采用渦流自熱環防止輸電線路冰雪災害的方法研究

黃亞飛 蔣興良 任曉東 黎芷毓

采用渦流自熱環防止輸電線路冰雪災害的方法研究

黃亞飛 蔣興良 任曉東 黎芷毓

（輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學） 重慶 400044）

輸電線路覆冰現象對電網的安全運行造成極大危害，國內外一直在探索和研究各種對于輸電線路防冰止雪的有效方法和技術措施。該文根據輸電線路導線覆冰積雪的形成過程，提出在導線上分段加裝鐵磁復合材料制成的渦流自熱環，使其在導線傳輸電流產生的磁場下產生電磁熱損耗，實現導線不停電自動除冰方法。該文通過磁熱分析，對不同傳輸電流下渦流自熱環的發熱功率特性進行了計算；同時通過對導線除冰過程熱平衡的分析，計算出不同風速、不同溫度條件下導線的臨界除冰功率。在人工氣候室內開展LGJ-400/35導線的渦流自熱環防/除冰試驗。試驗結果表明，間隔布置的渦流自熱環可以明顯抑制導線覆冰的形成，除布置處完全融冰外，可使整段導線的覆冰質量減少18.38%～30.61%。理論和試驗結果表明，對微地形、微氣象地區等電網小范圍重冰區而言，渦流自熱環是一種簡單、有效的不停電導線防冰除冰措施。

架空輸電線 覆冰災害 防冰除冰 磁熱損耗

0 引言

對寒冷地區來說，覆冰是一種普遍的自然現象，但對輸電線路卻是一種極大的威脅。一旦覆冰發生，輸電線路將可能發生導線斷股、斷線、舞動，桿塔金具損壞，絕緣子冰閃等機械和電氣事故，嚴重時會造成大范圍、長時間的供電中斷[1-3]。

我國是輸電線路覆冰事故最頻發的國家之一，長期以來難以預測輸電線路覆冰事故給國家造成極大的經濟損失[4-5]。2008年大規模的電網冰災促進了我國對輸電線路冰災防治領域的研究，學者們在輸電線路覆冰積雪的形成機理、致災機制以及防冰除冰方法等方面均取得了一定進展。然而由于覆冰現象的復雜性和隨機性，輸電線路覆冰災害仍然難以杜絕[6]。

輸電線路導線的覆冰累積是一個綜合流體力學、熱力學的物理過程。在長期的研究過程中，學者們從輸電線路覆冰積雪的不同影響因素出發，提出了許多防冰除冰的方法，如機械除冰、防冰涂料、熱力學融冰及電脈沖除冰等[7-9]。各種方法在不同的環境和使用條件下均有一定的效果，但都存在局限性，沒有任何一種方法能完全解決輸電線路覆冰問題。現階段直流融冰方法作為一種高效的主動除冰方式在中國被廣泛采用[10]。但是直流融冰方法需要線路停電進行、設備成本高昂，而且直流融冰裝置的接入操作和起效均需要一定的時間。所以對于極速、大面積的冰雪寒流侵襲，直流融冰也顯得無能為力[11-12]。

輸電線路導線外部附加熱磁材料除冰是一種自動、不斷電防冰除冰方法。七五攻關中，武漢高壓研究所等單位研制出多種LC（低居里點）合金材 料，并將其制成熱磁線纏繞在導線外側以實現導線除冰[13]。但是由于LC材料的造價過于昂貴，并且熱磁線的安裝過于困難導致其難以進行推廣使用。高小玫等計算了不同磁熱結構的發熱量，為磁熱結構的優化設計提供了參考[14]。李窘等制作了導線用低居里點磁性防覆冰鋼絲，并且在自然實驗中驗證了其有效性[15]。蔣興良等通過分析研究后指出附加磁熱材料實現導線不斷電除冰是完全可行的，但是材料成本需要進一步降低，制作工藝需要進一步改 進[16]。

