交直流輸電線路熱力融冰技術(shù)分析

向往，譚艷軍，陸佳政，化雨，文勁宇

(1.強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院)，武漢市430074;2.湖南省電力公司試驗研究院，國家電網(wǎng)公司輸變電設(shè)備防冰減災(zāi)技術(shù)實驗室，長沙市410007)

0 引言

我國的湖南、貴州等地是冰災(zāi)多發(fā)地區(qū)，冰災(zāi)期間，輸電線路、塔桿和絕緣子串上的積雪容易形成覆冰層，當設(shè)備上的覆冰達到一定重力時，便容易造成斷線、倒塔等嚴重事故，給電力系統(tǒng)的安全運行造成嚴重破壞，對人類生產(chǎn)生活造成嚴重危害。因此分析各種融冰的特點和應(yīng)用范圍對于冰災(zāi)時期電網(wǎng)的穩(wěn)定運行具有重大意義［1-2］。輸電導(dǎo)線的除冰融冰是電力系統(tǒng)防冰抗災(zāi)的重點，目前國內(nèi)外已應(yīng)用和正在研究的除冰和融冰技術(shù)已有40余種［3-5］，一般按照原理的不同將它們劃分為機械除冰、自然被動除冰、熱力除冰和其他除冰方法［6-8］。

機械除冰法泛指利用機械力破壞輸電線路導(dǎo)線的冰層來實現(xiàn)除冰的方法。最簡單易行的機械除冰法是外力敲打法，需要線路工作者在現(xiàn)場執(zhí)行，速度慢，安全性差。較為簡易且經(jīng)濟實用的機械除冰法是滑輪碾壓鏟刮法，通過滑輪施加力道使得導(dǎo)線產(chǎn)生彎曲，產(chǎn)生的應(yīng)力使冰破裂脫落，缺點是費時和受地形限制。強力振動法是在電纜上螺旋纏繞一對導(dǎo)線，依靠導(dǎo)線中電磁脈沖產(chǎn)生的電磁力使線纜振動，從而使覆冰脫落，這種方法要求外加振動源，同時振動會導(dǎo)致線纜疲勞［9-10］。新型機器人除冰法是利用電動機械除冰裝置來清除輸電線路上的覆冰。

自然被動除冰法是通過在線路上加裝阻雪環(huán)、平衡錘等裝置，依賴風力、引力等自然力使得冰層脫落。這種方法投入成本低，但使用范圍受自然條件限制，并且效率和可靠性不高。

熱力除冰方法是目前應(yīng)用最為廣泛的融冰方法，它是在線路上通過較大的電流來產(chǎn)生一定的焦耳熱，以此使得線路覆冰融化。常見的熱力融冰法包括交流融冰法和直流融冰法，本文重點針對這2種熱力融冰方法進行研究。

其他除冰方法包括使用CO2激光熱融法、低居里磁熱線等方法以及添加新型覆冰材料等新技術(shù)［11］，但目前這些方法大多還處于試驗階段。

本文首先對熱力融冰基本原理進行闡述，然后對交流融冰法、直流融冰法進行介紹，最后對多種交流融冰方法、直流融冰方法進行比較，給出各自的適用范圍，并對未來直流融冰裝置的發(fā)展進行探討。

1 熱力融冰基本原理

熱力融冰方法核心在于利用電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的焦耳熱進行融冰，這是一個復(fù)雜的物理過程，受多種環(huán)境因素影響，目前尚未有準確而有效的物理模型。一般熱力融冰理論的基礎(chǔ)包括導(dǎo)線臨界防冰電流、臨界融冰電流、最大容許電流、融冰時間這4個概念。

導(dǎo)線臨界防冰電流簡稱臨界電流或保線電流，是指覆冰環(huán)境下，使導(dǎo)線不覆冰的最小電流。一般認為保線電流受風速、環(huán)境溫度、液態(tài)水含量、導(dǎo)線直徑等多種因素影響，文獻［12-13］提出了保線電流Ic的計算公式為

式中:h為導(dǎo)線表面對流換熱系數(shù);Rc為當前溫度下電阻率;Req為導(dǎo)線等效半徑;ks為導(dǎo)線表面系數(shù);hp為空氣強制對流換熱系數(shù);ts為導(dǎo)線表面溫度;tas為水膜與空氣接觸面溫度;ta為空氣溫度;ca為空氣的比熱容;Re為雷諾系數(shù);ε為水膜相對于黑體的總輻射系數(shù);σ為Stefan－Boltzman常數(shù);ω為空氣中液態(tài)水質(zhì)量濃度;cw為水的比熱容;Lv為水蒸發(fā)潛熱;v為風速;pa為自由氣壓;rc為導(dǎo)線表面恢復(fù)系數(shù);e為溫度t時的飽和蒸汽壓;α1為碰撞系數(shù)。

