輸電線路架空地線融冰特性的研究

胡葉舟，余紹峰，張 琳，金宇波

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江省電力公司培訓(xùn)中心，杭州 310000）

輸電線路架空地線融冰特性的研究

胡葉舟1，余紹峰1，張 琳2，金宇波1

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江省電力公司培訓(xùn)中心，杭州 310000）

分析了輸電線路架空地線覆冰的危害，為消融架空地線的覆冰，需要研究架空地線融冰特性。應(yīng)用步入式溫濕箱、溫度測試儀和大電流發(fā)生器等設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)模擬了不同環(huán)境條件下地線覆冰狀況，并進(jìn)行不同電流下融冰的試驗(yàn)，總結(jié)了地線在不同覆冰厚度和不同電流下融冰規(guī)律，驗(yàn)證了融冰電流理論計(jì)算的正確性，同時(shí)對OPGW（光纖復(fù)合架空地線）進(jìn)行了融冰試驗(yàn)前后通信功能測試，并得出不受融冰電流影響的結(jié)論。

輸電線路；架空地線；覆冰裝置；融冰特性

0 引言

自2008年冰災(zāi)后，國內(nèi)外機(jī)構(gòu)對輸電線路融冰技術(shù)已有較為深入研究，相關(guān)融冰裝置也有較為廣泛應(yīng)用。湖南、貴州、江西等省每年冬季均對輸電線路進(jìn)行交直流融冰，積累了一定的工程經(jīng)驗(yàn)。浙江省電力公司現(xiàn)具備固定式直流融冰裝置、移動式直流融冰裝置共10套，融冰范圍涉及數(shù)百條線路，在近幾年抗擊冰災(zāi)中發(fā)揮了重要作用。

隨著輸電線路融冰技術(shù)日漸成熟，OPGW（光纖復(fù)合架空地線）覆冰成為冰災(zāi)后恢復(fù)跳閘線路問題的瓶頸，架空地線覆冰的危害主要分為2類[1]：

（1）如果冰荷載超過了架空地線的機(jī)械強(qiáng)度，架空地線就會出現(xiàn)斷股、斷線。折斷的地線可能懸空或直接搭在輸電線路上，易造成輸電線路對地線放電或直接短路故障，使輸電線路無法正常輸電。此外，架空地線的斷線也會造成輸電線路力學(xué)體系失衡，為桿塔傾斜甚至倒塌埋下隱患。

（2）由于冰荷載的重力作用，架空地線將比無覆冰時(shí)的弧垂要低，弧垂降低的程度取決于冰荷載的重力和架空地線本身的彈性模量。弧垂過大及覆冰導(dǎo)線特殊的空氣動力特性的作用，容易導(dǎo)致導(dǎo)地線發(fā)生舞動，增加了導(dǎo)地線之間放電的風(fēng)險(xiǎn)。此外，當(dāng)導(dǎo)線實(shí)施融冰后，導(dǎo)線因冰荷載的釋放而恢復(fù)正常弧垂，而地線由于無法實(shí)施除冰，其與導(dǎo)線之間的距離可能會小于安全距離，這將會導(dǎo)致導(dǎo)地線之間的放電甚至直接放電。

因此研究地線融冰特性、探究地線融冰規(guī)律具有十分的緊迫性和必要性。

1 地線融冰電流的計(jì)算

地線融冰電流是指使覆冰融化的電流。融冰電流在地線電阻中產(chǎn)生的熱量使冰柱的溫度上升至融點(diǎn)，一部分使冰柱融化，一部分損失在從導(dǎo)線表面到冰柱表面的傳遞途中，還有一部分通過冰柱表面散失。相關(guān)計(jì)算公式為[2-3]：

式中：Ir為融冰電流；R0為0℃時(shí)的導(dǎo)線電阻；tr為融冰時(shí)間；ΔT為導(dǎo)線溫度與外界氣溫之差；g0為冰的比重（一般按雨凇取0.9）；b為冰層厚度，即覆冰每邊冰厚；D為導(dǎo)體覆冰后的外徑；RT0為等效冰層傳導(dǎo)熱阻；d為導(dǎo)線直徑；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；RT1為對流及輻射等效熱阻。

根據(jù)融冰電流計(jì)算公式可計(jì)算不同型號地線在不同環(huán)境條件和通流大小情況下的最小融冰電流。該最小融冰電流將作為融冰試驗(yàn)的電流設(shè)置參考值。通過融冰試驗(yàn)對該電流值進(jìn)行驗(yàn)證和修正，同時(shí)探尋覆冰層融化規(guī)律。

