[電力系統(tǒng)中線路覆冰分析與融冰技術(shù)]線路融冰

　　摘要：本文介紹了輸電線路冰害特點(diǎn)及覆冰形成機(jī)理分析，重點(diǎn)介紹了美國在電脈沖除冰方面的研究情況及俄羅斯利用可控硅整流技術(shù)研制的融冰與無功靜補(bǔ)雙用途綜合裝置的情況。 　　關(guān)鍵詞：輸電線路；覆冰；融冰；技術(shù)；裝置
　　中圖分類號(hào)：TM855 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　
　　2008年1月中旬全國各地普降大雪以來，南方數(shù)省輸電線路遭遇前所未有的災(zāi)害。由于遭遇罕見覆冰，輸電線路鐵塔倒塌，線路嚴(yán)重受損斷線，湖南、湖北、福建、廣西等南方數(shù)省區(qū)的供電都大受影響，京廣線交通也因?yàn)殡娐肥軗p而受到嚴(yán)重阻礙。輸電線路冬季因受冰雪危害引起的供電中斷事故通常都是較嚴(yán)重的，其修復(fù)工作難度大，周期長(zhǎng)，停電影響面積廣，因此一直是全世界范圍內(nèi)需要解決的難點(diǎn)問題。各國的研究人員設(shè)計(jì)出不少方案，用以提前將導(dǎo)線上的積雪、覆冰去除，避免引起擊穿、斷線舞動(dòng)等事故。目前常用的方法仍然是采用增加線路電流使之發(fā)熱將冰雪融化防患于未然。另外，也有研究者提出了電脈沖除冰的方法，并做了許多試驗(yàn)工作，雖然最終未獲成功，卻也積累了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)。
　　冰害對(duì)電力系統(tǒng)來講是個(gè)季節(jié)性危害，為除冰而配置的變電站設(shè)備，其使用也是季節(jié)性的；而且，即使是在冬季，除冰裝置也不是一直在使用，而是短時(shí)使用。如果在非除冰時(shí)間將其閑置不用也是一種比較大的浪費(fèi)，因而有些研究者提出的將加熱融冰設(shè)備與無功靜止補(bǔ)償裝置合二為一的方案，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較上應(yīng)具有較大優(yōu)勢(shì)，并且獲得了一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，是值得推廣的。
　　
　　1 輸電線路覆冰分析
　　
　　線路覆冰是受微氣象、微地形及溫度、濕度、冷暖空氣對(duì)流、環(huán)流以及風(fēng)等因素影響的綜合物理現(xiàn)象。
　　1.1 線路覆冰形成機(jī)理
　　一般情況下，導(dǎo)線覆冰的基本過程是：當(dāng)氣溫下降到－5～0℃，風(fēng)速為3～15m/s時(shí)，如果遇到大霧或小雨，首先將在導(dǎo)線上形成雨��；如果天氣驟然變冷，氣溫下降，出現(xiàn)雨雪天氣，凍雨和雪則在黏結(jié)強(qiáng)度很高的雨凇冰面上迅速增長(zhǎng)，形成密度大于0.6g/cm3的較厚冰層；如果溫度繼續(xù)下降到－15～－8℃，原有冰層外則積覆霧凇。這種過程將導(dǎo)致導(dǎo)線表面形成雨凇-混合凇-霧凇的復(fù)合冰層。
　　輸電線路導(dǎo)線表面產(chǎn)生覆冰，必須達(dá)到以下氣象條件：①氣溫及導(dǎo)線表面溫度達(dá)到
　　0℃以下；②空氣相對(duì)濕度在85%以上；③風(fēng)速大于1m/s。
　　在我國的絕大部分地區(qū)都有覆冰條件，且覆冰厚度可達(dá)3mm以上，因而都有可能發(fā)生覆冰故障。
　　1.2 輸電線路冰害故障特點(diǎn)
　　覆冰對(duì)線路的危害有過負(fù)荷、覆冰舞動(dòng)和脫冰跳躍、絕緣子冰閃，會(huì)造成塔桿變形、倒塔、導(dǎo)線斷股、金具和絕緣子損壞、絕緣子閃絡(luò)等事故。