臨界融冰電流又稱為最小融冰電流，是指在一定外部環(huán)境下，能夠使線路覆冰融化的最小電流。文獻［14］提出了臨界融冰電流公式:

式中:Ir為融冰電流;R0為0℃時導(dǎo)線電阻;Tr為融冰時間;Δt為導(dǎo)體溫度與外界氣溫之差;g0為冰的密度;d為導(dǎo)線直徑;b為冰層厚度;D為導(dǎo)線覆冰后的外徑;RT0為等效冰層傳導(dǎo)熱阻;RT1為霧凇對流及輻射等效熱阻。

最大容許電流是指融冰狀態(tài)下導(dǎo)線達到最高允許溫度時通過的電流。融冰時間指融冰開始到覆冰完全融化的時間，一般可以在融冰電流確定情況下根據(jù)熱平衡關(guān)系推導(dǎo)得出［15］:

式中:ci為冰的比熱容;Ta為空氣溫度;ρi為冰的密度;LF為水的汽化潛熱;R'0為覆冰后導(dǎo)線平均半徑;Ri為不覆冰時導(dǎo)線半徑;Ir為融冰電流;Re為單位長度導(dǎo)線在0℃時的電阻。

文獻［16］給出了交流和直流融冰2種情況下線路對電源的電壓和容量要求，如表1所示。

表1 線路融冰對電源電壓和容量要求Tab.1 Requirements of power voltage and capacity for line de-icing

可以看出融冰電源采用交流電源或是直流電源對電源容量與電壓要求不同，具體區(qū)別與影響將結(jié)合下文的交流和直流融冰方法分別進行闡述。

2 交流融冰法

交流融冰法一般是在輸電線路中通過交流大電流以加大線路導(dǎo)線的發(fā)熱，從而實現(xiàn)線路融冰。交流融冰法主要包括短路融冰法、轉(zhuǎn)移負載法和基于移相器的帶負荷融冰法。

2.1 短路融冰法

交流短路融冰法是將線路的某一端三相短路，并且在線路另一端施加融冰電源，使線路中通過較大的短路電流進行融冰。從表1可以看出，對于500kV線路常用的 LGJ－4×300導(dǎo)線，當長度為100 km時，需要的交流電源容量達到了1 260 MVA;而對于220或110kV線路常用的LGJ－300導(dǎo)線，即便需要融冰的長度達到200 km，其電源容量也在可接受范圍內(nèi)，因此短路融冰方法常用于220kV及以下電壓等級的輸電線路中。

短路融冰法的難點主要在于電源、短路點以及融冰線路阻抗匹配方面，因此短路融冰法方案的制定一般需要從以下幾個方面進行考慮:(1)融冰電源的獲得及選擇，包括采用發(fā)電機零起升壓和全電壓沖擊合閘這2種施加融冰電流方法的選取，根據(jù)短路電流大小選取合適的短路電壓等因素;(2)電源、線路相關(guān)參數(shù)的獲取;(3)方案實際可行性分析以及計算校驗。

在實際應(yīng)用方面，短路融冰法是湖南220kV等級電網(wǎng)應(yīng)對冰災(zāi)的最主要手段之一。文獻［17］對湖南電網(wǎng)采用三相短路融冰法進行了利弊分析，并指出短路融冰法的最大缺點在于前期方案編制工作量巨大、融冰電源耗能巨大等，但是對于高山中難以進行線路技術(shù)改造的地區(qū)，短路融冰法還是一種較好的選擇。文獻［18-20］對短路融冰方案進行了探討，其中文獻［18］提出了以圖論來快速生成融冰方案，能夠減少調(diào)度人員工作負擔。

2.2 轉(zhuǎn)移負載法

轉(zhuǎn)移負載法是調(diào)整電網(wǎng)的正常運行方式，使覆冰線路中通過高于正常電流的融冰電流，以達到融冰目的。除了與短路融冰法一樣受限于交流電源容量外，它還會受到諸多其他因素影響。例如文獻［21］對湖南電網(wǎng)和江西電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運行特性進行了分析，指出負荷中心環(huán)網(wǎng)不具備使用轉(zhuǎn)移負載法的能力，并在此研究基礎(chǔ)上對過電流融冰方法的適用范圍進行了探討。