設(shè)定環(huán)境溫度-5℃，風(fēng)速5 m/s，覆冰厚度10 mm，融冰時(shí)間1 h的條件下，通過式（1）與（2），可以計(jì)算出不同類型地線融冰電流的大小，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 幾種常用型號地線融冰電流

2 新型地線覆冰裝置

2.1 新型地線覆冰裝置

新型導(dǎo)地線覆冰裝置的基本功能是針對不同類型輸電線路制作厚度可控的導(dǎo)地線覆冰層，裝置主要由4部分組成：

（1）內(nèi)徑可調(diào)式覆冰套管：由內(nèi)徑調(diào)節(jié)套管和密封套管組成。其主要功能是根據(jù)試驗(yàn)需求設(shè)計(jì)內(nèi)徑在一定范圍內(nèi)（10～60 mm）連續(xù)可調(diào)，并固定覆冰形狀。密封套管兩端采用緊固件進(jìn)行固定，密封套管的上端面開有多個(gè)孔，用于注水和埋設(shè)溫度傳感器，在注水后保證密封性，在覆冰完成后也易與冰層脫離。

（2）長度調(diào)節(jié)器：支架一側(cè)連接長度調(diào)節(jié)器，包括下部連接在支架上的可活動鐵架和用于使可活動鐵架移動的調(diào)節(jié)手柄兩部分。可根據(jù)導(dǎo)線樣品調(diào)節(jié)長度并固定樣品兩端，同時(shí)具備拉直導(dǎo)線功能，使覆冰更均勻。

（3）高度調(diào)節(jié)器：包括四組可調(diào)節(jié)自身高度的高度調(diào)節(jié)器，每組調(diào)節(jié)器由上、下托盤和用于連接兩托盤的調(diào)節(jié)螺栓組成，上托盤支撐內(nèi)徑調(diào)節(jié)套管，下托盤置于支架上。通過多個(gè)高度調(diào)節(jié)器能有效支撐覆冰套管，避免覆冰套管出現(xiàn)下陷的現(xiàn)象，使導(dǎo)線覆冰更均勻。

（4）支架：置于裝置底部，主要功能是支撐和固定導(dǎo)線樣品，并能直接與大電流發(fā)生器連接進(jìn)行融冰試驗(yàn)。裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，覆冰、融冰試驗(yàn)場景如圖2、圖3所示。

圖1 地線覆冰裝置主視圖

圖2 導(dǎo)線覆冰裝置

圖3 導(dǎo)線覆冰效果

2.2 利用新型導(dǎo)線覆冰裝置覆冰步驟

使用地線覆冰裝置時(shí)，首先將地線兩端固定在覆冰裝置支架上，利用長度調(diào)節(jié)器將樣品拉直并固定，同時(shí)在地線的不同位置上預(yù)埋溫度傳感器。將密封套管的端部通過密封膠和緊固夾件與地線端部密封連接，調(diào)節(jié)覆冰管至所設(shè)內(nèi)徑并利用高度調(diào)節(jié)器使覆冰套管均勻包裹導(dǎo)線樣品。密封完成后，從覆冰套管上方開口處注水，注滿為止。最后將注滿水的導(dǎo)線覆冰裝置整體放入步入式溫濕箱中冰凍。

待覆冰完成后，可直接打開覆冰套管，將密封套管從導(dǎo)線樣品上剝離，從而形成了覆冰的架空地線待試驗(yàn)品，且地線上帶有埋設(shè)完成的溫度傳感器，裝置可直接連接大電流發(fā)生器進(jìn)行融冰試驗(yàn)。

3 地線融冰試驗(yàn)與分析

3.1 地線融冰時(shí)表面溫升曲線

試驗(yàn)接線與流程如圖4、圖5所示，對地線融冰試驗(yàn)時(shí)其表面溫度隨時(shí)間的溫升曲線變化規(guī)律如圖6所示，分為起始階段、熱平衡階段、溫升階段：

（1）起始階段：試驗(yàn)開始時(shí)地線溫度與環(huán)境溫度一致，當(dāng)通過大電流時(shí)地線表面開始發(fā)熱，溫度迅速上升至熱平衡溫度（約0℃～4℃），該階段為融冰起始階段，時(shí)間約為3～5 min。

