輸電線路除融冰技術探析論文

　　摘要：本文主要分析了影響輸電線路覆冰的因素及其危害，并系統介紹了除(融)冰技術的發展現狀，提出了輸電線路除(融)冰技術拓展應用研究的新思路。

　　關鍵詞：輸電線路；除(融)冰技術；探析

　　2008年1月中旬至2月初，受大面積降雪和凍雨天氣影響，我國南方地區遭遇大范圍降雨、雪天氣，經歷了有氣象記錄以來最嚴重的持續低溫雨雪冰凍災害。據統計：國家電網公司系統由于覆冰造成高壓線路桿塔倒塌17.2萬基，受損1.2萬基；低壓線路倒塔斷桿51.9萬基，受損15.3萬公里；各級電壓等級線路停運15.3萬條，變電站停運884座。南方電網公司系統桿塔損毀12萬多基，受損線路7000多條，變電站停運859座。此次冰災持續時間長、影響范圍廣、覆冰強度高、危害巨大實屬歷史罕見。這次冰災的直接原因是大范圍長時間低溫、雨雪冰凍氣候所致。那么，如何利用先進的科學技術快速、安全、高效地清除輸電線路上的覆冰，是擺在我們面前的一個重要的研究課題。

　　1.影響輸電線路覆冰的因素

　　1.1氣象因素

　　輸電線路覆冰主要發生在11月至次年3月間，尤其在入冬和倒春寒時覆冰發生的頻率最高。當溫度低于０℃時，大氣中的小水滴將發生過冷卻，氣流中過冷卻水滴與處于過冷卻水滴包圍的輸電線路導線發生碰撞，并凍結在導線表面而形成覆冰。

　　1.2海拔高程因素

　　就同一個地區來說，一般海拔高程愈高，愈易覆冰，覆冰也愈厚，且多為霧凇；海拔高程較低處，其冰厚雖較薄，但多為雨凇或混合凍結。

　　1.3線路走向及懸掛高度因素

　　東西走向的導線覆冰普遍較南北走向的導線覆冰嚴重。因為冬季覆冰天氣大多為北風或西北風，因此，在嚴重覆冰地段選擇線路走廊時，應盡量避免導線呈東西走向。

　　1.4導線直徑因素

　　在常見的小于或等于８m/s的風速下，直徑小于或等于4cm的導線，相對較粗的導線的單位長度覆冰量比相對較細的導線重；對于直徑大于4cm的導線，單位長度覆冰重量反比較細的導線輕；在大于8m/s的較大風速下，對于任何直徑的導線，導線越粗覆冰越重，但覆冰厚度隨導線直徑的增加而減小。

　　1.5導線表面電場因素

　　現場觀測及試驗研究表明，電場強度較小時導線覆冰量、冰厚及密度隨電場強度增加而增加，可當電場足夠高時，帶電導線的覆冰比不帶電導線覆冰少很多，覆冰量與電壓極性有明顯關系；此外，在強電場作用下，導線覆冰的密度也較無電場時小。

　　2.輸電線路覆冰的危害

　　2.1過負載危害

　　過負載危害，即導線覆冰超過設計抗冰厚度(覆冰后質量、風壓面積增加)而導致的事故。機械事故包括：金具損壞、導線斷股、桿塔損折、絕緣子串翻轉、撞裂等；電氣事故，是指覆冰使線路弧垂增大從而造成閃絡和燒傷、燒斷導線等。

　　2.2不均勻覆冰或不同期脫冰危害

　　相鄰檔的不均勻覆冰或線路不同期脫冰會產生張力差，導致導線縮頸或斷裂、絕緣子損傷或破裂、桿塔橫擔扭轉或變形、導線和絕緣子閃絡及導線電氣間隙減少而發生閃絡等。

　　2.3覆冰導線舞動危害

　　導線有覆冰且為非對稱覆冰(迎風側厚，背風側薄)時，線路易發生舞動；大截面導線比小截面導線易舞動，分裂導線比單導線易舞動；0℃時導線張力低至20～80N/mm2易發生舞動。導線舞動的運動軌跡順線路方向看近似橢圓形，由于舞動的幅度大，持續時間長，輕則引起相間閃絡，損壞地線、導線、金具等部件，重則導致線路跳閘停電、斷線倒塔等嚴重事故。

