、南多北［3］。而我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)大多在東部，隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，東部地區(qū)對能源的需求將逐步增加。但是，由于多年來中東部地區(qū)大量燃燒煤炭，致使霧霾、酸雨頻發(fā)，其所在的環(huán)境已不大適合繼續(xù)發(fā)展火電廠。

未來我國能源生產(chǎn)和能源消費(fèi)的逆向分布現(xiàn)象會進(jìn)一步明顯［4］，即在電力資源豐富的地區(qū)建設(shè)發(fā)電廠，通過超、特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)把電力輸送到負(fù)荷中心，實現(xiàn)資源優(yōu)化配置，推動區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。其中，超、特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠是保證大容量、遠(yuǎn)距離輸電的基本條件。而我國歷來自然災(zāi)害頻發(fā)，尤其是西南地區(qū)的冰災(zāi)嚴(yán)重影響著輸電線路的運(yùn)行，據(jù)相關(guān)資料記載，僅2008年，因冰災(zāi)造成全國范圍內(nèi)電網(wǎng)停運(yùn)線路計39033條，變電站停運(yùn)2000多座，各電壓等級輸電線路因災(zāi)倒塔8000多基，造成經(jīng)濟(jì)損失以千億計［5-7］。

多年來，國內(nèi)外電力部門和科研院所針對輸電線路的覆冰問題進(jìn)行了大量的研究，提出了多種融冰、除冰和抗冰的方法。文獻(xiàn)[8]詳細(xì)介紹了熱力除冰法和電脈沖除冰法，指出短路融冰是行之有效的除冰方法，電脈沖除冰目前來說實用性不強(qiáng)；文獻(xiàn)［9］分析了國內(nèi)除冰機(jī)器人設(shè)計的概況，并詳細(xì)描述了除冰機(jī)器人機(jī)械本體結(jié)構(gòu)的研制過程，該除冰機(jī)器人使用前端固定的三角刀具進(jìn)行撞擊除冰，可實現(xiàn)除冰厚度20mm；文獻(xiàn)［10］從理論上闡述了超聲波除冰裝置的開發(fā)依據(jù)，通過仿真計算驗證了超聲波在輸電線路除冰應(yīng)用中的可行性，并最終完成了設(shè)計；文獻(xiàn)［11］描述了具有無功補(bǔ)償功能的大容量直流融冰裝置的研制和應(yīng)用情況；文獻(xiàn)［12-13］介紹了移動直流融冰裝置的研制和在南方電網(wǎng)的現(xiàn)場測試和使用過程。上述融除冰方式由于技術(shù)或經(jīng)濟(jì)等方面的原因，并非都適合于在輸電線路實際運(yùn)行中使用，目前成功應(yīng)用并且大范圍推廣的僅有熱力除冰法，特別是直流融冰法。該方法先將兩相或者三相導(dǎo)線短接，再將短接過的導(dǎo)線作為負(fù)載，由變電站施加直流電，利用大電流在導(dǎo)線上產(chǎn)生的熱效應(yīng)將導(dǎo)線上的冰雪融除。

理論上，地線完全可以參照導(dǎo)線的方式通直流電進(jìn)行融冰，文獻(xiàn)［14］以工程應(yīng)用為背景，對輸電線路地線的融冰時間和融冰電流進(jìn)行了模擬計算，可為地線融冰的設(shè)計提供有效參考。但是與導(dǎo)線不同的是，導(dǎo)線之間的短接可利用已有的高壓隔離開關(guān)設(shè)備實現(xiàn)，地線和導(dǎo)線的短接卻缺少專用的短接設(shè)備。為解決這一問題，國內(nèi)電力部門進(jìn)行了大量的研究，并且有了實質(zhì)性的進(jìn)展。

2 地線融冰手動接線裝置

2.1 地線融冰的接線方式

與導(dǎo)線直流融冰的方式類似，地線融冰是將地線作為負(fù)載，再將三相導(dǎo)線的其中兩相與其構(gòu)成回路，由站內(nèi)的直流融冰裝置施加電流，使地線發(fā)熱融除冰雪。常見的接線方案根據(jù)該線路所使用的地線類型有所不同，主要有雙普通地線接線方式和單根普通地線與單根OPGW的接線方式。

雙普通地線的接線方式，由地線分段并聯(lián)再連接兩相導(dǎo)線形成回路，如圖1所示。普通地線和OPGW的接線方式，因普通地線與OPGW的電阻不匹配，不適于并聯(lián)后一起通電融冰，所以將普通地線和OPGW分別與導(dǎo)線連接構(gòu)成回路，依次進(jìn)行融冰，如圖2所示。

