岳永剛,段長君,韓高飛

（內蒙古超高壓供電局，呼和浩特 010080）

0 引言

近幾年，由于異常氣候的影響，我國東南和西南地區出現了大面積冰雪災害。受冰雪天氣影響，大量500kV線路的受損，如安徽、浙江、福建等省都出現了500kV線路倒塔事件，自2008年1月15日桐鳳5419線發現覆冰倒塔開始，浙江500kV交流輸電線路共停役23條，其中共有167基桿塔發生倒塔，28基受損。有4條500kV線路自2008年1月15～19日共發生冰閃跳閘23次，冰閃均發生在玻璃絕緣子串上[1-3]。

融冰機理研究作為覆冰災害體系的一個重要組成部分，對構建防冰減災體系、及早采取措施、防患于未然。電流融冰效果的估算難度很大，取決于線路參數、覆冰參數、外部環境等多種因素，涉及復雜的熱力學過程，對于500kV輸電線路融冰的經驗則更少，所以應根據實際需求進行有目的專題研究。

1 輸電線路融冰的基本方案

在大范圍惡劣天氣的作用下，即使采用了多種防冰措施往往也難以避免出現覆冰情況。對于運行線路當覆冰情況發展到比較嚴重的情況時，需要采取除冰措施。目前已經提出的除冰方法有很多，總體上可以分為熱力融冰、機械除冰和被動除冰三大類方法[4-5]。

根據研究分析的結果，機械除冰法使用的范圍小，且具有一定危險性，被動除冰的方法效率較低，在實際運用中除冰效果不明顯。所以，目前國內外線路除冰方面應用比較廣泛的主要是熱力融冰方法。而熱力融冰的具體方案也有很多，如過電流密度、短路融冰、熱吸收裝置，鐵磁材料線等，其中最簡單、有效且易于實施的是依靠電流發熱的方法。

電流發熱融冰方法中又包括交流融冰和直流融冰兩種方案，交流融冰又分為短路融冰和轉移負荷融冰的方案。依靠電流發熱融冰的技術各有優劣，在國內、外的電力系統中均有成功試使用的案例，首先需要對這些方案的應用可行性及效果進行分析。

1.1 交流融冰的技術方案

（1）轉移負荷融冰

通過調整系統方式，是覆冰區域的輸電線路的負荷電流加大，以確保線路不結冰或線路上的覆冰融化，稱為轉移負荷融冰。這種融冰方式的思路是在確保線路處于運行狀態下進行融冰，在我國的陜西和湖南兩省曾有實踐。陜西省將此技術應用于跨越秦嶺的兩條110kV輸電線路上，該線路是電氣化鐵路的專供線，每年都會發生較為嚴重的覆冰，利用專門設計的開關回路，可以實現利用負荷電流融冰，并一直使用至今。湖南省也曾對35kV和110kV的線路進行過類似試驗。

雖然轉移負荷融冰的技術方案有其優勢，但是受到的限制也很多，如對于220kV及以上線路，需要融冰電流較大轉移負荷比較困難；實踐成功的轉移負荷融冰技術需要專門的開關回路和特殊的導線設計，目前的輸電線路不可能直接應用；轉移負荷融冰會給電網穩定造成較大威脅。

可見，轉移負荷融冰僅陷于一些特殊的情況下進行，無法在電網中大范圍推廣進行。

1.2 短路融冰

短路融冰的基本技術方案是將輸電線路的導線短路，并利用專用裝置使導線上產生較大電流進行融冰的技術方案。該方案最早于1954年在湖南省的兩條跨江線路上應用，取得了成功并沿用至今，基本的融冰方式有兩種，一種的發電機零起升壓，另一種是沖擊合閘方式，如圖1所示。

在融冰操作需要根據現場氣象條件確定融冰電流，進而根據不同融冰方式確定與融冰操作配合的一次、二次方案。

短路電流融冰技術雖然取得了一定的成功經驗，但是這種技術自身也存在著一些不利因素，第一，短路融冰時需將包括融冰線路在內的所有融冰回路中架空輸電線停下來；第二，融冰電源采取零起升壓和沖擊合閘兩種方式中，零起升壓對系統影響不是很大，但應用的范圍有局限，而沖擊合閘在系統電壓較低、無功備用不足情形下，就有可能造成系統穩定破壞事故；第三，三相短路融冰需要耗費巨大電量不僅在經濟上造成損失，同時在冬季負荷高峰期間很難有冗余的電源用來融冰；第四，融冰時需要多個部門通力配合，線路沿線要有人員實時監視，確保線路狀態，融冰準備時間較長，無法應對大范圍的覆冰情況；第五，短路融冰需要巨大的電流通過導線，由于500kV導線截面大，融冰電源難于選取，因而無法應用該技術。

