配電網(wǎng)融冰技術(shù)綜述

徐嘉欣，謝 雄，李達(dá)義，陳澤林

（1.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學(xué)附屬中學(xué)國際部，湖北 武漢 430074）

0 引 言

近年來，電網(wǎng)覆冰事故在全球范圍內(nèi)頻繁發(fā)生，對輸電線路的正常運(yùn)行產(chǎn)生了極大的影響，并給人們正常的生產(chǎn)生活造成了嚴(yán)重?fù)p失。為了使覆冰問題對電網(wǎng)的影響降到最低，電能得到順利輸送，國內(nèi)外就線路覆冰問題展開了研究并提出一系列融冰技術(shù)。

我國電網(wǎng)發(fā)展迅速，配電網(wǎng)覆蓋的范圍越來越廣闊，越來越多的配電線路架設(shè)在地形條件復(fù)雜、氣候惡劣的偏僻地區(qū)，其運(yùn)行受到自然條件尤其是冰凍災(zāi)害的嚴(yán)重影響，成為目前冰災(zāi)防治工作的難點(diǎn)。配電線路覆冰的防護(hù)手段與輸電線路和電網(wǎng)整體無異，主要使用電流融冰技術(shù)與機(jī)械除冰手段。但與輸電線比，配電網(wǎng)具有運(yùn)行電壓較低、鋁絞線橫截面積較小、分布廣、支線多以及線型復(fù)雜等特點(diǎn)，很多源自于高電壓等級的線路防冰方法并不完全適合直接應(yīng)用在低電壓的配電網(wǎng)線路中[1]。因此，針對配電網(wǎng)線路覆冰防護(hù)的研究工作是十分必要的。

本文將闡述線路覆冰的分類和形成機(jī)理，分析國內(nèi)外線路融冰技術(shù)的研究現(xiàn)狀，結(jié)合配電網(wǎng)的特點(diǎn)對這些融冰方法進(jìn)行評估，并提出未來配電網(wǎng)融冰技術(shù)的發(fā)展建議。

1 電力線路覆冰

1.1 電力線路覆冰機(jī)理

覆冰是目前對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行威脅最大的自然災(zāi)害，是一種受多因素影響的復(fù)合物理現(xiàn)象，涉及氣象、地理等方面。主要是受暖濕氣流和冷空氣影響，二者缺一不可，南方地區(qū)有時比北方地區(qū)更易發(fā)生覆冰災(zāi)害[2]。

從熱力學(xué)的角度對覆冰的過程進(jìn)行分析，覆冰本質(zhì)上就是水釋放熱量凝固的過程。云層中累積的冰晶首先遇到暖氣流，吸熱液化成水；水繼續(xù)下降遇到冷氣流迅速冷卻，這些雨滴雖然已經(jīng)降到0 ℃以下，但由于空中缺少凝結(jié)核，還無法形成雪花或冰，此時形成的水滴被稱為過冷水。當(dāng)這些過冷水接觸到溫度低于0 ℃的電力線路時會迅速釋放熱量凝固，并在導(dǎo)線上不斷累積成固態(tài)冰層，造成導(dǎo)線覆冰[3]。

1.2 電力線路覆冰災(zāi)害分類

根據(jù)形態(tài)、密度的不同，電力線路上覆冰可以細(xì)分為雪凇、霧凇、雨凇、混合凇4種類型[4,5]。

雪凇對線路的影響較小，因?yàn)槠涿芏刃?，本身不易在?dǎo)線上累積，大多可被自然風(fēng)力吹落，導(dǎo)線受力負(fù)擔(dān)小。

霧凇是指空氣中的水蒸氣在碰到溫度低于0 ℃的物體后直接凝華，在導(dǎo)線上形成的乳白色不透明的冰晶物[4]。霧凇的密度不高，易從附著物上脫落，一般不會造成嚴(yán)重電力事故。

雨凇是指過冷卻水滴遇到溫度低于0 ℃的物體后凝固凍結(jié)所形成的冰覆蓋層[6]。相較于其他形式的覆冰，雨凇密度更大，可以在條件適宜時持續(xù)增長，具有極強(qiáng)的破壞性，每年在我國湖南、四川等南方地區(qū)造成嚴(yán)重的影響。

混合凇由霧凇和雨凇交替在導(dǎo)線表面交替凍結(jié)形成的透明和不透明重疊的冰層，其特性和對電力線路的危害程度也介于二者之間。

2 電網(wǎng)融冰技術(shù)現(xiàn)狀分析

覆冰問題的嚴(yán)重性引起了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的重視，過去70年來，技術(shù)人員們對輸電線路的融冰方式和技術(shù)展開了研究，并取得了一定的成果，部分技術(shù)已投入使用。

