输电线路除融冰技术探析论文

输电线路除融冰技术探析论文

　　摘要：本文主要分析了影响输电线路覆冰的因素及其危害，并系统介绍了除(融)冰技术的发展现状，提出了输电线路除(融)冰技术拓展应用研究的新思路。

　　关键词：输电线路；除(融)冰技术；探析

　　2008年1月中旬至2月初，受大面积降雪和冻雨天气影响，我国南方地区遭遇大范围降雨、雪天气，经历了有气象记录以来最严重的持续低温雨雪冰冻灾害。据统计：国家电网公司系统由于覆冰造成高压线路杆塔倒塌17.2万基，受损1.2万基；低压线路倒塔断杆51.9万基，受损15.3万公里；各级电压等级线路停运15.3万条，变电站停运884座。南方电网公司系统杆塔损毁12万多基，受损线路7000多条，变电站停运859座。此次冰灾持续时间长、影响范围广、覆冰强度高、危害巨大实属历史罕见。这次冰灾的直接原因是大范围长时间低温、雨雪冰冻气候所致。那么，如何利用先进的科学技术快速、安全、高效地清除输电线路上的覆冰，是摆在我们面前的一个重要的研究课题。

　　1.影响输电线路覆冰的因素

　　1.1气象因素

　　输电线路覆冰主要发生在11月至次年3月间，尤其在入冬和倒春寒时覆冰发生的频率最高。当温度低于０℃时，大气中的小水滴将发生过冷却，气流中过冷却水滴与处于过冷却水滴包围的输电线路导线发生碰撞，并冻结在导线表面而形成覆冰。

　　1.2海拔高程因素

　　就同一个地区来说，一般海拔高程愈高，愈易覆冰，覆冰也愈厚，且多为雾凇；海拔高程较低处，其冰厚虽较薄，但多为雨凇或混合冻结。

　　1.3线路走向及悬挂高度因素

　　东西走向的导线覆冰普遍较南北走向的导线覆冰严重。因为冬季覆冰天气大多为北风或西北风，因此，在严重覆冰地段选择线路走廊时，应尽量避免导线呈东西走向。

　　1.4导线直径因素

　　在常见的小于或等于８m/s的风速下，直径小于或等于4cm的导线，相对较粗的导线的单位长度覆冰量比相对较细的导线重；对于直径大于4cm的导线，单位长度覆冰重量反比较细的导线轻；在大于8m/s的较大风速下，对于任何直径的导线，导线越粗覆冰越重，但覆冰厚度随导线直径的增加而减小。

　　1.5导线表面电场因素

　　现场观测及试验研究表明，电场强度较小时导线覆冰量、冰厚及密度随电场强度增加而增加，可当电场足够高时，带电导线的覆冰比不带电导线覆冰少很多，覆冰量与电压极性有明显关系；此外，在强电场作用下，导线覆冰的密度也较无电场时小。

　　2.输电线路覆冰的危害

　　2.1过负载危害

　　过负载危害，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。机械事故包括：金具损坏、导线断股、杆塔损折、绝缘子串翻转、撞裂等；电气事故，是指覆冰使线路弧垂增大从而造成闪络和烧伤、烧断导线等。

　　2.2不均匀覆冰或不同期脱冰危害

　　相邻档的不均匀覆冰或线路不同期脱冰会产生张力差，导致导线缩颈或断裂、绝缘子损伤或破裂、杆塔横担扭转或变形、导线和绝缘子闪络及导线电气间隙减少而发生闪络等。

　　2.3覆冰导线舞动危害

　　导线有覆冰且为非对称覆冰(迎风侧厚，背风侧薄)时，线路易发生舞动；大截面导线比小截面导线易舞动，分裂导线比单导线易舞动；0℃时导线张力低至20～80N/mm2易发生舞动。导线舞动的运动轨迹顺线路方向看近似椭圆形，由于舞动的幅度大，持续时间长，轻则引起相间闪络，损坏地线、导线、金具等部件，重则导致线路跳闸停电、断线倒塔等严重事故。

　　2.4绝缘子冰闪危害

　　覆冰改变了绝缘子的电场分布，覆冰中含有污秽等导电杂质时更易造成冰闪。据统计，2003年我国500kV线路非计划停运原因中冰闪约占23%，在外力破坏类原因中居第二位。2004年10月到2005年1月我国华中地区连续发生了多起恶性覆冰闪络事故。1963年11月美国西海岸一条345kV线路发生绝缘子串覆冰闪络，在恢复送电3～4min内，覆冰绝缘子由微弱放电迅速发展到全面闪络。1988年加拿大魁北克省安那迪变电站连续发生6次绝缘子闪络事故，造成该省大部分地区停电。

　　3.除(融)冰技术发展现状及应用

　　目前，国内外对除冰技术的开发相当重视，提出了30余种除冰技术。根据工作原理，这些除冰技术可归纳为以下四类：热力除（融）冰法、机械除冰法、自然被动除冰法和其它除冰方法。