圖1 雙普通地線接線方式Fig.1 Double Common Ground Wire Connection Mode

圖2 普通地線與OPGW接線方式Fig.2 Connection Mode Between Common Ground Wire and OPGW

以上接線方式的關(guān)鍵在于地線和導(dǎo)線構(gòu)成回路，最早是通過人工手動方式實現(xiàn)。

2.2 手動接線裝置的結(jié)構(gòu)及使用情況

地線融冰手動接線裝置主要包含融冰操作桿、電纜和取電器等，如圖3所示。取電器安裝在跳線上，將分裂導(dǎo)線的電流匯集，融冰操作桿在地線覆冰時由工作人員在鐵塔的橫擔(dān)操作，使操作桿頂部的夾頭夾持住取電器的引流銅棒，從而將導(dǎo)線的電流通過操作桿末端的電纜引至地線。

圖3 地線融冰手動接線裝置的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of Manual Wiring Device for Ground Wire Melting Ice

該接線裝置研制成功后，由南方電網(wǎng)公司進(jìn)行了安裝試運(yùn)行，如圖4所示。通過實際應(yīng)用驗證，使用該裝置可有效實現(xiàn)地線和導(dǎo)線的對接，單次地線分段融冰約耗時16h。

圖4 手動接線裝置操作實圖Fig.4 Practical Operation of Manual Wiring Device

同時，裝置的試運(yùn)行也暴露了幾個缺陷：一，作業(yè)人員在冰期登塔存在較大的墜落風(fēng)險；二，接線難度大且耗費(fèi)時間長，根據(jù)實測，平均每次接線工作至少在3h以上，主要原因在于高電壓等級的導(dǎo)線和地線距離較大，夾頭和引流銅棒很難完成對接；三，耐張轉(zhuǎn)角塔因為轉(zhuǎn)角角度問題，幾乎不可能在內(nèi)角側(cè)完成人工接線；四，裝置的防護(hù)效果差，過流的銅棒直接外露，易被覆冰。

為解決以上問題，南方電網(wǎng)公司聯(lián)合南京電力金具設(shè)計研究院有限公司，共同研制地線融冰自動接線裝置。

3 地線融冰自動接線裝置

3.1 自動接線裝置的結(jié)構(gòu)組成和運(yùn)行過程

地線融冰自動接線裝置類似于旋轉(zhuǎn)式的刀閘類開關(guān)，通過執(zhí)行合閘和分閘動作來完成導(dǎo)線和地線的接通和斷開。其主要結(jié)構(gòu)包括傳動機(jī)構(gòu)、開合導(dǎo)電器、保護(hù)設(shè)施、跳線串取電器、控制箱和電源等，如圖5所示。其中，傳動機(jī)構(gòu)、開合導(dǎo)電器、跳線串取電器和保護(hù)設(shè)施安裝于鐵塔上，開合導(dǎo)電器通過軟銅連接線與地線相連，跳線串取電器通過取電器與導(dǎo)線相連。在未融冰時，開合導(dǎo)電器處于水平位置，被保護(hù)設(shè)施內(nèi)的保護(hù)鎖懸掛，防止墜落。當(dāng)需要融冰時，操作人員攜帶控制箱和電源至鐵塔下，先通過沿塔而下的控制線和電源線與塔上的部件對接，依次完成保護(hù)鎖開鎖、開合導(dǎo)電器合閘動作，使地線與導(dǎo)線處于接通狀態(tài)，變電站開始通電融冰。融冰結(jié)束后再依次完成開合導(dǎo)電器分閘、保護(hù)鎖閉鎖動作，使裝置恢復(fù)未融冰時的狀態(tài)，之后斷開控制箱和電源，并將其帶回變電站妥善保管。

圖5 地線融冰自動接線裝置布置圖Fig.5 Layout of Automatic Wiring Device for Ground Wire Melting Ice

3.2 自動接線裝置的主要部件

3.2.1 跳線串取電器

跳線串取電器包括絕緣子串和取電器。絕緣子串用于保證鐵塔接地端到取電器高壓端的絕緣距離，設(shè)計中根據(jù)對應(yīng)的電壓等級選取不同規(guī)格的硅橡膠絕緣子。取電器用來獲取導(dǎo)線上的電流，其結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 取電器結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of Taking Current Equipment