1.3 直流融冰的技術方案

受險于交流輸電系統自身的容量，500kV及以上交流輸電線路的的導線無法實現交流融冰，所以可以考慮應用直流融冰技術。

直流融冰裝置可以分為移動式和固定式兩種類型，移動式直流融冰裝置一般應用于較短線路，這類裝置一般由發電車或系統電源經整流裝置后帶線路融冰，可實現零起升流，在融冰的過程中隨時監視線路的脫冰情況。固定式直流融冰裝置，一般安裝在出線集中的樞紐變電站，一般容量較大，價格昂貴，不進行融冰操作時，可考慮設計為動態無功補償裝置（SVC），融冰時進行功能切換。

目前國外已經研究了基于HVDC技術的融冰整流裝置，加拿大魁北克水電局與AREVA公司合作開發了250MW直流融冰裝置，該裝置在通常條件下可以作為SVC使用，充分提高了使用率，可用于735kV特高壓線路的融冰操作，直流融冰工作時可以輸出電流7200A，狀態轉換時間1小時，直流電壓17.4kV，瞬時過負荷300MW（1.5小時），過負荷電壓20.8kV。

我國在2008年冰災后開始直流融冰技術的研究，目前湖南、浙江等省已經研制成功了應用于500kV交流線路的固定式和移動式直流融冰裝置，并已經開始試運行。

2 輸電線路融冰的物理模型

研究輸電線路融冰物理模型的主要目的有兩個，一個是確定輸電線路的最小不結冰電流，也就是俗稱的“保線電流”；另一個是確定不同氣象條件，不同需求情況下，實現線路融冰的最小電流。這兩個方面是類似的熱力學平衡問題，卻有不同的熱平衡條件，通過對融冰時物理過程的研究，就能夠為輸電線路在覆冰季節的安全運行和融冰操作提供必要的支持[6-7]。

2.1 導線融冰時的傳熱模型

導線融冰的過程是一個較為復雜的傳熱過程，很難用準確的理論模型進行描述，但是可以依賴有限元工具，對其過程進行數值仿真，如圖2所示為架空導線在進行融冰時的斷面結構示意圖。

圖2中給出了融冰過程中的架空線斷面結構，可以想象最外層為冰層、導線附近為融化層，內部為發熱的導線。進行導線融冰時，環境溫度較低，冰層本身的熱導率不大（一般為2.3W/m×℃），因此具有一定的保溫作用；當導線溫度升高時，導線表面附近的冰會融化，形成冰水混合狀態，根據融解的物理原理，冰融解時會大量吸熱而混合物的溫度保持為恒定值0℃；導線的為發熱源，其溫度與加熱功率散熱條件共同決定，由于導線外部包裹著冰所以導線電阻損耗產生的熱量均作用于融化過程，所以表面溫度附近的溫度較低。

圖2 導線融冰時的斷面結構示意圖

2.2 導線融冰的過程模擬

（1）均勻覆冰條件下的導線融冰模擬

根據上述物理過程，可以對LGJ-400/50型單根架空線覆冰20mm以上的條件下的融冰過程進行模擬，設置環境溫度-5℃，外界風速考慮為5m/s，如圖3所示為單根子導線施加500A時的情況。

圖3 單根子導線施加500A融冰時的模擬

從圖3的仿真圖中能夠注意導，導線與冰的交界處（蘭色線）溫度接近0°C，導線內部大約為0.4°C，融化層兩側的溫差大約0.1°C，所以這種情況應當是導線處于臨界可融冰的狀態。

如果在相同條件下設置單根子導線的電流為100A，則模擬的情況如圖4所示。

圖4 單根子導線施加100A融冰時的模擬

從圖4的仿真圖中能夠注意到，導線與冰的交界處（蘭色線）溫度接近 0°C，導線內部為也接近 0°C，融化層兩側的溫差幾乎為0，意味著幾乎沒有熱量從導線向冰層傳遞，也就意味著這種情況下無法實現融冰。

如果在相同條件下設置單根子導線的電流為1000A，則模擬的情況如圖5所示。

圖5 單根子導線施加1000A融冰時的模擬

從圖5的仿真圖中能夠注意到，導線內部的溫度能達到1.5°C，融化層兩側溫差約為1.0°C，由于融化層為流體、且較薄，所以會有較大的熱量向冰層傳遞，所以電流達到1000A時，覆冰導線的溫度會迅速上升，在模擬設置的條件下無法達到熱平衡，意味著這是一個快速融冰過程。

