新型单回地线融冰方法研究

新型单回地线融冰方法研究

张琳

国网浙江省电力有限公司培训中心310015

摘要：本文首先介绍了地线覆冰对电网运行的危害，阐述了地线融冰的必要性和紧迫性；然后计算了地线融冰电流的理论值并通过实验室融冰电流和保线电流试验进行了验证，探索了地线融冰规律；最后提出了基于地线区域化改造和应用直流融冰装置进行热力融冰的单回地线融冰方法，该方法首次提出保线电流在地线覆冰防范中的应用，并具备融冰全程无需线路停电的优势。最后以某实际线路地线融冰工程为例介绍了方案中的关键改造措施和实施措施。

关键词：架空地线；地线融冰；融冰试验

0引言

输电线路覆冰有可能导致输电线路过荷载、绝缘子串覆冰闪络、导线舞动以及发生不均匀覆冰或不同期脱冰事故，从而造成巨大的经济损失和严重的社会影响。我国是世界上输电线路覆冰事故发生较多的国家，2008年初我国南方大范围冰雪灾害中，输电线路覆冰的经济损失超过了500亿元。输电线路覆冰是影响电网安全运行的突出问题之一。

自2008年冰灾后，国内外机构对架空输电线路融冰技术已有较为深入的研究，相关融冰装置也有较为广泛的应用。浙江、湖南、贵州、江西等省每年冬季均对架空输电线路进行交直流融冰，积累了一定的工程经验。

随着架空输电线路融冰技术的日渐成熟，地线覆冰成为冰灾后线路稳定运行的瓶颈。且线路覆冰将严重影响电网系统的安全运行，轻则发生冰闪事故，重则发生地线断裂、杆塔倒塌事故。架空地线覆冰对输电线路造成的危害主要分为两类：

第一，架空地线在冰荷载的作用下出现断股、断线。如果冰荷载超过了架空地线的机械强度，架空地线就会出现断股、断线。第二，架空地线在冰荷载的重力作用下弧垂过低。由于冰荷载的重力作用，架空地线将比无覆冰时的弧垂要低，弧垂降低的程度取决于冰荷载的重力和架空地线本身的弹性模量。弧垂过大，再加上覆冰导线特殊的空气动力特性，容易导致地线发生舞动，因而增加了地线之间放电的风险。

国内研究机构对地线融冰展开了较广泛研究。湖南电科院主要技术为采用缠绕法进行架空地线融冰，通过在绝缘铜线上施加电压，利用导线发热来使冰层融化。但该方法需对所有地线进行改造，成本较高。江西省九江电业局在09年进行了地线融冰，尝试将所有的地线对地绝缘，当地线结冰后，直接施加交流电压。但该方法具有分段及多点接地的山区难以取到电源、在严寒天气工程实施困难等局限性。重庆大学提出了地线融冰电流计算公式及仿真结果，浙江大学提出了几种地线绝缘方式改造方案等；但均限于理论研究，并未实际应用于工程项目。

因此研究地线融冰规律，探究地线融冰装置的典型配置方案并提出合适的地线融冰方法具有紧迫性和必要性。

1地线融冰电流计算及融冰试验

1.1融冰电流计算

导线融冰电流是指使导线上覆冰融化的电流。融冰电流在导线电阻中产生的热量一部分使冰柱的温度上升至熔点，一部分使冰柱融化，一部分损失在从导线表面到冰柱表面的传递途中，还有一部分通过冰柱表面散失。其计算公式如下[1]：

式中：Ir为融冰电流，A；R0为0℃时的导线电阻，Ω/m；tr为融冰时间，h；ΔT为导线温度与外界气温之差，℃；g0为冰的比重（一般按雨凇取0.9）；b为冰层厚度，即覆冰每边冰厚，cm；D为导体覆冰后的外径，cm；RT0为等效冰层传导热阻，℃*cm/W；d为导线直径，cm；λ为导热系数，W/（cm*℃）。

根据上述融冰电流理论计算公式可计算不同型号地线在不同环境条件和不同覆冰厚度下的最小融冰电流。该最小融冰电流将作为融冰试验的电流参考值。通过融冰试验对该电流进行验证和修正，同时探寻覆冰层融化规律。

1.2融冰电流试验

地线融冰试验应用浙江省电力科学研究院自主设计研发的导线覆冰、融冰成套装置，包含导线覆冰装置、大电流发生器、温度传感器、步入式温湿度箱等设备，对长约2米的架空地线样品进行覆冰、融冰试验，控制环境温度、电流大小为变量，测量融冰过程中地线表面温度，描绘温升曲线，同时观察覆冰层融化效果，总结地线融冰规律。融冰装置装置结构如图1所示。覆冰、融冰试验实拍照片如图2、图3所示。

图4不同融冰电流下温度随时间变化曲线

可见，当电流为100A及以下时，经过约半小时导线表面温度未明显上升，导线覆冰层未发现融冰现象，说明此时地线发热量不足，未能使覆冰层发生相变，融冰电流过小。当电流为120A时，地线温度由第3分钟至第10分钟保持0℃附近，此时导线表面冰层因发生相变而吸收大量热，当地线周围冰层融化后，地线表面温度上升迅速，至第37分钟时冰层发生脱落，融冰结束。该融冰试验结果与理论计算融冰电流值（116A）相近，从试验的角度论证了融冰计算公式的正确性。实际工程应根据现场环境条件和覆冰情况对融冰电流和融冰时间进行调整。