　　過負(fù)載即線路覆冰后的實(shí)際重量超過設(shè)計(jì)值很多，從而導(dǎo)致架空輸電線路機(jī)械和電氣方面的事故。從負(fù)荷方面可分為垂直負(fù)荷、水平負(fù)荷、縱向負(fù)荷。
　　輸電線路不僅承受其自重、覆冰等靜荷載，而且還要承受風(fēng)產(chǎn)生的動(dòng)荷載。在一定條件下，覆冰導(dǎo)線受穩(wěn)態(tài)橫向風(fēng)作用，可能引起大幅低頻振動(dòng)，即舞動(dòng)。此外，導(dǎo)線脫冰跳躍也會(huì)使導(dǎo)線發(fā)生舞動(dòng)，導(dǎo)線舞動(dòng)是威脅輸電線路安全運(yùn)行的重要因素。
　　較大范圍降雪導(dǎo)致的融冰雪、霧凇、雨凇和區(qū)域性的持續(xù)大霧，是一種特殊形式的污穢，易形成大范圍的絕緣子冰閃故障。絕緣子串冰閃是220～500kV覆冰線路跳閘的主要原因。
　　2 電脈沖除冰的嘗試
　　電脈沖除冰（Electro-Impulse De-Icing，簡(jiǎn)稱EIDI）技術(shù)出現(xiàn)于第二次世界大戰(zhàn)之前，其基本原理即是采用電容器組向線圈放電，由線圈產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，在置于線圈附近的導(dǎo)電板（即目標(biāo)物）上產(chǎn)生一個(gè)幅值高、持續(xù)時(shí)間短的機(jī)械力，從而使冰破裂而脫落。此方法在飛機(jī)除冰方面有成功的經(jīng)驗(yàn)，在此情況下，導(dǎo)電極即是飛機(jī)機(jī)翼或其它部位的鋁質(zhì)表面。當(dāng)施加此脈沖時(shí)，電動(dòng)力引起鋁質(zhì)表面輕微的收縮和擴(kuò)張，使得附著在上面的冰滑落，從而達(dá)到除冰的目的。EIDI裝置的電氣原理如圖1所示。
　　
　　圖1中的目標(biāo)物可以是待除冰物體（比如飛機(jī)機(jī)翼），或者是鋁板（此鋁板與待除冰物體相連接），或者是另一個(gè)線圈（此線圈與待除冰物體相連）。對(duì)輸電線路除冰，目標(biāo)物可以是后兩種形式。
　　美國堪薩斯州的Wichita州立大學(xué)提出的輸電線路EIDI裝置示意圖如圖2所示。
　　
　　每根電線桿上安裝1個(gè)EIDI單元，其中包括了貯能電容器，可控硅及相應(yīng)的電子線路。每個(gè)柱上單元可以帶6組EIDI執(zhí)行器，每一個(gè)執(zhí)行器包括脈沖線圈和目標(biāo)物，目標(biāo)物是與導(dǎo)線直接相連的線圈。貯能電容器及EIDI單元中其它部件直接由線路上的電流互感器或電壓互感器供電。EIDI單元可以遙控，并且可以通過幾種形式的冰探測(cè)器來自動(dòng)控制其動(dòng)作：當(dāng)探測(cè)器給出指示覆冰情況的信號(hào)后，EIDI單元?jiǎng)幼鳎�向�?zhí)行器中的脈沖線圈發(fā)出脈沖電流，執(zhí)行器由此獲得的沖擊力將使冰雪從導(dǎo)線脫落。在對(duì)所設(shè)計(jì)的EIDI裝置進(jìn)行改進(jìn)并用于實(shí)際線路除冰之前，研究者成功地將一段3m長(zhǎng)，477MCM ACSR型導(dǎo)線上12.5mm厚的覆冰去除，說明此方法有可能在實(shí)際線路上取得成功。此試驗(yàn)中貯能電容器為600μF，充電電壓為1.75kV，估算的沖擊力約4.5kN，模擬線路檔距張力約2kN。
