采用渦流自熱環(huán)防止輸電線路冰雪災(zāi)害的方法研究

馬國平

（國網(wǎng)固原供電公司，寧夏 固原 756000）

想要有效防止冰雪災(zāi)害影響輸電線路情況的發(fā)生，相關(guān)人員需要不斷探索相關(guān)的技術(shù)。通過分析相關(guān)實(shí)踐可知，后期處理并不是解決輸電線路冰雪災(zāi)害的唯一方法，相關(guān)人員將重點(diǎn)集中在冰雪災(zāi)害預(yù)防方面，在此過程中必須針對輸電線路實(shí)際情況采取有針對性的措施，使得輸電線路擁有越來越高的綜合運(yùn)行能力。

1 冰雪災(zāi)害對輸電線路的不良影響

在出現(xiàn)冰雪災(zāi)害后，有很大概率導(dǎo)致輸電線路中形成冰塊。由于冰雪災(zāi)害導(dǎo)致的冰塊會(huì)不均勻地分布在輸電線路中，在一定的風(fēng)力作用下會(huì)影響輸電線路正常運(yùn)行。同時(shí)，在線路閃絡(luò)問題方面，冰塊也是主要的影響因素。覆蓋閃絡(luò)問題雖然不會(huì)嚴(yán)重破壞輸電線路，但是卻會(huì)破壞絕緣子，致使絕緣子性能大幅度降低[1]。另外，在閃絡(luò)情況下，若是無法及時(shí)消解冰塊的作用，再加上冰塊擁有較大重量，其經(jīng)過一段時(shí)間發(fā)展可能超出線路最大承重量，導(dǎo)致輸電線路出現(xiàn)短路的問題。

2 輸電線路除冰技術(shù)研究現(xiàn)狀及渦流自熱除冰原理

2.1 輸電線路除冰技術(shù)研究現(xiàn)狀

輸電線上覆冰的積累是一種水、熱等多因素耦合作用的物理過程。針對輸電線上覆雪的各種影響因素，國內(nèi)外學(xué)者在多年的工作中，針對輸電線上各種覆雪原因提出多種防冰措施，包括機(jī)械除冰、涂覆防冰、熱動(dòng)力融冰、電脈沖除冰等。然而，這些措施都有各自的局限性，并不能從根本上解決輸電線路覆冰的問題。目前，直流融冰法是我國普遍應(yīng)用的一種有效的主動(dòng)除冰技術(shù)。但直流融冰法要求線路停電才能進(jìn)行，設(shè)備造價(jià)較高，且直流融冰器從投入運(yùn)行到生效都需要一定的時(shí)間。因此，面對快速而又大范圍的寒流天氣，直流融冰似乎也沒有太大的作用。

在輸電線的導(dǎo)線上添加熱磁性物質(zhì)，是一種在不停電情況下自動(dòng)防結(jié)冰的方法。“七五”科技攻關(guān)期間，武漢高壓研究所及其他科研機(jī)構(gòu)開發(fā)了多種低居里點(diǎn)（LC） 合金，并將它們制成了熱磁性絲，包覆在金屬絲的表面，從而達(dá)到了防覆冰的目的。但是，LC 材料制作成本高昂，而且熱磁導(dǎo)線的安裝難度太大，使得其很難普及。高小玫等對各種磁致制冷裝置的熱輻射進(jìn)行了數(shù)值模擬，對磁致制冷裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。李窘等研制出了一種具有低居里點(diǎn)磁性的抗覆冰金屬絲，并通過天然試驗(yàn)對其進(jìn)行了驗(yàn)證。蔣興良等對此進(jìn)行了分析和研究，認(rèn)為采用附加磁制冷材料來達(dá)到不停電除冰的目的是完全可行的，但仍需進(jìn)一步降低其成本，提高其制造技術(shù)水平。

2.2 渦流自熱環(huán)除冰原理

在使用交流電時(shí)，金屬絲的外部會(huì)形成一個(gè)交變磁場，在交變磁場作用下，金屬絲周圍會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的交變磁感應(yīng)，從而產(chǎn)生磁滯、渦流等現(xiàn)象。同時(shí)，若在鐵磁性材料表面覆蓋具有更低電阻率的導(dǎo)電性涂層，將會(huì)在鐵磁性材料所引起的交流磁場中產(chǎn)生渦流損失，從而進(jìn)一步增加其所產(chǎn)生的熱量。在輸電線表面覆冰過程中，只要鐵磁性材料的磁熱足夠大，就能減緩、延緩線路表面覆冰的形成或融化覆冰。

現(xiàn)階段，國內(nèi)一般輸電線路中，電流密度在0.9～1.6 A/mm2之間。例如，橫截面400 mm 的鋼芯鋁絞線，其在正常工作條件下輸運(yùn)電流達(dá)到360～640 A，周圍磁場最大值達(dá)到3 000～4 000 A/m。在這種強(qiáng)磁場條件下，金屬絲周圍鐵磁性物質(zhì)產(chǎn)生的交流磁感可以達(dá)到0.5～1 T。在鐵磁性物質(zhì)中，磁場強(qiáng)度H以及磁感應(yīng)強(qiáng)度B的計(jì)算公式分別為