1.3保线电流试验

（1）保线电流概念：指导线通流所发生的热量使其表面不能覆冰的电流。

（2）试验流程：以JLB1A-35地线作为试验对象，温、湿箱环境温度分别恒定设置为-5℃和-10℃，利用导线覆冰装置，调节覆冰套管内径至最小并包裹导线，向管内注水至淹没大部分导线，在地线不覆冰状态下通入60A至80A电流，并保持1h，测量导线表面温度，查看导线表面是否有结冰现象。作为对比，导线附近放置一杯水并观察其结冰现象。

（3）试验数据：

导线表面温度大于冰点温度的工况均不会出现结冰现象，而冰点以下的工况将出现冰水混合物或直接结冰的现象，导线旁边放置的水杯也会出现结冰现象。该试验可以判断保线电流的正确性并验证当导线通入的电流大于保线电流时，可以防止导线表面覆冰。导线表面温度记录如表1所示，因实验室条件限制，试验时无风速，考虑一定裕度，将表面温度大于3℃时通过的电流视为该工况下地线的保线电流。因此，环境温度为-5℃时保线电流为70A；环境温度为-10℃时保线电流为80A。

表1地线在不同条件下表面热平衡温度（单位：℃）

图7发电车为电源的单回地线融冰方法示意图

2.2方案技术要点

（1）电源选取

根据需融冰地线确定融冰电流和回路阻抗后计算所需电源容量选取合适的间隔或发电车作为交流侧电源；回路中一次通流设备额定电流应大于融冰电流，若出现电源容量无法满足需要时应考虑减小融冰区域。

（2）地线直流融冰装置改造

目前直流融冰装置应用于架空导线融冰，输出直流电流较大，地线融冰装置降低了装置容量和输出电流，减小了装置体积，增强了装置移动性，以满足地线融冰需求。

（3）覆冰段的地线绝缘化改造

考虑到我国大部分地区的输电线路覆冰段仅为线路总长的1/3至1/20左右，因此只对覆冰段相关的几个耐张段地线进行绝缘化改造；若覆冰段一端离变电站较近，距离不到三公里，可将绝缘化改造段进行相应延长，此时电源点可从变电站选取，兼利用变电站地网。改造方法可为加避雷器或带间隙绝缘子。一般来说动作/耐受电压选5kV，间隙放电电压选4kV即可满足融冰要求，改造后地线防雷仍然起作用。

（4）杆塔降阻设计

对于单地线情况，由于地线阻抗较大，可达2欧姆/公里以上，加上塔身本身限制，额外加装回流地线有困难，因此选择大地回流方式。通流首端若有条件选在变电站则利用变电站地网；首末端无条件时均选用杆塔本地接地装置。由于覆冰段往往地处山区，杆塔接地电阻可达20欧姆甚至更高，应对接地装置增设延长接地体50米左右。对于接地电阻仍然较大的地区，考虑增设接地延长体后的两级杆塔并联入地，进一步减小回流极接地电阻，从而减小融冰所需容量。

（5）融冰期间电流选取

在气候条件恶劣但地线尚未覆冰的情况下，可选择长时间通过保线电流的方法，使地线表面发热从而防止其覆冰。地线通过保线电流时，电流值较小，所需容量较小，可实施性较强。

当地线表面覆冰情况严重，需对地线进行融冰时，应考虑实际环境温度、风速和覆冰厚度选择合适的融冰电流进行地线融冰。

3某地线融冰工程举例

针对某地区覆冰严重的地线区域（即#55至#41塔）进行融冰方案设计，如图6所示，选取变电站主变10kV侧电容器间隔作为融冰电源；电源点出线端经电缆连接至地线直流融冰装置，装置正极出线经电缆连接至该地线接入端口，负极连接至变电站地网；覆冰段#55至#43杆塔需进行绝缘化改造，地线末端#42、#41杆塔接地，与地网形成通流回路。

3.1融冰回路基础数据

图8双联绝缘子耐张串和直线串示意图

4结论

本文针对单回架空地线线路提出了基于区域性地线绝缘化改造并应用直流融冰装置进行热力融冰的方法，该方法具备以下特点：

（1）针对海拔较高、覆冰较严重区域地线进行方案设计和工程实施，地线绝缘化工作量大大减少，。

（2）进行实际地线融冰全程无需线路停电，增强了线路供电可靠性。

（3）区域性地线融冰装置容量较其他方案减小，设备体积、重量大大减少，移动性强，适合地线融冰需求较高的山区等地貌。

（4）可根据实际气候条件选择使用融冰电流对覆冰地线进行热力融冰或使用保线电流对覆冰预警地线进行地线覆冰防范。

（5）该地线融冰方法所需电源侧容量小，融冰过程中消耗电能少，经济性强。

参考文献：

[1]赵杰.电网防冰融冰技术及应用[M].北京:中国电力出版社,2010.

[2]李再华,白晓民,周子冠,等.电网覆冰防治方法和研究进展[J].电网技术,2008,32(4):7-13.

[3]杨晴,王骏.国内外抗冰融冰技术研究综述[J].云南电力技术,2008(4):35-38.

[4]彭向阳,周华敏.电网冰冻灾害分析及防雨对侧[J].电力科学与工程,2009,7,25(7):16-19.

[5]黄强,王家红,欧名勇.2005年湖南电网冰灾事故分析及其应对措施[J],电网技术,2005,29(24):16-1.

作者简介：张琳（1987-10），女，布依族，贵州，主管，研究方向：电力系统分析、控制与运行。