變電設(shè)備帶電除冰技術(shù)及應(yīng)用

國網(wǎng)河南省電力公司超高壓公司 高曉麗 丁子郡 王 允 張竑基

引言

冰凍雨雪天氣會(huì)造成電力設(shè)備結(jié)冰，給電網(wǎng)帶來巨大的災(zāi)害。在2008年特大冰雪災(zāi)害中，很多變電站中的設(shè)備被完全凍結(jié)，嚴(yán)重影響到電力設(shè)備的正常輸電。由于雨雪天氣導(dǎo)致的災(zāi)害還有母線支柱瓷瓶、刀閘支柱瓷瓶因結(jié)冰出現(xiàn)閃絡(luò)、甚至出現(xiàn)爆裂。變電構(gòu)架如果長時(shí)間被冰雪覆蓋還會(huì)導(dǎo)致桿塔變形，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致桿塔倒塌，這就會(huì)引起變電站停運(yùn)，引起周圍大面積的停電。所以，研究變電設(shè)備帶電除冰技術(shù)就非常重要，這樣不僅能夠讓變電站能夠正常的進(jìn)行運(yùn)行，而且能夠保證正常的輸電。

傳統(tǒng)的變電設(shè)備除冰主要是通過敲打除冰或是人工進(jìn)行清掃除冰，這種方法工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，效果也不是非常明顯，還會(huì)對支柱絕緣子等設(shè)備造成損害。因此，加強(qiáng)熱力除冰方法在變電設(shè)備帶電除冰過程中具有非常重要的意義，而且具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 變電站開展除冰的意義及必要性分析

1.1 變電站開展除冰的意義

從理論上來講，加強(qiáng)變電站帶電除冰的研究其理論意義主要體現(xiàn)在以下方面：

第一，豐富變電設(shè)備帶電除冰的理論研究。從某種程度來講，變電設(shè)備除冰的理論研究一直還是比較薄弱，變電設(shè)備帶電除冰方面的研究就更加薄弱，加強(qiáng)變電設(shè)備帶電除冰的理論研究能夠進(jìn)一步豐富變電設(shè)備除冰方面的理論研究。

第二，為變電設(shè)備實(shí)際除冰提供理論依據(jù)。加強(qiáng)變電設(shè)備帶電除冰理論方面的研究，其目的就是更好的為實(shí)踐變電設(shè)備帶電除冰提供理論依據(jù)，提高除冰效果[1]。

從實(shí)踐方面來講，變電設(shè)備帶電除冰具有非常重要的實(shí)踐意義，其可以減少冰凍雨雪天氣帶來的危害。傳統(tǒng)的變電設(shè)備除冰必須要斷電才能夠進(jìn)行，而且需要人工作業(yè)才能夠完成，這就影響到人民的正常生活。在2008的冰凍雨雪天氣，我國大部分的變電設(shè)備幾乎都結(jié)冰，嚴(yán)重影響到變電設(shè)備的正常運(yùn)行。湖南、貴州受災(zāi)特別嚴(yán)重，造成很多市縣出現(xiàn)了大面積的停電。

由此可以看出，冰凍雨雪天氣對電網(wǎng)運(yùn)行的損害非常大，使人民群眾和電力系統(tǒng)遭受巨大損失。因此，在冰凍雨雪天氣中既要保障電網(wǎng)的正常運(yùn)行，同時(shí)對變電設(shè)備中的冰雪進(jìn)行清除就非常重要了。加強(qiáng)冰凍雨雪天氣中變電設(shè)備帶電除冰技術(shù)研究，這樣即使在冰凍雨雪天氣中也不會(huì)出現(xiàn)變電站停運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)停電的情況。所以，加強(qiáng)變電設(shè)備帶電除冰技術(shù)研究工作，在實(shí)際的社會(huì)生活中具有非常重要的意義。