式中：Hm、Bm分別為磁場強(qiáng)度以及磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值；ω1為工頻角頻率，取值為50 Hz；δ 為相位差。

3 渦流自熱環(huán)除冰試驗(yàn)

為了充分展現(xiàn)渦流自熱環(huán)的實(shí)際除冰效果，在研究中將使用多功能人工氣候室演化自然覆冰過程，開展渦流自熱環(huán)除冰試驗(yàn)，采用型號(hào)為LGJ-400/35 鋼芯銅絞線。

3.1 試驗(yàn)裝置

該人工氣候室為11.8 m 高，7.8 m 直徑；其可在-45～70 ℃內(nèi)自由調(diào)節(jié)溫度；同時(shí)可調(diào)節(jié)0～12 m/s風(fēng)速；擁有20%～100%濕度調(diào)節(jié)范圍。將一定數(shù)量的國際電工委員會(huì) (International Electro technical Commission，IEC) 標(biāo)準(zhǔn)噴頭設(shè)置在噴霧系統(tǒng)中，將過冷卻水滴確定為20～500 μm 直徑調(diào)節(jié)范圍。最終證明，該模擬環(huán)境能夠使開展覆冰試驗(yàn)各項(xiàng)要求得到有效滿足。

試驗(yàn)電源為大電流發(fā)生器，具備5 000 A 最大輸出電流和30 kV·A 額定容量，相關(guān)人員可利用配套調(diào)壓器調(diào)節(jié)試驗(yàn)電流大小。同時(shí)配備了拉力傳感器、鉗式電流表等測量工具。

3.2 試品與布置方式

使用LGJ-400/35 鋼芯銅絞線作為試品。為了更好地開展對照試驗(yàn)，將其合理劃分為試驗(yàn)小段，試驗(yàn)導(dǎo)線擁有3 m 長度、27 mm 直徑，20 ℃工況下導(dǎo)線具有0.073 89 Ω/km 單位電阻率。

在人工氣候室內(nèi)完成導(dǎo)線并列安放工作可使用絕緣支架支撐，為了防止因?yàn)橄噜弻?dǎo)線對流場遮擋引發(fā)覆冰差異情況的發(fā)生，需保證導(dǎo)線間保持0.5 m以上間隔。將拉力傳感器固定在導(dǎo)線的一端用于測量覆冰質(zhì)量，而且相關(guān)人員應(yīng)在充分考慮導(dǎo)線弧垂參數(shù)的情況下將高度差控制在合理范圍內(nèi)。為了使傳輸電流處于相同水平，在除冰試驗(yàn)中連接銅帶首位和各試驗(yàn)段導(dǎo)線時(shí)需要利用夾具，串流受流[2]。每次開展覆冰試驗(yàn)都需要使用試驗(yàn)導(dǎo)線3 段，方便對比試驗(yàn)結(jié)果。具體操作方法為，將電流傳輸?shù)綄?dǎo)線1 和導(dǎo)線2 中，導(dǎo)線3 不通電，并且將4 個(gè)渦流自熱環(huán)以相同間距布置在導(dǎo)線1 上。因試驗(yàn)導(dǎo)線為3 m 長度，因此以0.6 m 間隔布置渦流自熱環(huán)，采取此種布置方式，導(dǎo)線的附加磁熱除冰功率為2.76 W/m，詳細(xì)布置情況見圖1。

圖1 除冰試驗(yàn)布置方式

3.3 試驗(yàn)程序

1） 預(yù)處理工序。將試驗(yàn)導(dǎo)線段取出來，使用工業(yè)酒精、純凈水、濕布等完成表面處理工作，保證其表面干凈、無毛刺。將一定數(shù)量的渦流自熱環(huán)取出來，使用純凈水、工業(yè)酒精等將其表面處理干凈。

2） 安裝布置試樣。在人工氣候室內(nèi)并列布置試驗(yàn)導(dǎo)線段，根據(jù)上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)將渦流自熱環(huán)安裝在導(dǎo)線1 上，之后將試驗(yàn)電流引線有效連接。

3） 覆冰試驗(yàn)流程。將制冷系統(tǒng)打開，同時(shí)將電流傳輸?shù)皆囼?yàn)導(dǎo)線中。當(dāng)人工氣候室具有與設(shè)計(jì)溫度相同的室溫時(shí)，開始進(jìn)行覆冰試驗(yàn)。每次應(yīng)持續(xù)2 h 覆冰。詳細(xì)覆冰試驗(yàn)參數(shù)見表1，其中空氣中液滴中值體積直徑用MVD 表示，空氣中液態(tài)水含量用LWC 表示。

表1 覆冰試驗(yàn)參數(shù)

