输电线路融冰技术

输电线路融冰技术

第1章 绪论

1.1 选题背景

电力系统遭受的风灾、地震灾害、冰灾等自然灾害中，冰灾给电网造成的损失往往更为严重，轻则发生冰闪，重则造成倒塔(杆)、断线，甚至使电网瘫痪。

2008年初，低温雨雪冰冻天气覆盖我国南方、华中、华东地区，导致贵州、湖南、广东、云南、广西和江西等省输电线路大面积、长时间停运，造成全国范围电网停运电力线路36740条，停运变电站2018座，110KV-500kV线路共有8381基杆塔倾倒及损坏，全国共170个县(市)发生供电中断的情况。南方电网供电区域的贵州大部分、广西桂北地区、广东粤北地区和云南滇东北地区电网设施遭受严重破坏。这次冰灾给国民经济和人民生活造成巨大损失，仅南方电网的直接损失就达150多亿元。

国外也有类似的案例。从1998年1月5日0时开始，美国东北部和加拿大东南部冻雨持续了6天，降水量惊人。从安大略州东南部和纽约北部到魁北克的西南部，冻雨量累计超过80mm。这次冰灾对加拿大和美国都造成了巨大的经济损失。其中加拿大的安大略州东南部和魁北克南部省份的受灾情况最为严重。覆冰导致大量输电线路铁塔、树木等倒塌，电力供应中断，交通堵塞，通信异常，最后约60万人撤离家园，10万人需要到临时收容站避寒。该次冰灾中，魁北克电网中超过3000km电力线路受到冰灾影响，造成1000座高压输电杆塔、3000座配电杆塔倒塌，4000台变压器需要修复。鉴于输电线路覆冰的重大危害，研究切实可行的输电线路融冰方法十分重要，且非常迫切。

1.2 输电线路覆冰形成原因及危害

在特定的环境下，线路覆冰才会发生的。

1.2.1 河南地区输电线路覆冰原因分析

从不同地区部分调查结果分析, 西北地区雾凇覆冰日数远大于雨凇覆冰日数。我国输电线路导线覆冰最为严重的地区主要集中在湖南、湖北、江西、云南、河北、河南及山西等省份。覆冰现象主要见于冬末和初春时期，线路上结成一条银白色的物质，像一条银白色的带子。

输电线路上覆冰种类较多，有雨淞、雾淞、混合淞、湿雪、冻雨覆冰和冻雾覆冰等，影响导线覆冰的主要的气象因素有气温、空气湿度和风。一般来说最易覆冰的温度为-8～0℃。若气温太低，比如在-20～-15℃或更低时，水滴将变成雪花而不易于形成覆冰。当有了足够冻结的温度后，覆冰的形成还必须有较高的空气湿度，一般要求空气湿度达到90％以上。如果是凝结在电线上，就使电线覆冰。这就是电线覆冰。

河南地区冬季最低气温可达到-10℃。若遇到连绵雨雪天气，且持续低温，电线上的覆冰很难自然融化，加上导线本身发热较少，冰会越积越厚，极易形成冰灾事故。

1.2.2 覆冰危害

根据冰害事故类型分析, 覆冰事故可归纳为以下四类： （1）线路覆冰的过载事故

即导线覆冰超过设计抗冰厚度(覆冰后质量、风压面积增加)而导致的事故。机械方面，包括金具损坏、导线断股、杆塔损折、绝缘子串翻转及撞裂等；电气事故则是指覆冰使线路弧垂增大，从而造成闪络，威胁人身安全。2008 年初，湖南处于海拔 180-350 m 之间的电网设施出现严重覆冰现象，先后有岗云、复沙和五民 3 条 500 kV 线路出现倒塔事故，共倒塔 24 基，变形 3基。

图1 2008年湖南冰灾中受灾的架空线路

（2） 不均匀覆冰或不同期脱冰事故

对于导线和地线来说, 相邻档不均匀覆冰或不同期脱冰都会产生张力差, 使导线在线夹内滑动, 严重时将使导线外层铝股在线夹出口处全断、钢芯抽动, 造成线夹另一侧的铝股发生颈缩, 拥挤在线夹附近,长达1～20m ( 悬垂线夹和耐张线夹均有此类情况发生) 。不均匀覆冰的张力差是静荷载, 而不同期脱冰属动荷载, 这是二者的不同之处。其次, 因邻档张力不同, 直线杆塔承受张力差, 使绝缘子串产生较大的偏移, 碰撞横担, 造成绝缘子损伤或破裂。再次, 当张力差达到一定程度后, 会使横担转动, 导线碰撞拉线, 电气间隙减小, 使拉线烧断造

成倒杆。

（3） 绝缘子串冰凌闪络事故

覆冰是一种特殊形式的污秽, 其放电过程也是由表面泄漏电流引起的。绝缘子覆冰或被冰凌桥接后, 绝缘强度降低, 泄漏距离缩短。融冰时, 绝缘子表面将形成导电水膜, 绝缘子局部表面电阻降低,

形成闪络。闪络发展过程中持续电弧烧伤绝缘子, 引起绝缘子绝缘强度降低。

（4） 覆冰导线舞动

导线覆冰不均匀形成所谓新月形、扇形、D形等不规则形状。当风速在4～20m/s, 且风向与线路走向的夹角≥45°时, 导线便有了比较好的空气动力性能, 在风的激励下诱发舞动。轻者发生闪络、跳闸,