本文總結了已有的導線防除冰經驗，結合磁熱計算和除冰過程熱平衡分析，提出采用低成本復合鐵磁材料制成渦流自熱環進行導線自動不斷電除冰的方法，并且在人工氣候室內開展了LGJ-400/35導線的渦流自熱環除冰試驗，以證明該方法的有效性。

1 渦流自熱環除冰原理與磁熱計算

1.1 渦流自熱環除冰原理

當通以交流電流時，導線外側將存在一個交變的磁場，位于其附近的鐵磁材料在交變磁場中將產生強烈的交變磁感應強度，引發磁滯損耗和渦流損耗[16]。與此同時，如果在鐵磁材料外再包覆電阻率較小的導電覆層，使其在鐵磁材料感應的交變磁感應強度中產生渦流損耗，其產生的熱能將進一步增大。當鐵磁材料的磁熱達到一定數值時就可以減輕、延緩或融化輸電導線上的覆冰。

我國常見電力傳輸線的電流密度為0.9～1.6A/mm2。以400mm截面的鋼芯鋁絞線為例，其正常運行時傳輸電流可達360～640A，其附近磁場強度最高可達3 000～4 000A/m。在如此高的磁場強度下，導線附近鐵磁材料中感應的交變磁感應強度可達0.5～1T。鐵磁材料中的磁場強度和磁感應強度可分別表示為

式中，m為磁場強度峰值；m為磁感應強度峰值；1為工頻角頻率（50Hz）；為相位差。

1.2 渦流自熱環磁熱計算

渦流自熱環的磁熱m來源主要有磁心的磁滯損耗e、磁心渦流損耗h及導電鍍層的渦流損耗r[14]，即

磁心磁滯損耗功率e為

式中，為工作頻率；為施泰因梅茨系數；m為磁心的磁導率；1為磁心體積。

磁心的渦流損耗功率h為

式中，m為磁心材料的電阻率。

覆層的渦流損耗功率h為

式中，c為覆層材料的電阻率；2為覆層體積。

為了得到較大的發熱量，同時考慮到材料的成本，本文渦流自熱環的磁心用價格低廉、易于加工的鑄鐵制成，按導線直徑尺寸加工成單只可開口鐵環以便于安裝。鑄鐵屬于鐵磁性材料中的軟磁材料，工頻下的相對磁導率在300左右，最大飽和磁感應強度可達841mT。鐵心外部鍍上一層1.5mm的銅作為發熱覆層。渦流自熱環的外形尺寸如圖1所示，其結構參數見表1。

圖1 渦流自熱環外觀尺寸

表1 渦流自熱環結構參數

Tab.1 Parameters of self-heating ring

通過式（3）～式（6），計算出單個渦流自熱環的發熱功率隨傳輸電流的變化情況如圖2所示。當傳輸電流較小時，渦流自熱環的發熱功率隨著傳輸電流的增大迅速增加。當傳輸電流超過140A，即傳輸電流密度為0.35A/mm2時，渦流自熱環的發熱量基本不再隨傳輸電流的增大而增大。因為傳輸電流的增大將導致環內磁感應強度增大，而發熱功率與環身磁感應強度呈正相關，所以傳輸電流的增大將導致渦流自熱環產生更大的發熱量。而當電流增大到一定值時，渦流自熱環內的磁感應強度已經達到飽和，此后發熱量不再隨著傳輸電流的增加而繼續增大。

圖2 渦流自熱環發熱功率

2 導線臨界除冰功率計算

當導線防除冰系統的附加熱功率剛好可以抑制導線表面覆冰形成時，該附加熱功率即為導線臨界除冰功率。在本文中，附加熱功率的來源即為渦流自熱環產生的磁熱。

2.1 導線熱平衡分析

輸電線路導線覆冰的形成可大致分為兩個物理過程：空氣中的過冷卻液滴（霧滴、云滴）隨空氣流場到達導線表面；到達導線表面的液滴（霧滴、云滴）在導線表面發生凍結[17-18]。分析以上輸電線路導線覆冰形成的流體力學和熱力學過程，渦流自熱環完全防冰的臨界條件為：環身表面（水膜）溫度s為凍結溫度f（0℃），導線和環身產生的總熱量g等于散失的總熱量l，即