除了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)外，如何匹配線路阻抗以構(gòu)造融冰回路也是轉(zhuǎn)移負載法的難點，對此研究人員提出了采用電容、電感接入網(wǎng)架來調(diào)整線路阻抗。例如文獻［22］提出了并聯(lián)補償電容器加可調(diào)電抗器的方法，對電容器和電抗器容量選擇進行了計算，并將這種方法應(yīng)用于220kV杏花一次變66kV系統(tǒng)中。文獻［23］記錄了可調(diào)電容串聯(lián)補償式交流融冰裝置在瀏陽集里220kV變電站的試驗過程。這些方法擴大了轉(zhuǎn)移負載法的適用范圍，降低了其使用難度，但依舊只能應(yīng)用于輻射網(wǎng)架中，對于環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)仍然不適用。

2.3 基于移相器的帶負荷融冰法

利用移相變壓器的相位角度變化改變平行雙回線潮流分布，在雙回線路中產(chǎn)生一個有功功率的循環(huán)，即其中一回路正向傳輸，另一回線路反向傳輸，使正向傳輸?shù)木€路電流增加發(fā)熱，以達到融冰目的。該方法成功應(yīng)用于加拿大魁北克省，在基本不影響輸電線路正常工作前提下，實現(xiàn)了對230kV和315kV累計900 km輸電線路的融冰。但這種方法需要加裝移相變壓器，并且分裂導(dǎo)線間彼此絕緣，同時對系統(tǒng)的無功轉(zhuǎn)移量要求大幅增加，影響系統(tǒng)安全。

綜上所述，交流融冰法在使用時需要解決的主要問題是大容量融冰電源的獲取，同時為了做到匹配合理的融冰電流，交流融冰方案需要考慮線路阻抗、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等因素的影響，應(yīng)用范圍受到較大的限制。

3 直流融冰法

直流融冰法是在線路中通過直流大電流使導(dǎo)線發(fā)熱進行融冰的方法［24-25］。由表1可知，相對于交流融冰，當采用直流融冰時，由于線路中的感抗不起作用，因此對融冰電源的要求較低，能夠?qū)崿F(xiàn)交流融冰法所不能進行的500kV線路融冰;直流融冰裝置輸出電壓通常可調(diào)整，對于不同長度的線路融冰，不需要再進行阻抗匹配。但是直流融冰法的缺點在于往往需要獨立的直流電源作為融冰電源，且裝置投資成本大，1年中使用時間有限。

基于融冰對象的不同，一般將直流融冰方法劃分為對交流線路和對直流線路的直流融冰法。

3.1 對交流線路的直流融冰方法

當需要對交流線路進行直流融冰時，需將待融冰線路停運，線路首端接上直流融冰電源，線路末端三相短接，或是將線路兩相并聯(lián)再與第三相串聯(lián)，以此構(gòu)成融冰回路，再對線路進行融冰。按照所使用直流融冰裝置的不同，可以將對交流線路的直流融冰技術(shù)劃分為3種類型。

3.1.1基于多脈波不控整流器的直流融冰裝置

基于不控整流器的直流融冰裝置基本拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，既可以制作成固定式，也可做成移動式［26］。它的優(yōu)點在于構(gòu)造簡單，成本低廉，此外，由于沒有采用開關(guān)管器件，可以進行大容量的裝置設(shè)計;同時多脈波的設(shè)計有效降低了裝置注入電網(wǎng)的諧波含量。但該種裝置也有著輸出電壓、電流難以調(diào)控等缺點。

圖1 基于不控整流器的直流融冰裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of DC de-icing device based on uncontrolled rectifier

文獻［27-28］介紹了用于500kV輸電線路，基于12脈波整流器的直流融冰裝置的設(shè)計和研制，并進行了Simulink下的仿真與現(xiàn)場試驗，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果相一致，證明該裝置可滿足500kV導(dǎo)線的融冰需要。

由于裝置由不控整流器構(gòu)成，輸出的融冰電流難以調(diào)整。文獻［29-30］提出了通過改變?nèi)诒b置內(nèi)不控整流器的級聯(lián)方式來調(diào)整輸出電壓，進而達到改變輸出電流的目的，或在移相變壓器上增加調(diào)壓功能，借助調(diào)壓檔位實現(xiàn)輸出直流電壓的改變，并分別將這2種方法應(yīng)用于35kV等級配網(wǎng)不同長度線路或不同型號導(dǎo)線的融冰。