取電器通過夾頭與分裂導(dǎo)線連接，在線夾本體上安裝有彈性觸指，合閘時觸指與開合導(dǎo)電器的觸頭緊密接觸。Y型導(dǎo)向板可有效避免因?qū)Ь€的不平衡張力、風(fēng)偏等因素，造成的不能有效合閘的問題。防護(hù)罩用來避免觸頭上直接覆冰，開口處的活動門在開合導(dǎo)電器碰觸下打開，在開合導(dǎo)電器遠(yuǎn)離后恢復(fù)。懸吊板用于連接跳線串，取電器的受力平衡和方向保持通過重錘片和配重片實現(xiàn)。

3.2.2 開合導(dǎo)電器

圖7 開合導(dǎo)電器結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of Open and Close Conductor

導(dǎo)電桿采用高強(qiáng)度鋁合金管焊接而成。觸頭為銅質(zhì)管，與導(dǎo)電桿通過銅鋁焊接固定。導(dǎo)電連接組件用于連接傳動機(jī)構(gòu)，其上還安裝了連接鐵塔地線的軟銅連接線。為防止開合導(dǎo)電器墜落，在其接近觸頭的位置安裝有可懸掛的門型防墜卡環(huán)。

3.2.3 傳動機(jī)構(gòu)

傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，如圖8所示。主要有直流電機(jī)、減速器、扭矩限制器、傳動軸、支撐絕緣子等部件組成。

圖8 傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure of Transmission Mechanism

直流電機(jī)提供動能，通過行星齒輪減速器和蝸輪蝸桿減速器構(gòu)成的二級減速傳送到開合導(dǎo)電器，總減速比達(dá)到1：120。蝸輪蝸桿減速器的自鎖功能可保持開合導(dǎo)電器在動作停止后始終處于當(dāng)前的狀態(tài)。直流電機(jī)的停轉(zhuǎn)通過扭矩限制器和限位開關(guān)實現(xiàn)，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的扭矩值后，扭矩限制器進(jìn)行分離，觸發(fā)限位開關(guān)傳出到位信號，切斷電機(jī)電源，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。為防止融冰時傳動機(jī)構(gòu)高壓端對低壓端放電，聯(lián)塔的低壓端和連接開合導(dǎo)電器的高壓端之間安裝支撐絕緣子，兩側(cè)運(yùn)動的傳輸也是通過絕緣傳動軸實現(xiàn)。

3.2.4 保護(hù)設(shè)施

保護(hù)設(shè)施主要由外殼保護(hù)罩和保護(hù)鎖組成，外殼保護(hù)罩可以有效防止開合導(dǎo)電器的觸頭在冬季被冰雪包敷，保護(hù)鎖的主要元件有推桿電機(jī)、限位開關(guān)和接觸桿等，如圖9所示。地線融冰自動接線裝置分閘到位時，開合導(dǎo)電器的門型防墜卡環(huán)頂住接觸桿使其另一端觸碰到限位開關(guān)，限位開關(guān)發(fā)出分閘到位信號使傳動機(jī)構(gòu)的電機(jī)停轉(zhuǎn)，然后控制推桿電機(jī)推出推桿，穿過防墜卡環(huán)，懸掛住開合導(dǎo)電器。合閘時動作相反，先縮回推桿，再使開合導(dǎo)電器離開接觸桿，限位開關(guān)狀態(tài)變化，傳出正在合閘信號。

圖9 保護(hù)鎖結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure of Protective Lock

3.3 推廣應(yīng)用情況

2013年，地線融冰自動接線裝置研制成功，同年共有8套裝置安裝于500kV施賢線貴州、廣西段線路進(jìn)行試運(yùn)行，2013年底到2014年2月，所安裝的8套裝置均多次完成導(dǎo)地線的連接，順利將導(dǎo)線上的電流引至地線，化解了地線覆冰給電網(wǎng)造成的危害。裝置實現(xiàn)了接線全程自動化，無需運(yùn)維人員上塔操作，單次地線融冰接線增加的停運(yùn)時間縮短近8h，減少高空人員作業(yè)5人/次［15］，融冰效率提高50%。

截止目前，地線融冰自動接線裝置在各電壓等級的交直流超高壓、特高壓線路共安裝使用了約300套，在每年的電網(wǎng)抗冰融冰工作中起著至關(guān)重要的作用。