將相同環境條件下，100A、500A和1000A模擬結果中，沿軸向的溫度數據繪制出來能夠清楚看出，不同電流條件下融化層的溫差情況，如圖6所示。

（2）均勻覆冰條件下的導線融冰模擬

實際當中導線的覆冰是不均勻的，所以導線中的溫度分布和散熱方向也將是不均勻的，不均勻覆冰情況的融冰模擬如圖7所示。

圖6 不同電流條件下覆冰導線內部的溫度分布

圖7 不均勻覆冰情況下導線截面的溫度分布

當導線中通過1000A的電流，且覆冰不均勻情況下，導線表面附近會出現不規則的融化層，隨著導線頂部的冰不斷融化，導線外的冰會在重力作用下逐漸下降，最終脫冰。脫冰的過程很難精確模擬，但是仿真數據表明，在覆冰不均勻時，冰層內的溫度分布是不均勻的，如圖8所示。

圖8 不均勻覆冰情況冰層內的溫度分布

從圖8能夠看出不均勻覆冰融冰時，冰層較薄的部分熱阻較小，熱量會向薄的部分傳播，導致該部分的溫度上升較快，所以導線通過大電流融冰時，冰厚較小的部分會先融化，造成脫冰。所以，實際操作中導線融冰所需要的時間是不易確定的。整條線路的電流進行融冰時，各區段不會同時脫冰，這都給融冰操作造成了困難。

2.3 最小不結冰電流的計算

雖然對架空導線進行融冰需要較大的電流，但是在輸電線路運行期間能夠對部分截面較小的導線采取集中負荷的辦法抑制覆冰的增長。當線路負荷足夠使導線表面的溫度高于0°C時，即便有過冷水滴撞擊在導線表面上也會立即融化，不會形成積累。

這個能夠確保導線表面溫度大于0°C的最小電流被稱為最小不結冰電流或預防結冰電流。前蘇聯工程師波×波×布爾格斯托夫曾利用熱力學平衡原理并結合實際情況，推導出了預防結冰的最小不結冰電流計算公式。

其中εn為導線的輻射系數，d為導線直徑，v為風速，t1和t2分別為導線溫度和空氣溫度，I預為最小不結冰電流，R0為0°C時導線每米的電阻。觀察公式（1）可以看出公式中確定最小不結冰電流的主要是環境參數，如風速和環境溫度。根據式（1）可以計算典型500kV導線的最小不結冰電流，如圖9所示為環境溫度-5°C，導線溫度 0°C，時 LGJ-400/35 和 LGJ-630/45型導線的最小不結冰電流變化關系。

圖9 最小不結冰電流與風速的關系

根據有關覆冰條件的討論可以知道[5-7]，在環境溫度-3°C，風速5m/s條件下，如果有降雨將很容易形成覆冰。這時要確保500kV線路不發生覆冰（使導線保持為1°C），按圖9的計算結果，單根子導線通過的電流在 600A（LGJ400）～800A（LGJ630）以上，此時的線路負荷大約應當2400MW左右。很顯然，當出現大范圍覆冰時，使電網中所有500kV線路都達到這樣的負荷水平是比較困難，但是對于導線截面較小的220kV導線，有可能在短時間內發揮一定的作用。

但是當導線已經出現了覆冰時，再將導線電流升高到防冰電流的大小，就無法起到預防導線結冰的效果了，更不能使已經覆在導線上的冰層融化。

3 結語

結合建立的輸電線路融冰的物理模型，對輸電線路融冰過程進行仿真計算分析。根據融冰物理過程，對LGJ-400/50型單根架空線覆冰20mm以上的條件下的融冰過程進行模擬，單根子導線施加100A、500A、1000A時，隨著電流的增加，融冰效果從“無法實現融冰”到導線內部的溫度逐步升高，有較大的熱量向冰層傳遞，在電流達到1000A時，覆冰導線的溫度會迅速上升，在模擬設置的條件下達到一個快速融冰過程。

[1]凌平,錢之銀,趙文彬.華東電網輸電線路覆冰災害防治體系的研究[J].華東電力,2008,36（11）:1-5.

[2]劉純,陸佳政,陳紅冬.湖南500kV輸電線路覆冰倒塔原因分析[J].湖南電力,2005（05）:5-7+15.

[3]傅闖,饒宏,黎小林,晁劍,田杰,陳松林,趙立進,許樹楷,馬曉紅.直流融冰裝置的研制與應用[J].電力系統自動化,2009,33（11）:53-56+107.

[4]鄧萬婷,汪濤,何清.輸電線路除（融）冰技術可行性比較[J].湖北電力,2009,33（01）:6-8.

[5]陸佳政,李波,張紅先,方針,蔣正龍.新型交直流融冰裝置在湖南電網的應用[J].南方電網技術,2009,3（04）:77-79.

[6]顧小松,王漢青,劉和云.覆冰導線融冰計算模型[J].中南大學學報（自然科學版）,2010,41（05）:2011-2016.

[7]楊立軍,周菊華.基于3D有限元模型的架空輸電線路融冰電流計算[J].華中電力,2010,23（03）:10-14.