1.2 變電站開展除冰的必要性分析

在冰凍雨雪天氣下，覆冰對變電站設(shè)備的影響包括：由于站內(nèi)設(shè)備表面覆冰，可能導(dǎo)致絕緣閃絡(luò)引起設(shè)備損壞；站內(nèi)開關(guān)設(shè)備可能凍結(jié)而無法動(dòng)作，影響站內(nèi)操作，延誤電網(wǎng)的恢復(fù)、重建速度，在緊急情況下還可能引發(fā)事故，如果采用電動(dòng)強(qiáng)行合、分閘，又容易引起機(jī)構(gòu)和設(shè)備損壞；如果變電站還擔(dān)負(fù)著為線路交流大電流融冰進(jìn)行倒閘操作的任務(wù)，則由于融冰刀閘可能被冰凍無法動(dòng)作，耽誤融冰的時(shí)機(jī)。

對于新建變電站，站內(nèi)絕緣設(shè)備覆冰閃絡(luò)可通過提高絕緣配置予以解決，構(gòu)架及附屬設(shè)施損壞也可通過提高抗冰標(biāo)準(zhǔn)予以防治。對于已投運(yùn)變電站，一方面可通過設(shè)備改造提高抗冰害的標(biāo)準(zhǔn)，一方面還要加強(qiáng)對開關(guān)設(shè)備的除冰（融冰），保證開關(guān)設(shè)備動(dòng)作正常。

2 變電站除冰方法

2.1 電加熱器除冰法

電加熱器除冰方法主要是通過加熱器加熱來實(shí)現(xiàn)除冰目的，通過在變電設(shè)備的關(guān)鍵部位或重要設(shè)備的附件安裝電熱源加熱來防止設(shè)備出現(xiàn)結(jié)冰的現(xiàn)象。但是電加熱器除冰方法需要消耗大量的能量，而且要在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，在具體實(shí)際的應(yīng)用過程中實(shí)用性不強(qiáng)[2]。

其主要工作原理為，電阻加熱器和變電設(shè)備絕緣子上面的覆冰的換熱為輻射換熱，只要加熱器的位置確定之后，電阻加熱器的熱量會(huì)穩(wěn)定的傳送到絕緣子所在的位置，這樣冰層在輻射熱量的作用下就會(huì)逐漸融化，從而達(dá)到除冰的目的。但是值得注意的是，電加熱器的除冰方法也會(huì)受到不同因素的制約。

一般來講，加熱器距離絕緣子有一定的距離，這就會(huì)導(dǎo)致加熱器輻射換熱的效率較低，而且還會(huì)有部分冰雪沒有融化，導(dǎo)致除冰的時(shí)間比較長，而且能量消耗比較大，除冰成本高。電加熱器除冰消耗的能量和加熱器功率的大小沒有必然的聯(lián)系，但是和加熱器與絕緣子之間的位置有關(guān)系。

2.2 熱風(fēng)除冰法

熱風(fēng)除冰方法主要分為高壓低溫?zé)犸L(fēng)除冰方法和低壓高溫?zé)犸L(fēng)除冰方法。低壓高溫?zé)犸L(fēng)除冰方法主要是對降落到設(shè)備上面的水滴進(jìn)行蒸發(fā)，這樣就能夠防止滴落的水滴結(jié)冰。高壓低溫?zé)犸L(fēng)方法主要是把一定溫度的氣流噴射到變電設(shè)備的外圍或者附近，沖擊力和熱空氣的氣流就能夠防止變電設(shè)備的周圍水滴進(jìn)行結(jié)冰。從目前來講，熱風(fēng)除冰方法比較簡單且效果比較明顯，但是熱風(fēng)除冰方法需要對整個(gè)過程進(jìn)行簡單的設(shè)計(jì)，這樣能夠防止熱量流失，降低熱量的損耗。熱風(fēng)除冰方法會(huì)受到不同因素的影響，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

風(fēng)速變化會(huì)對除冰效果產(chǎn)生不同程度的影響。一般來講，熱風(fēng)風(fēng)速越大除冰的效果越好、除冰的時(shí)間也是越少的，但是消耗的能量卻比較多。所以，在實(shí)際的熱風(fēng)除冰設(shè)計(jì)過程中要考慮熱風(fēng)風(fēng)速的基本情況，要選擇合適的風(fēng)速。

