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12008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I c 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：

I c 2R 1=t =Q f +Q d

即Ic =1=+t d

f R Q Q

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R 1=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；Q f 为单位长度辐射散热；Q d 为单位长度对流散

热。Q f 、Q d 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L 1和L 2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X 1*T =

N B k S S U 100(%)=601001005.10?=0.18 X =0.4×105 × 2.n av B

U S =0.4?105?2

115100=0.32

X =0.32

则X ∑*=0.18+0.16=0.34 又

I w =I w *〃I B I B =B B V S 3=1153100?=0.502KA

又 I w *=∑*1X =34

.01

=2.941 I w = 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：

Q d =（0θθ-w ）F 1 其中为对流系数，=1.5(0θθ-w ) ,w θ为导线正常运行温度，

一般为70°C 。0θ是导线运行下空气温度，本次设计取负-7°C ，F 1为导线单位长度散热面积。

由导线截面积300mm 可知

4

2

D π=300，则

D=19.55mm F 1=D=0.06(m /m), 又=1.5×（70+7）=6.855W/( m 〃°

C)

Q d =6.855×0.06×77=31.67(W/m)

计算单位长度导线的辐射：

公式为Q f =5.7ε[(100273w θ+)-(100

2730θ+)]×F 1

其中ε为导体的辐射系数，新线取0.23~0.43，旧线0.9。由于本次设计中的输电线采用钢芯铝绞线，线路常年运行，表面不光滑，故取ε为0.9。

则Q f =5.7ε[(

100273w θ+)-(1002730θ+)]×F 1 =5.7×0.9[(100

70273+)-(1007273-)]×0.06 =27.20(W/m)

由Ic =

1=+t d f R Q Q 可知，其中R 1=t =0.105×

10/m Ic =1=+t d

f R Q Q =310

105.020.2776.31-?+=0.749KA Ic 是决定除冰方案是否可行的理论依据。

本次计算中未考虑发电机等值电抗，原因是：当电网系统中较多线路覆冰时，一般是先对某一线路进行短路，然后依次对覆冰线路进行除冰，这样可以减少停电面积，降低覆冰对生产和生活的影响。所以系统的容量可以看成无限大容量系统，发电机等值电抗为零。另一方面，短路点的距离距发电机较远，也可以认为系统为无限大容量系统。

2.2 输电线路及导线覆冰模型架空线路模型建立：如图5所示

图5架空线路模型

图中架空线路顶端安装了黑兹尔测力传感器，该传感器可以获得导线重量、冰载荷和风载荷等参数。主要用来对线路覆冰情况进行实时监控，以便采取相应的除冰措施。当测得黑兹尔测力传感器的数据大于CPU设定的覆冰重量时，就采取相应的除冰措施。

导线的覆冰模型如图6所示

图6覆冰输电线等值电路

该模型给出了覆冰情况下的输电线的等值电路，主要是为了研究500kV及以上超高压输电线路，导线对地的电容很大，这时不能忽略系统对地电容。因此覆冰可以改变线路的对地电容，影响无功的分布。

2.3 融冰数学模型

图7 除冰模型方框图

从方框图可以看出：测力传感器可以获得导线重量以及覆冰后的导线的重量等信号。传感器输出的信号一般比较微弱，经过放大后，进行D/A转换，即数字信号转换成模拟信号。因为单片机只处理数字信号，因此需对其进行数模转换。转换后的数字信号，需要进行光电隔离。因为在高压输电线上，电磁辐射很强，对信号的干扰很大，所以需要对其进行光电隔离（见注释），屏蔽干扰信号。之后，将信号传给CPU,单片机初始化已设定的初始值，进行比较，选择不同的除冰方式。

融冰思路如下：（1）当导线未覆冰时，CPU不输出除冰命令；（2）当获得信号表示导线已覆冰，但覆冰厚度小于最大设计覆冰厚度时，执行潮流融冰；（3）当CPU得到的信号，大于设定的最大覆冰厚度时，执行短路融冰。（4）当传感器器获得覆冰厚度并没有减少，这说明系统容量不够大，短路融冰效果不好。此时，CPU应执行直流融冰措施。直流融冰不需要考虑电抗和电容消耗的大量无功量，所以需要的系统容量较少。