目前，國內(nèi)外融冰技術(shù)主要有機(jī)械破冰法、熱力融冰法和其他除冰法。簡單劃分如圖1所示，本文主要介紹前兩類。

圖1 國內(nèi)外融冰技術(shù)分類

2.1 機(jī)械除冰法

機(jī)械除冰法是利用各種機(jī)械動力使冰內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力破壞，從導(dǎo)線表面脫離。利用人工進(jìn)行力學(xué)效應(yīng)破冰，主要包括地面敲打法、滑輪刮鏟法和電脈沖除冰法[7]。

2.1.1 地面敲打法

該方法是我國配電網(wǎng)目前使用的主要除冰方法，由操作員站在地面上使用竹竿等工具敲擊導(dǎo)線表面附著的冰層使其脫落[8,9]。這一方法全程需要人工參與，不僅效率低，而且存在安全隱患，敲冰中冰層脫落有一定幾率砸到工作人員。

2.1.2 滑輪刮鏟法

該方法也是人工除冰，但是在線路上安裝滑輪，工作人員不再需要用工具敲擊線路上的冰，只需要在地面上拉動滑輪，滑輪在線路上移動從而鏟除覆冰[10]。

得益于人工智能等科技的發(fā)展，目前已經(jīng)有可用于除冰的滑鏟機(jī)器人出現(xiàn)，該方法操作簡單且成本并不高昂，因此有較廣的應(yīng)用。

2.1.3 電脈沖除冰

電脈沖除冰是通過振動除冰，但是與其他裝置不同，它不再拘泥于使用外部裝置產(chǎn)生振動使冰層破裂，而是使用儲能電容對脈沖線圈進(jìn)行放電。線圈中會產(chǎn)生一個強(qiáng)磁場，在該磁場的作用下，線圈外部的冰層在反復(fù)收縮膨脹后破裂[11]。電脈沖技術(shù)除冰原理如圖2所示。

圖2 電脈沖技術(shù)除冰

該方法在局部除冰效果較好，當(dāng)線路較長時難以有效除冰，目前仍然處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

2.2 熱力融冰法

上述機(jī)械除冰法目前在國內(nèi)外多用于局部范圍內(nèi)的線路覆冰情況，作為一種輔助清除手段。對于大范圍長線路的覆冰問題，國內(nèi)外公認(rèn)的最有效的方式是熱力融冰法，即通過增加導(dǎo)線中的電流密度實(shí)現(xiàn)融冰。

2.2.1 離線融冰

（1）傳統(tǒng)交流短路融冰。

目前電網(wǎng)中的線路主要是交流，尤其是配電網(wǎng)，這為交流融冰提供了條件，易于直接融電網(wǎng)中取得融冰電源。

交流短路融冰是指在線路上設(shè)置1個短路點(diǎn)，利用短路時形成的線路大電流發(fā)熱融冰，該電流一般控制在臨界融冰電流和最大允許融冰電流之間。根據(jù)短路的故障類型，可以具體劃分為三相短路、兩相短路和單相短路融冰，實(shí)際應(yīng)用中，多使用三相短路提高融冰電流。

常規(guī)的交流短路直接使用變電站變壓器出線端作為融冰電源，無需另外配置，且只需對線路進(jìn)行短路，操作較為簡單，因此該方法成為了目前國內(nèi)外融冰技術(shù)的一大熱門。當(dāng)在配電網(wǎng)中使用該方法時，因?yàn)闊o需配置大容量的無功補(bǔ)償裝置，所以有更大的優(yōu)勢。

針對上述方法存在的融冰電壓無法調(diào)節(jié)的缺陷，又提出了可調(diào)電容串聯(lián)補(bǔ)償、多功能變壓器等改進(jìn)方案。

（2）可調(diào)電容串聯(lián)補(bǔ)償式融冰。

在線路中串聯(lián)一個電容器補(bǔ)償線路自身電感，因?yàn)樵撾娙萜骺烧{(diào)，所以線路中的短路電流可調(diào)，可以提供不同長度、線徑的線路所需要的融冰電流。另外，在接入電容器的同時還應(yīng)該配套增加保護(hù)裝置[12,13]，如圖3所示。這種方法適用性更廣，但由于增加了裝置，操作更加復(fù)雜，成本也有所提高。

圖3 可調(diào)電容串聯(lián)補(bǔ)償式交流融冰

（3）多功能變壓器融冰。

使用多功能融冰變壓器作為融冰電源，高壓側(cè)匝數(shù)可以通過有載開關(guān)調(diào)節(jié)，低壓側(cè)有多個抽頭，由此可以得到多種變比、多種融冰電流，適應(yīng)于不同融冰導(dǎo)線的長度以及線型。