1.2.2 術(shù)前準(zhǔn)備 常規(guī)婦科術(shù)前準(zhǔn)備。術(shù)前2～3 d陰道擦洗，術(shù)前12 h陰道后穹隆放置米索前列醇片400μg軟化宮頸。手術(shù)選擇在月經(jīng)干凈后3～7 d內(nèi)進(jìn)行。

4 地線融冰自動接線裝置遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

4.1 研究背景

自動接線裝置雖然解決了以往需人工登塔接線的問題，但是其仍需有人在鐵塔下進(jìn)行控制操作，由于每個融冰分段都要在首尾兩側(cè)安裝接線裝置，一條地線往往又有多個融冰分段，致使裝置具有極廣闊的分散性，每年冬季的地線融冰工作都需派遣多組人員至各個安裝點(diǎn)，占用了大量的人力和物力。而且大多數(shù)鐵塔位于偏遠(yuǎn)處，惡劣的路況和極端天氣帶來的危險性極大。此外，融冰操作需要反復(fù)辦理工作票，還要與電站進(jìn)行執(zhí)行情況匯報，既耗費(fèi)時間，又容易出錯。

電力行業(yè)已經(jīng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了對部分設(shè)備特別是線路檢修機(jī)器人［16-17］的遠(yuǎn)程控制，同時也實現(xiàn)了對輸電線路通道環(huán)境、導(dǎo)線舞動［18］、覆冰狀態(tài)［19］、桿塔傾斜［20］、人為破壞和異物入侵等非電參量的在線監(jiān)測。在實際應(yīng)用中獲得技術(shù)儲備的同時，各類輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)及其配套裝置的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也相繼出臺，為電力物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化鋪平了道路。

基于以上背景，南方電網(wǎng)公司2018年發(fā)布了《防冰抗冰三年行動方案》，將研究和推廣應(yīng)用防冰抗冰智能技術(shù)推上了日程。行動方案特別提出，對于地線融冰自動接線裝置，要實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和操作，以進(jìn)一步提高地線融冰工作的效率和安全性。截止目前，已開發(fā)應(yīng)用了一套功能較為齊全的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

4.2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和功能實現(xiàn)

地線融冰自動接線裝置遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要分布在鐵塔側(cè)和變電站側(cè)。鐵塔側(cè)布置有融冰遠(yuǎn)控機(jī)柜、視頻攝像頭、氣象傳感器、終端加密網(wǎng)關(guān)和光伏儲能電源裝置等設(shè)備，變電站側(cè)布置有企業(yè)級路由器、服務(wù)器、服務(wù)器加密裝置和控制主機(jī)等設(shè)備?？刂栖浖惭b于服務(wù)器內(nèi)。

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌鐖D10所示。

圖10 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.10 Network Topology of Remote Control System

鐵塔側(cè)的終端加密網(wǎng)關(guān)內(nèi)置4G 模塊，安裝有專用的定向APN物聯(lián)網(wǎng)卡，指向變電站的靜態(tài)IP地址，在加密網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器之間形成了封閉的GRE隧道，并且兩側(cè)互傳的指令和數(shù)據(jù)都會由配對的加密網(wǎng)關(guān)和縱向加密裝置按照電力專用國密SM2算法進(jìn)行加解密，保證了傳輸通道和數(shù)據(jù)的雙重安全。

得到融冰執(zhí)行命令后，電站的操作人員在控制主機(jī)上發(fā)送合閘或分閘動作指令，通過加密隧道傳達(dá)至遠(yuǎn)方的融冰遠(yuǎn)控機(jī)柜，融冰遠(yuǎn)控機(jī)柜使地線融冰自動接線裝置進(jìn)行分合閘動作，并將動作過程狀態(tài)數(shù)據(jù)和分合閘到位信號即時上報給終端加密網(wǎng)關(guān)，并由加密網(wǎng)關(guān)上傳至變電站服務(wù)器。服務(wù)器將得到的數(shù)據(jù)再反饋給控制主機(jī)，使工作人員能及時了解下發(fā)指令的執(zhí)行結(jié)果。若執(zhí)行過程中有意外出現(xiàn)，如分合閘不到位、設(shè)備故障等，會形成相應(yīng)的報警信號，由融冰遠(yuǎn)控機(jī)柜傳送至控制主機(jī)，向操作人員報警。

系統(tǒng)還具備氣象數(shù)據(jù)在線監(jiān)測、視頻監(jiān)測功能和儲能電池狀態(tài)監(jiān)測功能，為系統(tǒng)運(yùn)行提供各方面的參考。