導線以及環體產生的熱量主要有導線的焦耳熱R、防除冰系統的附加熱m、空氣的摩擦加熱v和液滴碰撞加熱k，即

其中

式中，為傳輸電流；ac為導線的交流電阻；1為空氣接觸面積；為環半徑；為對流換熱系數；c為圓柱體表面局部黏性加熱恢復系數；為空氣來流速度；a為空氣比熱容；為碰撞系數；為空氣液水含量。

其中

式中，w為水的比熱容；a為環境溫度；s為水膜表面溫度；2為輻射面積；為水膜的輻射系數；s為Stefan-Boltzman常數；3為蒸發面積；e為s時的蒸發潛熱；a為大氣壓強；(s)和(a)分別為s、a溫度時的飽和蒸汽壓強。

2.2 溫度和風速對臨界除冰功率的影響

以LGJ-400/35鋼芯鋁絞線為例，根據式（7）～式（16）計算出的臨界除冰功率如圖3所示。從圖中可以看出，導線的臨界除冰功率隨著風速的增加和溫度的降低而逐漸增大。

圖3 LGJ-400/35導線的臨界除冰功率

風速對導線的臨界除冰功率的影響如圖4所示。從圖中可以看出，不同溫度下，導線的臨界除冰功率均隨著風速的增加而增加，并且呈現一定的飽和趨勢。因風速增大，單位時間到達導線表面的過冷卻液滴數目會隨之增加，與此同時，風速增大會造成導線表面更多的熱量散失，進而導致導線臨界除冰功率增加。

圖4 風速對臨界除冰功率的影響

溫度對導線的臨界除冰功率的影響如圖5所示。從圖5中可以看出，不同風速時導線的臨界除冰功率均隨著環境溫度的降低而增大。因環境溫度降低時，導線單位時間散發到空氣中的熱量也會隨之增大，因此臨界除冰功率將隨之增加。

我感覺外面下起了大雨，狂風在外面吼叫著，我哭得更厲害了。門外傳來媽媽關切的聲音：“鋼琴并不像你說的那么難。你把門打開，我跟你說件事。”于是，我聽了媽媽的話，開了門，聽媽媽講事情。

圖5 溫度對臨界除冰功率的影響

根據1.2節中的計算，渦流自熱環在常見傳輸電流下的發熱功率接近2W，其寬度為20mm，換算成標準單位為100W/m，理論上在渦流自熱環的布置處足以實現導線表面防冰。

3 渦流自熱環除冰試驗

為了驗證渦流自熱環除冰效果，在重慶大學多功能人工氣候室內模擬自然覆冰環境，開展LGJ-400/35鋼芯鋁絞線的渦流自熱環除冰試驗。

3.1 試驗裝置

重慶大學人工氣候室直徑7.8m，高11.8m；溫度調節范圍為-45～70℃；風速調節范圍為0～12m/s；濕度調節范圍為20%～100%。噴霧系統安裝了多個IEC標準推薦的噴頭，過冷卻水滴中直徑調節范圍為20～500mm。人工氣候室覆冰試驗性能指標均滿足IEEE國際覆冰試驗標準[19-20]。

圖6 人工氣候室與大電流發生器

試驗電源為額定容量30kV·A、最大輸出電流5 000A的大電流發生器，試驗電流大小通過配套調壓器調節。測量裝置有鉗式電流表（量程0～1 000A，精度±2.5%）、拉力傳感器（量程0～50kg，誤差0.02%）等。