熱風(fēng)溫度變化對除冰效果的影響。變電設(shè)備帶電除冰過程中熱風(fēng)的溫度對除冰效果也會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。在風(fēng)速一定的情況下，熱風(fēng)的溫度越高除冰的效果就越明顯。但是在實(shí)際的除冰過程中，風(fēng)速的溫度不可能無限制的升高，當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)提高風(fēng)速的溫度，是理想中的除冰方法。

熱風(fēng)噴管到絕緣子表面距離變化對除冰效果的影響。也就是說熱風(fēng)出風(fēng)口到絕緣子表面的距離遠(yuǎn)近也會(huì)對除冰效果產(chǎn)生不同程度的影響。熱風(fēng)噴管到絕緣子的距離越近，除冰效果越好，消耗的能量就越低。同樣，距離越大，那么消耗的能量就越多。所以，在具體實(shí)際的除冰過程中，在絕緣安全距離保證的基礎(chǔ)上，要減少出風(fēng)口到絕緣子之間的距離，這樣才能夠減少除冰的能耗；溫度環(huán)境不同對除冰效果的變化。通過實(shí)際的研究顯示，環(huán)境溫度對熱風(fēng)除冰的效果影響不是很顯著，但是會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的影響。

結(jié)冰厚度不同對除冰效果的變化。結(jié)冰的厚度對變電設(shè)備的帶電除冰會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。研究結(jié)果顯示，在其它環(huán)境相同的情況下，冰層的厚度增加、除冰的時(shí)間就在增加，而且消耗的能量也在增加。所以，在實(shí)際的除冰過程中不能選擇冰層較厚時(shí)才開始，這樣不僅能耗增加、而且除冰的時(shí)間也比較長。所以應(yīng)該選擇冰比較薄時(shí)進(jìn)行除冰，這樣效果比較明顯。如果是惡劣天氣，較薄時(shí)候就進(jìn)行除冰會(huì)導(dǎo)致變電設(shè)備進(jìn)行二次結(jié)冰，增加工作強(qiáng)度，也增加熱風(fēng)除冰的次數(shù)。所以，要根據(jù)具體的情況來選擇合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行除冰[3]。

由此可以看出，熱風(fēng)除冰對其效果影響最為顯著的是熱風(fēng)的風(fēng)速，風(fēng)速增大之后，冰層表面的作用力就在不斷的增加，這就增加了冰層融化的速度，提高了除冰的效果。因?yàn)闊犸L(fēng)風(fēng)速和風(fēng)溫互相作用，出風(fēng)口距離絕緣子比較近，那么熱傳導(dǎo)的效果就比較明顯，那么熱風(fēng)以及熱力傳導(dǎo)給絕緣子的表面冰層、絕緣子表面冰層在受力的情況下開始逐漸融化，從而實(shí)現(xiàn)了比較好的除冰效果。

2.3 熱水除冰方法

熱水除冰方法主要是通過把一定溫度的熱水用壓力的熱水槍噴射到變電設(shè)備的絕緣表面，從而實(shí)現(xiàn)除冰的目的。熱水除冰效果明顯，能耗比較低，但是帶電除冰具有一定的危險(xiǎn)性。為了減少熱水除冰方法的危險(xiǎn)性，所以對高壓熱水噴槍要進(jìn)行嚴(yán)格仔細(xì)的設(shè)計(jì)，這樣才能夠提高安全性。

高壓熱水噴槍設(shè)計(jì)要求主要如下：

槍嘴。其設(shè)計(jì)必須是采取質(zhì)量比較好的絕緣材料，這樣在帶電進(jìn)行除冰時(shí)才能夠提高安全性；防雨傘群。材料方面要選擇硅膠材料，這樣才能夠防雨雪，而且在惡劣天氣的環(huán)境下也能夠使用。

槍管。其材質(zhì)要采用環(huán)氧樹脂玻璃管制作，這樣槍管的耐壓性、耐熱性以及可以抗腐蝕性，而且可以增加槍管的使用年限，減少維修成本，提高水槍使用壽命，要根據(jù)電壓的不同選擇不同的槍管。工作人員在進(jìn)行除冰過程中要避免槍管中噴出的熱水燙傷。