多功能融冰變壓器能適應(yīng)線路長度的較大范圍變化的融冰及在融冰過程中電流的變化，主要用于對線路末端和支線進(jìn)行融冰，作為補(bǔ)充融冰手段。在非覆冰期，可作為1臺三相配電變壓器使用；在覆冰期，不僅可以作為融冰變壓器使用，還可以帶少量負(fù)載。

（4）直流短路融冰

直流短路融冰技術(shù)是目前國內(nèi)外融冰技術(shù)的另一大熱門[14-16]?，F(xiàn)代直流技術(shù)的發(fā)展和大電流可控整流元器件的開發(fā)，促進(jìn)了直流融冰技術(shù)的發(fā)展。直流融冰可用于直流線路或交流線路，直流線路多用于特高壓輸電線路，本文暫不討論，當(dāng)用于交流線路時多采用短路融冰法。

直流短路融冰與交流短路融冰基本原理相同，都是使用短路大電流加熱覆冰線路，區(qū)別在于直流短路法需要使用大容量整流裝置將交流電轉(zhuǎn)化為直流電流。直流融冰所需的電源容量取決于融冰線路的電阻和長度，在相同融冰電流需求下，直流融冰所需容量遠(yuǎn)小于比交流融冰，并且整流器的引入使得直流電壓可調(diào)控，因此適用于不同電壓等級融冰。

該技術(shù)在高壓直流輸電系統(tǒng)和高電壓等級交流輸電線路中有較大優(yōu)勢[17]。由于整流裝置產(chǎn)生諧波且自身成本較高在低壓配電網(wǎng)無明顯優(yōu)勢。

2.2.2 在線融冰

在線融冰是指在線路不停運(yùn)的前提下，增大線路電流實(shí)現(xiàn)線路融冰。相比前文提到的需要停電的融冰方案，供電可靠性更高，對正常的生產(chǎn)生活造成的影響較小。

目前提出的在線融冰方案有調(diào)整潮流法、增加無功電流法、移相變壓器法、分裂導(dǎo)線交替融冰法以及適用于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的零序電流融冰法。

（1）調(diào)整潮流融冰。

無須增設(shè)專用融冰裝置，而是通過電網(wǎng)電力調(diào)度調(diào)整潮流分布，往覆冰線路輸送更多功率，使線路中產(chǎn)生大電流、線路發(fā)熱量增加，以實(shí)現(xiàn)融冰。潮流調(diào)整常用方式有幾種，其中最有效的方式是停運(yùn)并聯(lián)線路，其他方式如轉(zhuǎn)移負(fù)荷、改變首末端開機(jī)容量等都沒有顯著效果。

輻射狀網(wǎng)絡(luò)的功率分布完全取決各點(diǎn)負(fù)荷，所以該方法不適用于輻射狀網(wǎng)絡(luò)。閉式網(wǎng)絡(luò)的自然功率分布與其阻抗成反比，可以調(diào)控，但由于環(huán)網(wǎng)自身的支撐能力，往往需要停運(yùn)多條并聯(lián)線路才能達(dá)到融冰的效果。配電網(wǎng)中接線方式多為輻射狀或環(huán)網(wǎng)，因此潮流調(diào)整手段常常有限。

（2）增加無功電流融冰。

在不影響負(fù)荷的正常供電的情況下，增加線路上傳輸?shù)臒o功功率，使線路上發(fā)熱增加實(shí)現(xiàn)融冰。

文獻(xiàn)[18]在線路首端安裝電容器，末端并聯(lián)電抗器，由電容器通過線路向電抗器提供無功，此時線路上流通電流是負(fù)荷吸收電路和電感吸收無功電流的疊加。

實(shí)際應(yīng)用時，無功功率的流向控制較難，并且改變無功分布對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較大影響，一般情況下不采用該方法。

（3）移相變壓器融冰。

雙回線路中串聯(lián)接入1個移相變壓器，改變電壓相角產(chǎn)生電壓差驅(qū)動環(huán)流的生成，以此增大其中一回線的電流大小，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)熱融冰，如圖4所示[19]。目前國內(nèi)貴州電網(wǎng)已開展對于基于移相變壓器的融冰技術(shù)的研究工作[20-22]。該方案適用于主網(wǎng)環(huán)網(wǎng)局部融冰，移相變壓器本質(zhì)上就是在線路中附加了1個循環(huán)功率，改變了線路中功率分布，此時線路上電流為負(fù)載電流和移相變壓器環(huán)流的疊加。