3.1.2 基于可控整流器的直流融冰裝置兼無功補償器

基于可控整流器的直流融冰裝置基本拓撲結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，其核心部件可控整流器由晶閘管構(gòu)成，整個裝置可以實現(xiàn)對輸出直流電壓或直流電流的控制，能夠靈活地應(yīng)對各種長度的融冰線路。由于晶閘管式可控整流器耐壓耐流等級較高，能夠設(shè)計成大容量裝置，實現(xiàn)對500kV線路融冰，目前該類型融冰裝置已有試驗記錄。

圖2 兼具TCR功能的直流融冰裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of DC de-icing device with TCR function

文獻［31］介紹了湖南電網(wǎng)城前嶺220kV變電站使用的固定式融冰裝置，該裝置由12脈波可控整流器構(gòu)成，主要針對LGJ300、LGJ400導(dǎo)線，設(shè)計融冰長度為40 km，現(xiàn)場試驗以35.8 km長的城福線為對象，驗證了融冰裝置的設(shè)計功能。文獻［32］記錄了南網(wǎng)500 kW、25MW和60MW可控整流式融冰裝置樣機的設(shè)計、工廠測試、現(xiàn)場試驗和現(xiàn)場實際融冰結(jié)果。

在不需要融冰的時候，基于可控整流器的直流融冰裝置可以很方便地改裝成晶閘管控制電抗器(thyristor controlled reactor，TCR)型的無功補償裝置，如圖2(b)所示，提高了設(shè)備使用效率，降低了運行維護成本。

目前兼具TCR功能的直流融冰裝置的研究已相對成熟，廣西500kV桂林變電站、湖南500kV復(fù)興變電站、貴州220kV畢節(jié)變電站等均有樣機在試驗或運行［33-35］。

3.1.3 基于電壓源型換流器的直流融冰裝置

隨著絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)等可關(guān)斷器件技術(shù)的發(fā)展，電壓源型換流器(voltage source converter，VSC)在工業(yè)界應(yīng)用愈加廣泛，也出現(xiàn)了基于電壓源型換流器的直流融冰裝置。相較于晶閘管器件構(gòu)成的裝置，采用IGBT構(gòu)成的VSC具有體積小、可以模塊化、功率因數(shù)較高、諧波含量較低等優(yōu)點，但是該類裝置也受到了IGBT耐壓耐流能力的限制，目前還難以用于制造大容量融冰電源。目前南方電網(wǎng)、江西電網(wǎng)分別完成了500 kW、20MW移動式VSC型融冰裝置樣機試驗［36-37］，湖南電網(wǎng)也完成了4.5MW的固定式樣機試驗。

表2歸納了3種直流融冰裝置各自的優(yōu)點與缺點。對比交流融冰法，可以看出直流融冰方法雖然比交流融冰法更靈活、要求更低，但是直流融冰裝置的布置也需配合電網(wǎng)規(guī)劃進行。對于網(wǎng)架靠近負荷中心的重要節(jié)點適合布置帶有兼具SVC功能的直流融冰裝置，對于周邊線路型號和長度較為統(tǒng)一的節(jié)點適合布置不控整流型直流融冰裝置，移動式融冰裝置適合擔當“救火員”的角色，作為交通便利地區(qū)的緊急或應(yīng)急融冰方案。

表2 直流融冰裝置優(yōu)缺點比較Tab.2 Advantages and disadvantages comparison of DC de-icing devices

3.2 對直流線路的直流融冰技術(shù)

直流輸電系統(tǒng)由于常用于大容量遠距離送電，其正常工作電流一般較大，電流在導(dǎo)線上產(chǎn)生的熱量已經(jīng)起到一定融冰保線作用，因此現(xiàn)在國內(nèi)對于采用額外直流融冰裝置對直流線路進行融冰的研究較少，一般直流線路的融冰方案著眼于直流系統(tǒng)的保線運行。

常用的融冰保線方案有3種，示意圖見圖3:

(1)保持原直流系統(tǒng)運行方式不變，通過采用雙極平衡大電流或單極金屬回線大電流的運行方式進行融冰。這樣可以不改變主接線和各種保護及控制設(shè)定，但缺點是冰災(zāi)枯水時期交流電網(wǎng)往往無法提供足夠的功率實施這種方案。

(2)變更主接線，將雙極系統(tǒng)變?yōu)椴⒙?lián)系統(tǒng)。這樣可以將輸出電流變?yōu)檎Ｖ档?倍，缺點是需要設(shè)備和保護控制軟件去配合主接線的改變，這種方案已經(jīng)屬于徹底的融冰方案而非保線方案。