3.2 試品與布置方式

試品為LGJ-400/35鋼芯鋁絞線。為方便多組對照試驗，將其截成試驗小段。試驗導線參數見表2。表中，20為導線單位電阻率（20℃工況）。

表2 試驗導線參數

Tab.2 Parameters of test conductors

試驗導線在人工氣候室內通過絕緣支架并列安置，為了避免因相鄰導線對流場的遮擋效應導致覆冰差異，控制其間隔大于0.5m。導線一端固定有監測覆冰質量的拉力傳感器，并且兩端保持一定的高度差以模擬導線弧垂。為了保證傳輸電流的一致，除冰試驗中將各試驗段導線通過夾具和銅帶首位相連接，串流受流。每次覆冰試驗選取3段試驗導線進行對照。導線1和導線2通以傳輸電流，導線3不通電，導線1上等間距布置4個渦流自熱環。試驗導線長3m，渦流自熱環的布置間隔為0.6m，根據1.2節渦流自熱環發熱功率的計算，此時導線的附加磁熱除冰功率為2.76W/m。導線除冰試驗布置示意圖如圖7所示。

圖7 除冰試驗布置示意圖

3.3 試驗程序

（1）試品預處理。選取試驗導線段，用濕布去除表面毛刺、用工業酒精去除導線表面油污，最后用純凈水去除導線表面污穢；選取一定數量渦流自熱環，用工業酒精去除環身表面油污，用純凈水去除環身表面污穢。

（2）試品安裝布置。將試驗導線段并列布置在人工氣候室內，按試驗設計在導線1上安裝渦流自熱環，連接試驗電流引線。

（3）覆冰試驗過程。打開制冷系統，并且打開試驗電源在試驗導線上通以電流。待人工氣候室內溫度降至設計的溫度時，打開噴淋裝置開始覆冰。每次除冰持續覆冰2h。

具體覆冰試驗參數見表3。表3中，LWC（liquid water content）為空氣中的液態水含量，MVD（median volume diameter of droplets）為空氣中液滴中值體積直徑。

表3 覆冰試驗參數

Tab.3 Icing test parameters

4 試驗結果及分析

4.1 覆冰形貌

為了直觀分析渦流自熱環的除冰效果，選取典型的試驗覆冰形貌進行分析。圖8為試驗2中120min時導線1的覆冰形貌。從圖中可以看出，試驗1中導線表面主要形成霧凇或混合凇覆冰，并沒有冰棱形成。渦流自熱環布置處沒有覆冰形成，說明該試驗條件下渦流自熱環所產生的熱量可以有效抑制環身處的覆冰形成。此外，由于渦流自熱環的存在導致導線上形成分段覆冰，相互之間附著力減小，有利于冰層在自然或者熱力融冰過程中的自行脫落。

圖8 渦流自熱環除冰效果（試驗2，覆冰時間120min）

試驗3中導線1在120min時的覆冰形貌如圖9所示。從圖中可以看出，試驗3中渦流自熱環布置處同樣沒有覆冰形成。同時由于試驗3中覆冰參數的設置使導線表面更易形成雨凇覆冰，可以看到，導線其余部位已經出現了明顯的冰棱。在試驗過程中觀察發現，通過渦流自熱環流失的水滴數量和流失速度要遠大于導線其他部位。分析其原因，是由于導線表面水膜沿弧垂的流動效應所致。在渦流自熱環處覆冰，由于磁熱無法形成，導線其余部位未凍結的水滴匯入水膜也將向渦流自熱環處流動并通過其加速流失。據此推斷，在導線表面有水膜存在時，渦流自熱環對導線其他部位的覆冰形成也將起到明顯抑制作用。