圖4 基于移相變壓器的融冰原理

但也存在一些問題，首先變壓器相角差帶來的環(huán)流過大，通常為正常電流的5倍以上，給設(shè)備帶來安全隱患。其次環(huán)流的產(chǎn)生使得電網(wǎng)需要對該段繼電保護(hù)裝置需要重新進(jìn)行整定，并且需要配置大容量的無功補(bǔ)償裝置。然后移相變壓器僅在融冰過程中使用，為了不影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行，往往需要在短時間內(nèi)完成安裝和拆卸，此過程需要暫時停電并且操作人員工作量較大[23]。

（4）分裂子導(dǎo)線交替融冰方案。

文獻(xiàn)[24]提出使用4分裂導(dǎo)線分組融冰的方法，在融冰段線路內(nèi)安裝絕緣間隔棒，使各子導(dǎo)線彼此絕緣，通過控制開關(guān)使該段運(yùn)行電流全部集中到某1根或2導(dǎo)線中實(shí)現(xiàn)大電流融冰，其他組依次重復(fù)此過程，但此方案需要頻繁開斷電路，對斷路器損傷大。

文獻(xiàn)[25]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出一種非接觸式耦合在線融冰方案，該方案同樣需要在子導(dǎo)線間安裝絕緣間隔棒，但融冰時不再使用斷路器開斷線路，而是基于文獻(xiàn)[26]提到的分布式潮流控制器的原理，在子導(dǎo)線上卡合單匝耦合變壓器，這樣可以在不影響系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，實(shí)現(xiàn)將電流“移動”到某1根或2根子導(dǎo)線中，借助大電流先后對各導(dǎo)線融冰。

這兩種方法都是利用了分裂導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)交替融冰，實(shí)際工程中分裂導(dǎo)線多用于超高壓輸電線路，配電網(wǎng)因電壓較低尚未廣泛采用，因此該方案并適用于配電網(wǎng)。

（5）零序電流融冰技術(shù)。

在配電網(wǎng)中，為了保障用電可靠性，中性點(diǎn)一般采取不接地或經(jīng)消弧線圈接地，這就使得配電網(wǎng)即使發(fā)生了單相接地故障，仍然允許帶故障繼續(xù)運(yùn)行1～2 h[27-30]。而目前的熱力融冰方案基本都要求在1 h內(nèi)完成，這就為實(shí)現(xiàn)在線融冰提供了可能。

文獻(xiàn)[31]基于配電網(wǎng)的以上特點(diǎn)，提出1種零序電流在線融冰技術(shù)。該方法使用由可調(diào)電抗器和接地變壓器組合成的裝置與避雷線一起構(gòu)成零序回路，在融冰期間經(jīng)刀閘接入運(yùn)行，利用產(chǎn)生的零序電流進(jìn)行在線融冰[32]。電網(wǎng)中變壓器二次側(cè)和負(fù)載側(cè)多為三角形連接，因此零序電流并不會影響負(fù)載，只會在該段融冰線路的零序回路中流通。

如圖5所示，整個融冰裝置主要由2個部分構(gòu)成，其中接地變壓器與變電站相連，可調(diào)電抗器與避雷器相連。接地變壓器提供中性點(diǎn)，對正負(fù)序電流而言阻抗極大，而對零序電流阻抗近似為0，適合構(gòu)成零序回路；可調(diào)電抗器用來提供可調(diào)的融冰電流，可適用于不同線路的融冰情況。當(dāng)線路發(fā)生單相接地短路時即可形成零序電流通路，覆冰段電流為負(fù)載電流和零序電流的疊加，產(chǎn)生大量熱量融冰。

圖5 在線融冰原理示意

目前該方案已在粵北山區(qū)某支線上進(jìn)行試點(diǎn)，驗(yàn)證方案的可行性。

3 發(fā)展前景

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，作為電網(wǎng)向用戶輸送電能的最后一環(huán)，也是確保供電安全和質(zhì)量的最后一道屏障。配電網(wǎng)在給人們帶來極大便利的同時，也面臨著氣候等問題的考驗(yàn)。目前配電網(wǎng)對覆冰問題的防治方法與主網(wǎng)并無較大差異，以人工機(jī)械除冰、電流融冰為主。

近年來，人們在傳統(tǒng)電流融冰基礎(chǔ)上又提出了一系列在線融冰技術(shù)，減小了融冰過程對電力系統(tǒng)的影響，但大多數(shù)方案都是基于高壓主網(wǎng)設(shè)計(jì)，在配電網(wǎng)中并不能有效發(fā)揮作用。僅有一種零序電流融冰技術(shù)，充分利用配電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地特點(diǎn)提出零序電抗一體融冰裝置，為配電網(wǎng)融冰研究提供了新思路。未來需要更加重視配電網(wǎng)自身特性，因地制宜，不斷研究新技術(shù)、新方法，使得電網(wǎng)在惡劣環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。