　　2.4絕緣子冰閃危害

　　覆冰改變了絕緣子的電場分布，覆冰中含有污穢等導電雜質時更易造成冰閃。據統計，2003年我國500kV線路非計劃停運原因中冰閃約占23%，在外力破壞類原因中居第二位。2004年10月到2005年1月我國華中地區連續發生了多起惡性覆冰閃絡事故。1963年11月美國西海岸一條345kV線路發生絕緣子串覆冰閃絡，在恢復送電3～4min內，覆冰絕緣子由微弱放電迅速發展到全面閃絡。1988年加拿大魁北克省安那迪變電站連續發生6次絕緣子閃絡事故，造成該省大部分地區停電。

　　3.除(融)冰技術發展現狀及應用

　　目前，國內外對除冰技術的開發相當重視，提出了30余種除冰技術。根據工作原理，這些除冰技術可歸納為以下四類：熱力除（融）冰法、機械除冰法、自然被動除冰法和其它除冰方法。

　　3.1熱力除（融）冰法

　　熱力除（融）冰法是利用附加熱源或者自身發熱，使冰雪在導線上無法積覆，或使已經積覆的冰雪熔化。該策略是在20世紀30年代于參考文獻[3][4]中提出的。目前討論較多的熱力除冰技術有：高壓直流電流除冰技術[5]、交流電流除冰技術[6]、利用高頻高電壓激勵產生的介電損失除冰技術[7]等。典型應用有：1987年日本研制的電阻性鐵磁線、1988年由武漢高壓研究所研制的低居里磁熱線（這種材料在溫度<0℃時，磁滯損耗大，發熱可阻止積覆冰雪或熔冰；當溫度>0℃時，不需要熔冰，損耗很小。這種方法除冰的效果較明顯，但能量消耗較高、使用成本高）、短路電流融冰法（加拿大Manitoba水電局采用過，湖南電網也大面積采用，取得了較好的效果。這類方法只能應用于覆冰期，且應用費用較高）。熱力除冰方法效果較明顯，但能量損耗大，投資成本高，不適用于遠距離防護和除冰。

　　3.2機械除冰法

　　機械除冰法，最早的有“ADHOC”法、滑輪鏟刮法和強力振動法。“ADHOC”法，就是用起重機、絕緣作業工具車或采取帶電直接作業方式機械除冰，有時也采用手工除冰或直升飛機除冰，它耗能小，價格低廉，但操作困難，安全性比較差。滑輪鏟刮法，是一種由地面操作人員拉動一個可在線路上行走的滑輪達到鏟除導線覆冰的方法，此種方法是目前唯一得到實際應用的輸電線路除冰的機械方法，但其被動性強，無防冰效果，工作強度大，效率低，易受地形限制。強力振動法，采用電磁力或電脈沖使導線產生強烈而又在控制范圍內的振動來除冰，對雨淞效果有限，除冰效果不佳。由于機械除冰法在輸電線路上使用時具有操作困難、安全性能不完善等缺點，在我國輸電線路應用較少。

　　3.3自然被動除冰法

　　自然被動除冰法是利用風或其它自然力的作用，再輔以恰當的人工設備，例如在導線上安裝阻雪環、平衡錘等裝置[8]，使冰雪不易在導線上聚結而自行脫落，從而起到防、除冰作用。此類方法簡便易行，成本低，但通常只在特定時間和地域(如多風季節的山脊、風口)有效，不能全面徹底地防止輸電線路覆冰災害。而正在研究中的輸電線路防覆冰涂料，也是一種被動除冰方法。被動除冰法雖不能保證可靠除冰，但無需附加能量；雖不能阻止冰的形成，但有助于限制冰災。