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 覆冰形貌分析

為了使渦流自熱環(huán)的覆冰效果得到更加清晰的展現(xiàn)，在本次研究中只選取具有代表性的覆冰形貌開展分析。最終結(jié)果為，在1 號(hào)試驗(yàn)中會(huì)有混合凇覆冰或霧凇覆冰形成，但是未有冰棱產(chǎn)生。同時(shí)覆冰位置并不包含渦流自熱環(huán)布置位置，證明試驗(yàn)所用環(huán)境參數(shù)下，渦流自熱環(huán)自身所產(chǎn)生的熱量，可對環(huán)身處形成覆冰的情況起到有效的抑制作用。另外，因?yàn)闇u流自熱環(huán)的作用范圍有限，在導(dǎo)線上存在間隔覆冰的情況，降低了相互之間的附著力，能夠?yàn)闊崃θ诒妥匀蝗诒^程中冰層自然脫落提供有利環(huán)境。

3 號(hào)試驗(yàn)在經(jīng)過120 min 覆冰時(shí)，在渦流自熱環(huán)所處位置并未出現(xiàn)覆冰。雖然使用了可滿足覆冰條件的試驗(yàn)參數(shù)，但是仍然避免了出現(xiàn)雨凇覆冰的情況，通過觀察可知，已經(jīng)有明顯的冰棱出現(xiàn)在導(dǎo)線其余部位。通過分析試驗(yàn)結(jié)果可知，與導(dǎo)線其他部位相比，在渦流自熱環(huán)部位明顯會(huì)流失更多的水滴。對引發(fā)這種現(xiàn)象的原因進(jìn)行分析，其主要是受到了導(dǎo)線表面水膜沿弧垂流動(dòng)效應(yīng)的影響。在渦流自熱環(huán)處覆冰，因?yàn)闊o法滿足形成磁熱的條件，向水膜中流動(dòng)的未凍結(jié)水滴在接觸渦流自熱環(huán)時(shí)也會(huì)擁有更高的流失速度[3]。由此可知，當(dāng)有水膜存在于導(dǎo)線表面時(shí)，渦流自熱環(huán)也能夠在一定程度上限制其他部位形成覆冰。

4.2 覆冰質(zhì)量分析

通過分析隨著覆冰時(shí)間變化各導(dǎo)線上覆冰質(zhì)量變化情況可知以下3 點(diǎn)。一是在不斷延長覆冰時(shí)間的過程中各組實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)線覆冰質(zhì)量呈現(xiàn)出非線性增長。相較于導(dǎo)線3，導(dǎo)線2 均擁有較差的覆冰質(zhì)量。這是由于有電流通入導(dǎo)線2 中，針對導(dǎo)線覆冰的問題導(dǎo)線的焦耳熱能夠發(fā)揮一定的抑制作用。與導(dǎo)線2 相比，導(dǎo)線1 明顯擁有更差的覆冰質(zhì)量，說明在增長導(dǎo)線表面覆冰質(zhì)量方面渦流自熱環(huán)可發(fā)揮一定的減緩作用。二是從整體方面開展分析，后兩組試驗(yàn)明顯比前兩組擁有更好的覆冰質(zhì)量。兩種試驗(yàn)現(xiàn)象不同的原因主要是設(shè)置了存在差異的覆冰試驗(yàn)參數(shù)。另外，通過兩組覆冰參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果比較可知，在存在雨凇時(shí)渦流自熱環(huán)具備更強(qiáng)大的覆冰質(zhì)量抑制作用，其也驗(yàn)證了渦流自熱環(huán)可以提升雨凇覆冰液滴散失速度的結(jié)論。三是與200 A 傳輸電流相比，當(dāng)使用400 A 傳輸電流時(shí)導(dǎo)線表面明顯擁有更差的覆冰質(zhì)量。一方面在通入電流后會(huì)使導(dǎo)線本身產(chǎn)生更多的焦耳熱；另一方面在傳輸電流為200 A和400 A 時(shí)均無覆冰在渦流自熱環(huán)處產(chǎn)生，但是當(dāng)傳輸電流較大時(shí)會(huì)致使更厚的水膜在導(dǎo)線表面形成，加快液滴在自熱環(huán)處的散失速度，以此使渦流自熱環(huán)擁有更快的除冰效率。

5 結(jié)論

通過上文分析，最終可得出以下結(jié)論。一是與未設(shè)置渦流自熱環(huán)的導(dǎo)線相比，布置渦流自熱環(huán)的導(dǎo)線明顯擁有更少的覆冰質(zhì)量。二是在提升傳輸電流的過程中渦流自熱環(huán)也會(huì)擁有更高的除冰效率。并且因?yàn)闇u流自熱環(huán)能夠以更快速度散失導(dǎo)線表面水膜，在覆冰類型為雨凇覆冰時(shí)可達(dá)到更高除冰效率。三是導(dǎo)線傳輸電流與渦流自熱環(huán)存在密切聯(lián)系，在擁有較小傳輸電流的情況下，使用越高的傳輸電流即存在越高的渦流自熱環(huán)磁熱量。四是輸電線路所處環(huán)境能夠直接影響導(dǎo)線表面臨界覆冰功率，其與風(fēng)速參數(shù)成正比例關(guān)系，與溫度參數(shù)成反比例關(guān)系。