本论文重点是对论文中的简单系统进行融冰技术分析，选择比较合适的除冰措施。第3章和第4章分别阐述了热力融冰技术和电磁力除冰技术。为除冰措施的选择提供一种思路，这是本论文的意义所在。由于篇幅有限，文章未对如何获得除冰信号进行深入的研究，这是以后研究的方向。

第3章热力融冰技术分析

热力融冰法是世界公认的最有效的除冰技术，其采用焦耳效应融冰原理，利用电流加热覆冰导线进行除冰。加拿大魁北克水电研究院的研究人员建立了用于估算不同电流、温度、风速条件下融冰时间的数学模型，即:

E c+E

cg +E

fg

=（I2R+P

s

-P

r

-P

c

）t （1）

式中：E c为加热导线所需的能量，J/m；E

cg

为加热冰所需的能量，

J/m；E

fg

为冰融化所需的能量，J/m；R为导线电阻，Ω / m ；I为

导线中的电流，A；P

s 为吸收的太阳能，W/m；P

r

为热辐射损失，W/m；

P

c

为热对流损失，W/m； t 为电流施加时间，s。公式（1）相比于

I

c 2R

1=t

=Q

f

+Q

d

，更加全面。在一定环境下，可以测出以上变量。

3.1 潮流融冰

改变潮流分配融冰主要依靠科学调度，提前改变电网潮流分配，

使线路电流达到临界融冰电流以上以防止覆冰，这是工程应用中针对

输电线路最方便、有效、使用地除冰方法。相同条件下，重负载线路

覆冰较轻或不覆冰 ,轻载线路覆冰较重 ,而避雷线与架空地线相对

于导线覆冰更多 ,这一现象与导线通过电流时的焦耳效应有关 ,当

负荷电流足够大时 ,导线自身的温度超过冰点 ,则落在导体表面的

雨雪就不会结冰。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 I

c

为:

I

c 2R1=t=Q

f

+Q

d

（2）

Ic为不覆冰的临界电流。Q

f 为单位长度辐射热量，Q

d

为单位长

度对流热量。R1=t为1°C时交流电阻，可以取20 °C时直流电阻。 Q

f

和Q

d

的值与外部环境气候和导体散热情况有关。公式（2）是对公式（1）的简化，主要运用于工程计算。

随着输电网络FACTS设备的大量应用，电网在潮流控制方面更

加灵活有效，通过改变潮流分布的融冰方法能够在应对冰灾方面发挥更大的作用。基于移相器的带负荷融冰法，即ONDI(on-load network de-icer)法，最早在 1990 年提出，并在此后得到了发展。此方法利用移相变压器角度的变化改变平行双回线的潮流分布，通过增加其中一回线的电流来增加线路发热，达到融冰的目的。基于移相变压器的潮流融冰法成功运用于315kV的输电线路。其实现电路图8如下：

图8移相变压器调度潮流融冰电路图

工作原理：变电站内设在线除冰装臵 (以移相变压器为基础 )，正常运行时，与线路的接线如图3-1 ( a ) 所示。覆冰发生后，选定目标线路进行除冰作业时: (1) ONDI中移相变压器偏角设为0?；

(2)闭合开关C

1

B 、C

2

B

,打开CB3和CB4, 使装臵与右边的线路串联;(3)

调节偏角，直至线路上的电流达到要求。如图b 所示，目标线路上的电流包括负载电流和调度电流。在融冰过程中，其余线路1、2、3都能保持继续运行。通过改变几个开关过程，就能达到除冰的目的，方法简单实用，对操作人员比较易懂易学。

简单计算：假设图2-2中变压器T 1输出容量为50MVA ，考虑一定的安全裕量，不计变压器损耗。图2-2中，输电有两条线路，主要考虑备用。现假设只有一条线路在运行，所以导线容量可以近似看作50MVA 。

则S=3UI=50MVA ，U=115 kV

可得到：I 1L =0.25kA

上述数据表明导线本身的电流很难融冰。可通过改变潮流，增加导线L 1的容量，以提高导线的载流量。假设此时导线L 1容量为60MVA ，

则可得I 2L = 115360

?=0.3012kA < I c 。 导线容量增大幅度为：%20%100505060=?- 电流增大幅度为：%20%10025.025.030.0=?-

从增大幅度来看，通过改变线路潮流，可以提高导线的运行电流，但增加的幅度不大。由于计算中没有考虑损耗，所以实际增加的电流还要小一些。由此可知，这种方法对已覆冰较严重的线路，效果并不好。这种方法可以运用于线路覆冰初期，降低覆冰厚度，可以起到一定的缓解作用，但不能根本上解决覆冰问题。