（2）熱平衡階段：當(dāng)?shù)鼐€表面溫度上升至熱平衡溫度后，導(dǎo)線發(fā)熱量大于環(huán)境散熱量，冰層開始吸熱，進(jìn)入相變?nèi)诨A段。而相變過程需要熱量遠(yuǎn)大于使溫度上升的熱量，導(dǎo)線發(fā)熱量幾乎全部用于冰層相變吸熱。因此該階段導(dǎo)線表面溫度將保持不變。熱平衡階段時(shí)間與電流大小、冰層厚度和環(huán)境條件有關(guān)。

圖4 地線融冰特性試驗(yàn)接線

圖5 地線融冰特性試驗(yàn)流程

圖6 地線融冰時(shí)表面溫度隨時(shí)間變化曲線

（3）溫升階段：當(dāng)與地線表面接觸的冰層吸熱發(fā)生相變后，產(chǎn)生的水層向下流，地線表面將產(chǎn)生空隙，溫度開始緩慢上升，最終進(jìn)入溫度飽和階段，導(dǎo)線發(fā)熱量與環(huán)境散熱量保持平衡，此時(shí)融冰結(jié)束。溫升階段時(shí)間與電流大小、環(huán)境溫度等因素有關(guān)。

3.2 融冰電流對地線融冰影響分析

以O(shè)PGW-17-150-4地線作為試驗(yàn)對象，環(huán)境溫度-5℃并恒定設(shè)置，覆冰厚度每次試驗(yàn)均保持為10 mm，分別對試驗(yàn)對象進(jìn)行不同電流下的融冰試驗(yàn)，電流大小分別為150 A，200 A，250 A，300 A，記錄不同試驗(yàn)條件下地線表面溫度隨時(shí)間變化曲線（見圖7），并觀察地線覆冰層變化情況：

（1）當(dāng)電流分別為150 A和200 A時(shí)，導(dǎo)線表面溫度由-5℃上升至0℃，經(jīng)過約1 h導(dǎo)線表面溫度未上升，導(dǎo)線無融冰現(xiàn)象，說明此時(shí)地線發(fā)熱量不足，未能使覆冰層發(fā)生相變現(xiàn)象，融冰電流過小。

（2）當(dāng)電流為250 A時(shí)，地線溫度在3～40 min保持在0℃附近，此時(shí)導(dǎo)線表面冰層因發(fā)生相變而吸收大量熱量，當(dāng)?shù)鼐€周圍冰層融化后，地線表面溫度上升迅速，至第66 min時(shí)冰層發(fā)生脫落，融冰結(jié)束。

（3）當(dāng)電流為300 A時(shí)，因發(fā)熱量與電流平方成正比，發(fā)熱量約增加1.5倍，相變時(shí)間明顯縮短，至26 min時(shí)冰層脫落，融冰時(shí)間結(jié)束。

圖7 環(huán)境溫度-5℃、覆冰厚度10 mm時(shí)OPGW在不同融冰電流下表面溫升

比較電流為250 A和300 A時(shí)曲線可發(fā)現(xiàn)，250 A時(shí)曲線較平滑，而300 A時(shí)曲線有較大波動，原因?yàn)?50 A時(shí)冰層吸熱融化較均勻，300 A時(shí)導(dǎo)線附近冰層迅速吸熱融冰使冰層和地線之間出線懸空層，由于冰層重力下垂后貼近地線使其表面溫度再次下降而出現(xiàn)溫度波動。

此次融冰試驗(yàn)融冰電流值與理論計(jì)算值（260 A）相近，從試驗(yàn)的角度論證了融冰計(jì)算公式的正確性。實(shí)際工程應(yīng)用中一般時(shí)間緊迫，建議相對提高融冰電流縮短融冰時(shí)間。

3.3 覆冰厚度對地線融冰效果影響

以O(shè)PGW-17-150-4地線為試驗(yàn)對象，環(huán)境溫度-5℃并恒定設(shè)置，在覆冰厚度為10 mm和15 mm條件下分別進(jìn)行融冰試驗(yàn)，電流設(shè)定為250 A，記錄不同試驗(yàn)條件下地線表面溫度隨時(shí)間變化曲線（見圖8），進(jìn)行對比并觀察地線覆冰層變化情況：