　　但是，當(dāng)將此裝置（仍使用600μF，1.75kV）用于專門建設(shè)的100m長(zhǎng)檔距的試驗(yàn)線段上時(shí)，它僅能去除約3～5m長(zhǎng)的一段上的覆冰，脈沖振動(dòng)雖然能繼續(xù)沿導(dǎo)線向檔距中部傳播，但空間陡度已不足以使覆冰脫落。試驗(yàn)中覆冰厚度從0～18mm變化，并不影響有效去除覆冰段的長(zhǎng)度。將充電電壓增加至2.2kV可以明顯改善除冰能力，但由于此時(shí)導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)過分劇烈，因此試驗(yàn)沒有繼續(xù)往下進(jìn)行。
　　
　　3 加熱融冰技術(shù)――用于加熱融冰與無功靜補(bǔ)的雙用途可控硅整流裝置
　　
　　目前技術(shù)上較成熟的高壓輸電線路自動(dòng)除冰技術(shù)是采用增加導(dǎo)線中的電流，使之超過工作電流，引起導(dǎo)線發(fā)熱，從而使附著在導(dǎo)線上的冰、雪、霧凇等融化脫落，達(dá)到去除它們的目的。加熱融冰技術(shù)既可采用交流電流，也可采用直流電流。冰害較嚴(yán)重的前蘇聯(lián)自1972年開始使用二極管整流裝置融冰，現(xiàn)在則采用可控硅整流裝置。
　　可控硅技術(shù)發(fā)展到今天，建造融冰用的各種電壓、電流可控整流裝置已不成問題，主要還是對(duì)具體工程而言其技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較上是否滿足要求�？紤]到融冰裝置每年只工作有限的天數(shù)，在其余時(shí)間就可以將其整流部分用于其它的功能，比如其可控硅整流器用作無功靜止補(bǔ)償。這樣，從綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較上采用可控硅整流融冰就是合算的了。
　　根據(jù)這種思路，俄羅斯直流研究院（НИИПТ）研制成功了兩個(gè)電壓等級(jí)的可控硅整流融冰裝置：14kV（由11kV交流母線供電）和50kV（由38.5kV交流母線供電）。14kV裝置的額定功率為14MW（型號(hào)ВУПГ-1000-14），50kV裝置的額定功率為50MW（型號(hào)ВУПГ-1000-50）。50MW裝置于1994年在變電站投運(yùn)，用于一條315km長(zhǎng)的110kV輸電線路的除冰。
　　這種融冰裝置包括1臺(tái)型號(hào)為ТДТН-40000/40000/40000的三繞組（115/38.5/11.0kV）變壓器、具有典型保護(hù)的高低壓側(cè)開關(guān)和刀閘、可控硅整流器ВУПГ-1000-50（包括控制系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)、整流閥強(qiáng)迫空冷系統(tǒng)等）、連接110kV線路和融冰裝置的母線及開關(guān)裝置。
　　通過計(jì)算選定采用板狀可控硅（型號(hào)Т153-630）。每個(gè)閥包含40個(gè)串聯(lián)的單元（預(yù)留10?裕度），每個(gè)單元都具有分壓和阻尼回路、控制脈沖形成回路和可控硅陽極保護(hù)回路，可控硅的控制采用電纜――變壓器系統(tǒng)。
　　整流器置于配電裝置區(qū)專門的小間內(nèi)，此小間的墻壁為發(fā)泡聚胺酯制作，其中安裝有三相交流和直流正、負(fù)極絕緣子（套管）。循環(huán)冷卻空氣由位于零電位的風(fēng)扇供給。為了保證在長(zhǎng)期閑置后的安全投運(yùn)，專門設(shè)計(jì)了空氣加熱器，用于對(duì)可控硅閥的元件進(jìn)行預(yù)熱干燥。
　　可控硅整流融冰裝置工作時(shí)要在電網(wǎng)中產(chǎn)生電流和電壓諧波，應(yīng)該在交、直流兩側(cè)安裝濾波器�？紤]到濾波裝置造價(jià)較高，用戶同意不安裝濾波器裝置。