基于移相器的带负荷融冰法最大优点是：无需中断供电源，提高电网可靠性，简便易行；可运用于除冰，也可以运用于防冰。缺点是:

正常情况下通过调度转移潮流有诸多不便，可能会引起系统的震荡；另外，潮流转移程度有限，对大面积冰的灾来袭时，有一定的限度；避雷线和架空地线上的覆冰无法预防。

3.2 短路融冰

三相短路融冰是指将线路的一端三相短路，另一端供给融冰电源，用较低电压提供较大短电路电流加热导线的方法使导线上的覆冰融化。人为地将两相或三相短路，形成短路电流（控制在导线热稳定允许最大电流之内）加热导线来达到融冰的目的。

短路电流只要满足I c?I k?I m，（其中I c为融冰临界电流， I k为短路电流，I m为线路最大允许电流），就可以达到融冰效果。

现在对图9模型进行计算:

如图3-2所示的简单电力系统，输电线L1和L2均采用LGJ-300,经查线路的电阻为R=0.105Ω/km,X=0.4Ω/km;以河南地区为例：根据河南地区的气候特点，一月份平均气温在-2 °C左右，气温维持在-7～-1°C左右。导线正常运行温度在70°C左右。现运用三相短路除冰技术进行简单的计算，看能否采用此方法。

图9简单输电系统

分析如下：其三相短路简化图为图10：对L 1和L 2覆冰线路进行除冰，实际情况可以在变压器T2星形侧进行三相短路，即在线路末端短路。

等值电路如下:

图10 等值电路图

可以计算出：(1)取S B =100MVA ，V B =V n av . 由2.1简单电力系统模型建立可以得出I w =1.48KA ,即每条线路流过的短路电流为0.74kA 。

L 1和L 2两条线路,其中一条线路为备用，可以提高输电的可靠性。若其中一条由短路器断开，只让L 1这条线路运行，对一条线路进行短路，可以计算如下得X ∑*=0.18+0.32=0.5

I w *=∑*1

X =2所以I 1w =I w *〃I B =1kA 。

导线临界不覆冰电流Ic=0.749KA

可以看出I w ＞Ic ，系统有足够大的短路电流融冰。

本次计算中，由于覆冰天气较恶劣，太阳的辐射热量较低，近似计算，可以忽略。同时由于对覆冰线路进行短路融冰，系统的容量是比较大的，可以近似将系统看成是无限大容量系统，系统电源阻抗为零。从计算结果可以显示，系统的提供的短路容量是足够的。

分析计算数据：当通过第一阶段的潮流融冰后，发现效果不太好，这时采用了短路融冰。（1）若两条线路同时运行，可以知道每条线路的短路电流为0.74kA ,与临界覆冰电流相差不大。一方面通过第一阶段的潮流融冰，线路覆冰已经减弱;另一面，本次设计中不覆冰临界电流是考虑最恶劣的天气时所计算得到的。本文中的计算数据可以满足最恶劣的天气，效果还是不错的。

计算还可以发现，一条线路的短路电流大于两条线路同时运行的短路电流，这就告诉我们，若遇到更加恶劣的天气，可以断开一条线路，使另外一条短路，可以提高短路电流。

3.3 直流融冰

由于500kV 线路采用分裂导线，线路的分布电容很大，而直流电阻只有交流阻抗的10%左右。交流短路融冰方式，融冰电源需要提供很大的无功功率用于线路的充电，作用于线路发热的部分很少，而直流没有这种情况。因此要得到相同的融冰功率，采用直流融冰方式所需的容量要小得多。经过实践研究可知，对于500kV 及以上系统，采用直流融冰是很值得考虑的方案。

采用直流融冰的理论分析：

一般电压等级低于500kV 线路不采用直流融冰。因为当采用直流融冰，要将所有的继电保护装臵进行切换，直流型的继电保护现在还是一个技术难题，所以操作起来比较复杂，同时还需考虑滤波等问题。假设本次设计中的输电线路电压等级提升为500kV ，线路其它参数不变，变压器额定容量不变，对其进行简单的计算

取S B =100MVA ，V B =V n av .

则X 1*T =N B k S S U 100(%)=60

1001005.10 =0.175