4.3 地線融冰遠(yuǎn)程控制機(jī)柜

遠(yuǎn)程控制機(jī)柜是遠(yuǎn)控系統(tǒng)的核心控制設(shè)備，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖11所示。

圖11 地線融冰遠(yuǎn)程控制機(jī)柜結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Structure of Remote Control Cabinet for Ground Wire Melting Ice

機(jī)柜最底層為磷酸鐵鋰電池，可在現(xiàn)場光照不足的情況下為布置在鐵塔下的所有硬件提供連續(xù)30天工作的電能；第二層是轉(zhuǎn)接機(jī)箱，為各種硬件提供電源接口和接線端口，機(jī)箱內(nèi)還包含光伏控制器和避雷器等組件，保障電源系統(tǒng)的高效管理和安全運(yùn)行；第三層是控制機(jī)箱，內(nèi)有主控制模塊、終端加密網(wǎng)關(guān)和交換機(jī)，可對鐵塔側(cè)所有硬件設(shè)備進(jìn)行控制，以及完成與變電站之間的通信傳輸和數(shù)據(jù)加密；第四層為備用層，用來放置備用手動控制箱和常用檢修工具；最上層為活化電阻，用于配合主控制模塊對電池自動活化，有效防止電池過充。機(jī)柜側(cè)壁的散熱風(fēng)扇可在電池活化時自動運(yùn)行，降低機(jī)柜內(nèi)部溫度。

4.4 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的應(yīng)用情況

2020年10月底，兩套遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的控制設(shè)備在500kV施黎甲線進(jìn)行了安裝，如圖12所示。并在某500kV變電站內(nèi)啟動了控制平臺的試運(yùn)行。

圖12 現(xiàn)場安裝試運(yùn)行的遠(yuǎn)程控制機(jī)柜Fig.12 Remote Control Cabinet Installed on Site for Trial Operation

截止目前，系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行正常，變電站遠(yuǎn)程控制動作完成率達(dá)100%。對比地線融冰自動接線裝置的遠(yuǎn)程控制和原有的塔下就地控制，完成單次地線融冰接線增加的停運(yùn)時間在原有的基礎(chǔ)上又縮短了4h，融冰效率進(jìn)一步提升了50%。

5 未來發(fā)展趨勢展望

地線融冰接線裝置，從第一代人工手動接線裝置到第二代自動化接線裝置，再到第三代與物聯(lián)網(wǎng)融合實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作的智能化融冰產(chǎn)品，其功能越來越完善，使用越來越便捷，在保障輸電線路安全運(yùn)行的工作中起到的作用越來越大。

展望地線融冰接線裝置的未來發(fā)展，還可在如下幾個方面進(jìn)行研究。

一是研究APN／OPGW混合通信方式在遠(yuǎn)控系統(tǒng)中的應(yīng)用方法。通過采用無線傳輸和光纖有線傳輸互為備用的通訊方式提高地線融冰自動接線裝置遠(yuǎn)程控制的穩(wěn)定性。

二是研究更多的智能手段應(yīng)用于裝置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和運(yùn)維中。如使用AI（人工智能）技術(shù)提高裝置的分合閘狀態(tài)反饋的準(zhǔn)確率和時效性；使用AR（增強(qiáng)現(xiàn)實）技術(shù)提高裝置檢修工作的效率等。

三是研究開發(fā)地線融冰一鍵順控系統(tǒng)。最終將線路上的各類融冰開關(guān)和變電站內(nèi)的融冰專用設(shè)備統(tǒng)一控制，進(jìn)一步提高地線融冰的智能化水平、全面提升操作效率、降低操作風(fēng)險。

6 結(jié)論

這里分析了地線融冰接線裝置三代產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹了三代產(chǎn)品的試運(yùn)行和應(yīng)用情況。手動接線裝置初步實現(xiàn)了地線融冰前導(dǎo)地線的對接準(zhǔn)備工作，地線融冰自動接線裝置使用電氣化的手段解決人工上塔問題，使每次的地線融冰工作減少了線路停電時間約8h。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使地線融冰工作現(xiàn)場無人值守，可對線路上所有的地線融冰自動接線裝置集中管理。從手段接線裝置到遠(yuǎn)程控制自動接線裝置，使原先需要16h的融冰工作減少到4h，融冰效率大幅度提高。

地線融冰自動接線裝置及其遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可有效解決冰期的地線融冰接線工作，而且也符合國家大力發(fā)展智能電網(wǎng)的發(fā)展方向，具有極高的推廣應(yīng)用價值。