　　3.4其它除冰方法

　　除上述方法外，電子凍結、電暈放電和碰撞前顆粒凍結、加熱等方法也正在國內外研究。電子凍結技術只在負極性下有效，這將大大降低其使用性。電暈放電技術已證明對除冰無效。利用微波加熱霧滴技術，需要大量能源。

　　4.初步研究結論及拓展應用研究思路

　　4.1初步研究結論

　　通過對以上各種除冰方法的比較分析可以得出以下結論：

　　（1）主動除冰技術占除冰技術的主導地位，但需要外界提供能量或者附加機械力。

　　（2）各種方法中，加熱導線的熱力除冰法最為完善。機械法，除滑輪鏟刮法在實際中已得到應用外，其余均未得到足夠重視。由于熱力融冰法和滑輪鏟刮法價格昂貴，通常被經濟實用的機械除冰法所替代。

　　（3）被動方法不需基本投入，且運作價格低廉，但這種方法效率低，受自然條件制約，且局限于一定類型的冰，因此也不夠理想。但研制低結合力和吸收隨機熱輻射型涂料仍具有巨大潛力。

　　（4）有潛力并期望在中短期內得到突破的是：電磁脈沖法和“ADHOC”法。為確保每次冰害后使用這種技術的操作人員的安全，“ADHOC”法需制定標準的使用規則。

　　4.2拓展應用研究的思路

　　4.2.1從輸電線路的物理、電氣特性出發，加強熱力除冰技術的理論研究。如：研究導線覆冰厚度與融冰電流和融冰時間的定量關系；短路融冰方法的線路有效長度以及線路均流技術；基于調相變壓器的雙回和多回輸電線路循環電流帶負荷過電流融冰方法；短路導線磁力特性以及對導線覆冰的破壞機理；變電站固定式和車載式輸電線路覆冰高壓直流融冰系統。

　　4.2.2加強對節能的防、除冰技術裝置的研究，如高能除冰機器人的研究等。

　　4.2.3由導線結冰的基理入手，從防結冰的角度出發，盡可能將冰粘現象及其機理研究清楚。通過與相關學科(如：材料科學、表面科學、制造工藝等)有機結合，逐步研究開發新的防冰覆蓋的方法和材料，并結合各種除冰方法的研究和應用，從多方面入手認真解決線路覆冰和除冰的技術難題。

　　參考文獻：

　　[1]蔣興良、易輝，《輸電線路覆冰及防護》[M].北京：中國電力出版社，2002

　　[2]LAFORTE J L，ALLAIREA M A，LAFLAMME B J.State-of-the-art on power line de-icing [M].[s.n]，1998

　　[3]H.B.Smith and W.D.Wilder，“Sleet melting practices-Niag-ara Mohawk system”Trans.A IEE，vol.71，no.III，1952

　　[4]J. E. Clem，“Currents required to remove conductor sleet，”E2lect. World，pp.1053- 1056，Dec.6th，1930

　　[5]李街森等，《直流融冰技術探討》[J].電力設備，2008.9（6）

　　[6]常浩等，《交直流線路融冰技術研究》[J].電網技術，2008

　　[7]Joshua D.McCurdy，Charles R.Sullivan and Victor F.Petrenko. Using dielectric losses to de-ice power transmission lines with 100 kHz high-voltage excitation [C].Industry application conference 2001，Thirty-sixth IAS annual meeting conference record of the 2001

　　IEEE，Vol. 4，2515-2519

　　[8] V.F. Petrenko，M.Higa， M.Starostin， and L.Deresh. Pulse electrothermal de-icing [C].Proceedings of the Thirteenth(2003) International Offshore and Polar Engineering Conference.2003

　　[9]水利電力部高壓研究所，《輸電線路導線除冰方法綜合研究》[R].武漢：武漢高壓研究所，1986

　　[10]黃新波等，《電力架空線路覆冰雪的國內外研究現狀》[J].電網技術，2008，32(4)

　　[11]李寧等，《輸電線路除冰技術的研究》[J].防災科技學院報，2008，10(3)

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