(3)雙極異向方式，即改變負極運行方式，通過在每極采用定電流控制策略，使換流站一極正向傳輸功率，即整流運行工況;另一極反向傳輸功率，即逆變運行工況。采用這種方案，同時升高雙極的直流電流并將直流電流控制在線路的安全運行范圍內(nèi)，通過電流的熱效應(yīng)使直流線路升溫，達到直流線路不結(jié)冰的保線目的;當更大電流運行時，電流熱效應(yīng)可使附著在導(dǎo)線上的冰融化，達到融冰目的。這種方案需要對控制保護軟件進行調(diào)整，但是不需要改變接線，不增加新的設(shè)備投資;同時換流功率主要用于直流線路的功率損耗，與交流系統(tǒng)交換的功率較小，使交流電網(wǎng)負擔小。因此直流線路的直流融冰方案一般采用雙極異向方式進行保線融冰，當線路覆冰情況特別嚴重時，才采用改變主接線方式進行緊急和徹底融冰工作。

圖3 高肇線三種直流融冰模式示意圖Fig.3 Three dc de-icing modes at Gaozao tie-line

4 其他熱力融冰方法

4.1 激光熱力融冰法

高功率、高能量的激光與冰相互作用會產(chǎn)生熱效應(yīng)。冰對不同波長的激光吸收長度不同，一般來說，激光波長在1～10 μm時，冰對其的吸收長度約從幾十mm減小至幾十μm。因此，采用不同波長的激光照射到覆冰上，熱效應(yīng)作用的冰層厚度也不同，從而使覆冰產(chǎn)生的變化也有所差異。波長較長的激光作用在覆冰上相當于面熱源，而波長較短的相當于體熱源。因此，在研究利用激光進行除冰時要考慮選擇多少波長的激光器以及采用何種方式使激光能量能夠最大限度地被吸收，并且充分發(fā)揮激光除冰的特點，以提高激光除冰的效果和效率。因覆冰內(nèi)部不能自由形變，故當溫度差產(chǎn)生的應(yīng)力超過冰層的抗拉或抗壓極限時冰層會發(fā)生斷裂，使得比較堅硬的覆冰內(nèi)部產(chǎn)生裂紋和松動，易于去除，也達到激光除冰的效果。

4.2 LC磁熱線融冰法

LC磁熱線是以低居里點(low curie point，LC)磁性材料(LC材料)為芯線，其外覆有鋁(或銅)層的覆合合金線。低居里磁性材料由Fe、Ni、Cr、Si等4種元素按一定比例配合，在真空條件下熔煉冷拔而成。

當覆鋁(或銅)的LC材料(即LC磁熱線)纏繞在通流的輸電線路上時，由于這種材料具有0℃ 以上的居里溫度，在冰點環(huán)境條件下產(chǎn)生了磁性，并因電阻損失和鐵損而產(chǎn)生熱;環(huán)境溫度超過居里點時就不具有磁性，因而也不產(chǎn)生熱。利用LC材料的這一特性既保征了在冰點條件下達到除冰的目的，又能使環(huán)境溫度較高時不增加線損。

5 結(jié)論

本文對國內(nèi)外常用的除冰、融冰方法進行了詳細介紹與對比分析，可以得到以下結(jié)論:

(1)對于局部小范圍線路覆冰問題，可以采用機械除冰法等措施，但是對于大規(guī)模大范圍除冰問題，熱力除冰法才是最為有效的方法。

(2)短路融冰法、轉(zhuǎn)移負載法和基于移相器的帶負荷融冰法是3種常用的交流融冰法，但都具有一定的局限性，對于不經(jīng)常發(fā)生冰凍災(zāi)害且沒有配備專門直流融冰裝置的電網(wǎng)中，交流融冰法可以作為應(yīng)急方案備用。

(3)應(yīng)用于交流線路的直流融冰裝置可以采用不控整流器、可控整流器或電壓源型換流器作為融冰電源，可以根據(jù)實際需要進行選擇，此類直流融冰裝置的發(fā)展將會向著小型化、輕量化方向發(fā)展，同時，如果是固定式裝置，則還需要兼具其他功能如SVC或STATCOM等，以降低其建設(shè)和維護成本。

(4)超/特高壓直流線路的融冰一般應(yīng)在保線前提下進行，在凝凍天氣時，在系統(tǒng)允許的情況下應(yīng)使直流線路運行在滿載工況，以減少覆冰風險。

(5)目前對于絕緣子、桿塔尚無有效的融冰方法，這二者的除冰方案一般需要依靠人力或機器人進行。

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