絕緣支架。絕緣支架的材料也要采取環(huán)氧玻璃，采用絕緣支架能夠減少工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；水槍接地線。接地線主要是在槍體的下方連接地線，這樣槍體可以有效的消除泄露電流，保障工作人員的安全[4]。

變電設(shè)備帶電熱水除冰主要是通過過濾-加熱-滲透-除鹽-加熱方式，把水制成高溫、高純度的熱水。工作人員在進(jìn)行除冰的過程中把絕緣高壓水槍對準(zhǔn)變電設(shè)備，由下往上進(jìn)行除冰。高溫的熱水在對絕緣子表面進(jìn)行沖洗時(shí)，冰層遇到了高溫?zé)崴烷_始逐漸融化，這同時(shí)又對絕緣子表面進(jìn)行了沖洗，還能夠提高絕緣子的絕緣性能。熱水除冰方法也會(huì)受到不同因素的影響，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

熱水噴射速度對除冰效果的影響。熱水噴射的速度越大，那么除冰的時(shí)間就越短，但是能耗會(huì)逐漸增加。如果熱水噴射的速度小，那么水柱的射程不高，除冰的效果就不明顯。熱水噴射速度增加，那么作用在絕緣子表面的沖擊力就增大，在水溫和水的沖擊力的雙重作用下除冰的時(shí)間就會(huì)縮短，但是水的濺射會(huì)增加，熱水的有效利用率會(huì)降低，熱水用量會(huì)增加。而且在帶電作業(yè)時(shí)會(huì)有一定的觸電危險(xiǎn)。也就是說熱水帶電除冰具有一定的危險(xiǎn)性，要正確的選擇熱水噴射的速度。

熱水溫度變化對除冰效果的影響。一般來講，熱水的溫度越高，那么除冰的時(shí)間就會(huì)比較短、除冰消耗的能耗也會(huì)減少。所以，熱水除冰時(shí)要盡可能的提高水的溫度、縮短除冰的時(shí)間，這樣能夠減少熱水的用量，減少能量的消耗。

3 變電設(shè)備帶電除冰方法的優(yōu)劣

一般來講，變電設(shè)備帶電除冰方法主要是熱風(fēng)除冰方法、熱水除冰方法以及電阻加熱除冰方法。從目前來講，熱風(fēng)除冰方法在實(shí)際使用的過程中比較多，而且相對比較安全。熱風(fēng)的風(fēng)速越高，那么除冰的速度就越快，除冰花費(fèi)的時(shí)間就越短，但是能耗也比較多。因此，在保證除冰時(shí)間和除冰能耗的前提下，選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速、使風(fēng)溫達(dá)到相應(yīng)的高度，這樣才能夠安全有效的實(shí)現(xiàn)除冰的效果。

值得注意的是，熱風(fēng)出口管盡量不要距離絕緣子表面太遠(yuǎn)，距離太遠(yuǎn)消耗的能量也就越多。也就是說在絕緣安全的距離下，要縮短熱風(fēng)噴管到絕緣子的距離，確保除冰速度的前提下，減少能耗[5]。

熱水噴射速度和熱水溫度等參數(shù)對熱水除冰的除冰效率和除冰能耗影響較大。熱水噴射速度越大、除冰時(shí)間越短，相應(yīng)的除冰能耗越多，實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)正確的選擇熱水的噴射速度；熱水溫度越高，除冰時(shí)間越短，且除冰能耗也有小范圍內(nèi)的減少，在實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)盡可能的提高熱水水溫。

電阻加熱除冰一般在實(shí)際應(yīng)用中比較少，主要原因是能耗太高、而且成本也是太高，缺乏相應(yīng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。加熱器輻射換熱效率低，電加熱器除冰的除冰時(shí)間明顯過長，除冰能耗明顯較大。

總之，變電設(shè)備帶電除冰在實(shí)際生活中具有非常重要的意義，特別是遇到重大冰雪災(zāi)害天氣，變電設(shè)備帶電除冰就更加重要。變電設(shè)備帶電除冰不僅能夠保證變電設(shè)備正常供電，而且正常供電是人們生活的保障。