重者发生金具及绝缘子损坏, 导线断股、断线, 杆塔螺栓松动, 甚至倒塔、导致重大电网事故。

1.3国内外研究现状及意义

覆冰作为一种严重的自然灾害，对电网的破坏性很大。尤其对高纬度地区，其覆冰现象更严重，如何解决融冰问题也就受到了相当大的重视。

1.3.1 研究现状 自20世纪40年代以来，冰灾对电力系统的威胁各国研究人员竭力解决的世界性技术难题。加拿大各地政府在对抗输电线路覆冰灾害方面积累了丰富的经验，形成了一套较为高效、系统的应急对策，并开发了相应的融冰装臵。英国利用冰情监控系统，一旦发现覆冰层超过警戒厚度，监控系统立即向调度部门报告，由调度部门调整运行方式，转移线路负载、停运该线路，并将对侧三相短路接地，由发电机作为融冰电源。然而，该方案实施时，所有继电保护装臵必须进行调整，因此技术复杂。同时各国加强研究输电线路覆冰研究，提出了各种覆冰模型，探索覆冰机理，研究更加符合实际的覆冰监控系统。日本在一个风洞设施开展试验研究, 监测单位时间内围绕转角度、试验持续时间以及运行导线表面的温度等参量，并分析了各种气象参数对冰雪的影响。

2003—2004 年，英国 EA 技术公司在其严酷天气试验场(位于英格兰与苏格兰交界的死水地)搭建了现场试验装臵，尝试验证根据气象学模型预测冰载荷的有效性。现场采集的数据有：覆冰导线重量(通过黑兹尔测力传感器获得，包括导线重量、冰载荷和风载荷等)、风速、风向、温度、湿度、降水率、由 仪器提供 、液滴尺寸和能见液态水含量 ( Gerbers )(通过图像识别得到)，并每隔24 h通过网络传输到度开普赫斯特技术公司。分析EA 2004-2005年度Gerbers仪器的监测数据发现：当温度、风向和显示出结冰条件时，黑兹尔测力传感器监测数据同样证实了导线结冰；当三者之中，任一因素未显示结冰条件时，测力传感器监测数据同样表明导线没有结冰。试验结果也证实了根据Gerbers仪器与其他气象数据预测导线结冰的准确性。

我国是世界上输电线路严重覆冰的地区之一。因此, 覆冰技术的研究和探讨无疑对提高我们日常输电线路的安全运行及解决高湿、高海拔地区输电线路覆冰问题，都将是有积极意义的。2008年以后，国内掀起了研究除冰技术的高潮，得出了许多有价值的研究成果。

1.3.2研究意义

除冰技术的研究现实意义很强。我国的除冰技术研究起步比较晚，基本是引进国外的研究成果，自己研究的成果比较少。鉴于目前这种情况，以及近年来气候变化不定，冬季出现较大的自然冰冻灾害时有发生。加强对输电线路除冰技术研究和设计，各省和地区应该根据各自的气候和当地的气象条件，以及地理位臵，分别加以研究。设计相应的电路和实现装臵，在覆冰的情况下，能够采取相应的措施，是提高电力系统稳定和持续供电的有效手段，尽可能地降低冰灾对电网的破环和减少对人们的生活的影响。研究除冰技术一方面提高抗冰的能力；另一方面，提高除冰的效率。

目前电力系统融冰方法较多。本论文将简要阐述国内外几种常用的除冰方法，分析并比较各方案的应用范围及利弊。

第2章 输电线路融冰模型的建立

首先，先介绍一个名词—临界负荷电流。导线不覆冰时流过的最小电流称为防止导线覆冰的临界电流 ，用Ic表示。

理论依据：通过对导线在通流情况下的覆冰过程进行有效的传热分析，可得覆冰气象条件下导线不覆冰的临界负荷电流Ic。根据热力学平衡可知：

Ic2R1t=Qf+Qd

即Ic =1tdfRQQ

即电流产生的焦耳热量应该等于辐射出的热量与对流损失热量相等。其中R1t为1℃时单位长度导体交流电阻，计算中可近似取20℃时导线的直流电阻；Qf为单位长度辐射散热；Qd为单位长度对流散热。Qf、Qd的值与外部气候条件和导体本身情况有关。

图2 导线覆冰图

2.1 简单电力系统模型建立

本论文主要是对河南一简单输电系统进行研究，建立简单的模型。一方面使问题变得简单，研究有所侧重。根据戴维宁定理可知，任何一个复杂的电力系统，都以可通过等值计算，转化成一个简单的输电系统。另一方面，可以使计算变得简单，易于理解。

如图3所示的简单电力系统，输电线L1和L2均采用LGJ-300型号的导线。经查该导线的电阻为R=0.105Ω/km,X=0.4Ω/km;根据河南的气候特点，一月份平均气温在-2°C左右，气温维持在-7～-1 °C左右。导线正常运行的温度是70°C左右。

图3 输电线路简化图

基本参数的计算：

（1）等值电路：

图4 输电线路等值电路图

则X1*T=NBkSSU100(%)=601001005.10=0.18

X=0.4×105 × 2.navBUS=0.41052115100=0.32 X=0.32

则X*=0.18+0.16=0.34

又Iw=Iw*〃IB

IB=BBVS3=1153100=0.502KA

又 Iw*=*1X=34.01=2.941

Iw= 0.502×2.941=1.48KA

(2)计算导线临界不覆冰电流Ic

导线对流单位长度散热为：

Qd=（0w）F1

其中为对流系数，=1.5(0w) ,w为导线正常运行温度，一般为70°C。0是导线运行下空气温度，本次设计取负-7°C，F1为导线单位长度散热面积。

由导线截面积300mm可知

42D=300，则D=19.55mm

F1=D=0.06(m/m),

又=1.5×（70+7）=6.855W/( m〃°C)

Qd=6.855×0.06×77=31.67(W/m)

计算单位长度导线的辐射：

公式为Qf=5.7[(100273w)-(1002730)]×F1