（1）相同融冰電流條件下，不同覆冰厚度影響融冰時(shí)間，主要因素取決于地線上方覆冰厚度，融冰過程類似切割原理，地線下方覆冰層由于重力實(shí)現(xiàn)脫冰。

（2）不同覆冰厚度下融冰試驗(yàn)起始階段和熱平衡階段時(shí)間相差不大，溫升階段時(shí)間和覆冰層厚度成正比。

（3）對于整段地線出現(xiàn)不同覆冰厚度的情況應(yīng)考慮使用冰厚較小段的融冰電流，并觀察覆冰嚴(yán)重段融冰情況，防止出現(xiàn)融冰電流過大而損壞未覆冰地線的情況。

圖8 環(huán)境溫度-5℃、融冰電流250 A時(shí)OPGW在不同覆冰厚度下表面溫升

4 融冰對OPGW通信功能影響的測試

因融冰過程中地線存在溫升情況，需研究融冰過程對OPGW中通信光纖功能的影響。在融冰試驗(yàn)前后分別對OPGW樣品進(jìn)行光衰測試以及斷芯測試，測試步驟和要求如下：

（1）將OPGW中的光纖芯剝離出來，并清潔裸纖。

（2）將光纜兩端每芯光纖分別與SC單模尾纖（跳線）進(jìn)行接續(xù)。

（3）進(jìn)行光時(shí)域反射損耗測試，采用OTDR（光時(shí)域反射測試儀）連接SC單模尾纖（跳線）進(jìn)行A端-B端（1-24芯）、B端-A端（1-24芯）雙向測試，信號曲線無異常，全程信號曲線打印記錄。

分別對24根光纖在試驗(yàn)前后的衰減情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，其中2根光纖的信號衰減測試值見表2。

表2 OPGW光纜某兩芯光纖信號衰減值dB/km

測量和測試結(jié)果應(yīng)符合以下要求：單模光纖要求在單一模式下測量；光纖衰減測量應(yīng)取雙向測量的平均值；測量的光纖衰減平均值必須符合規(guī)定的指標(biāo)，1 310 nm工作波長，光纖衰減應(yīng)≤0.36 dB/km；1 550 nm工作波長，光纖衰減應(yīng)≤0.22 dB/km；試驗(yàn)前后OPGW信號曲線對比無異常。由試驗(yàn)值可見，融冰大電流并不影響OPGW通信功能。

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)了應(yīng)用步入式溫濕箱、溫度測試儀和大電流發(fā)生器等設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)模擬了不同環(huán)境條件并進(jìn)行不同工況下地線融冰的試驗(yàn)。

通過控制不同融冰電流大小、覆冰厚度等條件進(jìn)行融冰試驗(yàn)地線表面溫度曲線分析對比，為地線融冰工程實(shí)施提供了一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

[1]李再華，白曉民，周子冠，等.電網(wǎng)覆冰防治方法和研究進(jìn)展[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（4）∶7-13.

[2]趙杰.電網(wǎng)防冰融冰技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2010.

[3]G/GDW 716-2012輸電線路電流融冰技術(shù)導(dǎo)則[S].

[4]李慶峰，范崢，吳穹，等．全國輸電線路覆冰情況調(diào)研及事故分析[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（9）∶33-36．

[5]孫才新，蔣興良，熊啟新，等．導(dǎo)線覆冰及其干濕增長臨界條件分析[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23（3）∶141-145．

（本文編輯：楊 勇）

Study on Characteristics of Ice Melting of Overhead Ground Wire of Transmission Line

HU Yezhou1，YU Shaofeng1，ZHANG Lin2，JIN Yubo1
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.State Grid Zhejiang Training Centre，Hangzhou 310000，China）

The paper analyzes hazard on overhead ground wire icing of transmission line.In order to melt ice on overhead grounding wire，the paper puts forward the necessity of overhead ground wire ice melting characteristics.By use of walk-in temperature and humidity chamber，temperature tester and large current generator and other equipment,ground wire icing under different environmental conditions is simulated in laboratory and ice melting tests are conducted with different current values；rules of ice melting under different icing thickness and current values are summarized，and calculation correctness of ice melting current theory；besides，communication function before and after ice melting of OPGW is tested，from which a conclusion is drawn that the communication function can not be influenced by ice melting current.

transmission line；overhead ground wire；icing device；ice melting characteristic

TM755

B

1007-1881（2015）09-0029-05

2015-05-18

胡葉舟（1985），男，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)。