　　3.1热力除（融）冰法

　　热力除（融）冰法是利用附加热源或者自身发热，使冰雪在导线上无法积覆，或使已经积覆的冰雪熔化。该策略是在20世纪30年代于参考文献[3][4]中提出的。目前讨论较多的热力除冰技术有：高压直流电流除冰技术[5]、交流电流除冰技术[6]、利用高频高电压激励产生的介电损失除冰技术[7]等。典型应用有：1987年日本研制的电阻性铁磁线、1988年由武汉高压研究所研制的低居里磁热线（这种材料在温度<0℃时，磁滞损耗大，发热可阻止积覆冰雪或熔冰；当温度>0℃时，不需要熔冰，损耗很小。这种方法除冰的效果较明显，但能量消耗较高、使用成本高）、短路电流融冰法（加拿大Manitoba水电局采用过，湖南电网也大面积采用，取得了较好的效果。这类方法只能应用于覆冰期，且应用费用较高）。热力除冰方法效果较明显，但能量损耗大，投资成本高，不适用于远距离防护和除冰。

　　3.2机械除冰法

　　机械除冰法，最早的有“ADHOC”法、滑轮铲刮法和强力振动法。“ADHOC”法，就是用起重机、绝缘作业工具车或采取带电直接作业方式机械除冰，有时也采用手工除冰或直升飞机除冰，它耗能小，价格低廉，但操作困难，安全性比较差。滑轮铲刮法，是一种由地面操作人员拉动一个可在线路上行走的滑轮达到铲除导线覆冰的方法，此种方法是目前唯一得到实际应用的输电线路除冰的机械方法，但其被动性强，无防冰效果，工作强度大，效率低，易受地形限制。强力振动法，采用电磁力或电脉冲使导线产生强烈而又在控制范围内的振动来除冰，对雨淞效果有限，除冰效果不佳。由于机械除冰法在输电线路上使用时具有操作困难、安全性能不完善等缺点，在我国输电线路应用较少。

　　3.3自然被动除冰法

　　自然被动除冰法是利用风或其它自然力的作用，再辅以恰当的人工设备，例如在导线上安装阻雪环、平衡锤等装置[8]，使冰雪不易在导线上聚结而自行脱落，从而起到防、除冰作用。此类方法简便易行，成本低，但通常只在特定时间和地域(如多风季节的山脊、风口)有效，不能全面彻底地防止输电线路覆冰灾害。而正在研究中的输电线路防覆冰涂料，也是一种被动除冰方法。被动除冰法虽不能保证可靠除冰，但无需附加能量；虽不能阻止冰的形成，但有助于限制冰灾。

　　3.4其它除冰方法

　　除上述方法外，电子冻结、电晕放电和碰撞前颗粒冻结、加热等方法也正在国内外研究。电子冻结技术只在负极性下有效，这将大大降低其使用性。电晕放电技术已证明对除冰无效。利用微波加热雾滴技术，需要大量能源。

　　4.初步研究结论及拓展应用研究思路

　　4.1初步研究结论

　　通过对以上各种除冰方法的比较分析可以得出以下结论：

　　（1）主动除冰技术占除冰技术的主导地位，但需要外界提供能量或者附加机械力。

　　（2）各种方法中，加热导线的热力除冰法最为完善。机械法，除滑轮铲刮法在实际中已得到应用外，其余均未得到足够重视。由于热力融冰法和滑轮铲刮法价格昂贵，通常被经济实用的机械除冰法所替代。

　　（3）被动方法不需基本投入，且运作价格低廉，但这种方法效率低，受自然条件制约，且局限于一定类型的冰，因此也不够理想。但研制低结合力和吸收随机热辐射型涂料仍具有巨大潜力。

　　（4）有潜力并期望在中短期内得到突破的是：电磁脉冲法和“ADHOC”法。为确保每次冰害后使用这种技术的操作人员的安全，“ADHOC”法需制定标准的使用规则。

　　4.2拓展应用研究的思路

　　4.2.1从输电线路的物理、电气特性出发，加强热力除冰技术的理论研究。如：研究导线覆冰厚度与融冰电流和融冰时间的定量关系；短路融冰方法的线路有效长度以及线路均流技术；基于调相变压器的双回和多回输电线路循环电流带负荷过电流融冰方法；短路导线磁力特性以及对导线覆冰的破坏机理；变电站固定式和车载式输电线路覆冰高压直流融冰系统。

　　4.2.2加强对节能的防、除冰技术装置的研究，如高能除冰机器人的研究等。

　　4.2.3由导线结冰的基理入手，从防结冰的角度出发，尽可能将冰粘现象及其机理研究清楚。通过与相关学科(如：材料科学、表面科学、制造工艺等)有机结合，逐步研究开发新的防冰覆盖的方法和材料，并结合各种除冰方法的研究和应用，从多方面入手认真解决线路覆冰和除冰的技术难题。

　　参考文献：

　　[1]蒋兴良、易辉，《输电线路覆冰及防护》[M].北京：中国电力出版社，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，《直流融冰技术探讨》[J].电力设备，2008.9（6）

　　[6]常浩等，《交直流线路融冰技术研究》[J].电网技术，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]水利电力部高压研究所，《输电线路导线除冰方法综合研究》[R].武汉：武汉高压研究所，1986

　　[10]黄新波等，《电力架空线路覆冰雪的国内外研究现状》[J].电网技术，2008，32(4)

　　[11]李宁等，《输电线路除冰技术的研究》[J].防灾科技学院报，2008，10(3)

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