　　實(shí)踐中采用的融冰方式為：退出運(yùn)行的線路，其中一相導(dǎo)線接正極（或負(fù)極），另外兩相導(dǎo)線并聯(lián)接負(fù)極（或正極）。融冰時(shí)間為（包括開關(guān)倒閘操作時(shí)間在內(nèi)）2～2.5h。
　　在上述融冰裝置的基礎(chǔ)上，很容易通過增加一些元件構(gòu)成無功靜止補(bǔ)償裝置，從而提高整個(gè)裝置的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。這種組合裝置是在可控硅整流融冰裝置的基礎(chǔ)上增加了L-C濾波支路、電抗器和無功調(diào)整結(jié)點(diǎn)。
　　
　　4 防凍融冰存在的問題及分析
　　
　　輸電線路的融冰操作性質(zhì)屬于事故處理。值班調(diào)度員臨時(shí)擬寫操作指令票，安排電網(wǎng)運(yùn)行方式，臨時(shí)將輸電線路上的用戶轉(zhuǎn)移到其他線路上供電，操作任務(wù)多且很復(fù)雜，往往一條輸電線路融完冰要幾個(gè)小時(shí)到十幾個(gè)小時(shí)，如果這期間線路不堪重負(fù)發(fā)生倒桿斷線，則將前功盡棄，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全和停止廣大用戶的供電。融冰準(zhǔn)備的倉促性、操作的復(fù)雜性、耗時(shí)的長(zhǎng)期性、供電的可靠性等等這些問題直接制約著輸電線路的融冰工作。如果能有效提高融冰操作時(shí)間，那以上的威脅就大大減少了。
　　我國最常用的是人工除冰方法。輸電線路覆冰最嚴(yán)重的區(qū)段一般只是一條線路中的幾檔或十幾檔，最長(zhǎng)也只有幾十公里至100公里左右，所以用木棍、竹竿等最原始的工具對(duì)最嚴(yán)重的覆冰線路段進(jìn)行敲擊，就可除去線路上的覆冰。另一種方法是利用起重機(jī)、絕緣作業(yè)工具車或帶電直接作業(yè)方式除冰。由人力在地面操作拉動(dòng)滑輪在線路上滑動(dòng)來鏟除線路覆冰的方法，在我國并不經(jīng)常采用。
　　此外，還有熱力融冰技術(shù)、過電流融冰技術(shù)、短路融冰技術(shù)等。短路融冰技術(shù)包括不帶負(fù)荷的三相短路融冰技術(shù)、導(dǎo)線對(duì)導(dǎo)線兩相短路融冰技術(shù)、導(dǎo)線對(duì)地線單相短路融冰技術(shù)，以及傳統(tǒng)的帶負(fù)荷融冰技術(shù)、利用介質(zhì)損耗除冰技術(shù)、利用短路電磁力除冰技術(shù)等。其中利用短路電磁力除冰技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較大影響，不適用于超高壓輸電線路；不帶負(fù)荷短路加熱導(dǎo)線融冰方法最為完善，在我國應(yīng)用較為廣泛；傳統(tǒng)的帶負(fù)荷融冰方法只適用于局部覆冰嚴(yán)重地段的線路，對(duì)大面積覆冰地區(qū)線路的融冰或較長(zhǎng)線路的全線融冰還做不到；利用介質(zhì)損耗除冰技術(shù)，把電介質(zhì)加熱和趨膚效應(yīng)加熱結(jié)合起來，可以均勻除冰，能耗較低，移動(dòng)靈活方便，但有待于解決電磁干擾問題。
　　
　　5 結(jié)束語
　　
　　輸電線路覆冰故障嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。為防止線路發(fā)生覆冰故障，首先在設(shè)計(jì)輸電線路階段采用合適抗冰設(shè)計(jì)設(shè)施；在設(shè)計(jì)階段無法做到有效抗冰時(shí)，應(yīng)該考慮采用合適的防冰和除冰技術(shù)設(shè)施。
　　
　　參考文獻(xiàn)
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