圖9 渦流自熱環除冰效果（試驗3，覆冰時間120min）

4.2 覆冰質量

不同導線上的覆冰質量隨覆冰時間的變化情況如圖10所示，從圖中可以看出：

（1）四組試驗中導線的覆冰質量都隨著覆冰時間的增加呈非線性增長。導線2的覆冰質量均要小于導線3。這是因為導線2中有傳輸電流通過，導線的焦耳熱可在一定程度上使導線的覆冰減少。導線1的覆冰質量均明顯小于導線2，證明渦流自熱環可以明顯減緩導線表面的覆冰質量的增長。

（2）試驗1、試驗2中導線的覆冰質量整體要小于試驗3、試驗4中導線的覆冰質量。該差異是由于覆冰試驗參數不同造成的。試驗1、試驗2中環境溫度較低，風速較小，導線表面多形成霧凇或混合凇覆冰；試驗3、試驗4中環境溫度較高，風速較大，導線表面容易形成雨凇覆冰。雨凇增長速度較快，并且覆冰密度較大，導致導線覆冰質量較大。此外，對比兩組不同覆冰參數的試驗結果，發現雨凇過程中渦流自熱環對導線表面覆冰質量的抑制更加明顯，這與試驗過程中觀察到的雨凇覆冰中渦流自熱環加速液滴散失的現象相對應。

（3）當傳輸電流為400A時，導線表面的覆冰質量要明顯小于傳輸電流為200A時。一方面，傳輸電流的增加會導致導線本身的焦耳熱增加；另一方面，雖然渦流自熱環身處在400A以及200A傳輸電流時都無覆冰形成，但是較大傳輸電流將增加導線表面水膜厚度，促進其他部位液滴沿自熱環散失的過程，間接增加了渦流自熱環的除冰效率。

為了進一步分析渦流自熱環的除冰效率，計算了四組試驗中導線3的覆冰質量對比導線2的減少比例，見表4。可以看出，試驗4中渦流自熱環的除冰效果最為顯著，減少了導線表面30.61%的覆冰質量。試驗2中渦流自熱環的除冰效果最弱，但覆冰質量的減少比例也達到了18.38%。此外通過對比可以看出，傳輸電流的增大將提升渦流自熱環的防冰效率。

表4 導線3覆冰質量減少比例

Tab.4 Decrease proportion of ice mass

4.3 渦流自熱環應用分析

理論計算和除冰試驗結果表明，渦流自熱環是一種簡單、有效且低成本的導線不斷電防冰除冰方法，可以有效地減緩導線的覆冰增長。但是渦流自熱環給輸電線路帶來額外電能損耗也不能被忽視。分析我國輸電線路的覆冰災害，除了大范圍的冰雪天氣來襲造成大范圍的冰災事故，其還具有典型的微地形、微氣象的特點。微地形、微氣象覆冰是指在某個小范圍內由于微地形的存在，使該區域內的微氣象因子將發生異變，引發該該處輸電線路嚴重的覆冰災害。常見的微地形有高山分水嶺、地勢抬升、峽谷、埡口等，其范圍可小至幾百米空間、幾個甚至一個檔距之間。微地形、微氣象區域的覆冰現象嚴重，持續時間長、危害大，并且難以防治，大范圍的直流融冰設備都束手無策。但是渦流自熱環卻非常適合用于以微地形、微氣象覆冰區域等小范圍局部覆冰嚴重的地區的冰災防治。當輸電線路途徑長幾千米甚至幾百米的微地形、微氣象覆冰區域時，倒塔、斷線的等冰災事故難以杜絕，直流融冰手段又難以實時開展，這時非常適合在該區域布置渦流自熱環來抑制導線覆冰形成，降低冰災風險。渦流自熱環作為我國大范圍直流融冰措施的補充，具有不錯的應用前景。在實際工程使用之前，渦流自熱環的最佳發熱結構以及最優防冰經濟布置策略還需要進一步的研究。

5 結論

1）LGJ-400/35導線渦流自熱環除冰試驗表明，渦流自熱環在試驗條件下可以有效地減緩導線表面覆冰。人工氣候室導線防/除冰試驗結果表明，與未布置渦流自熱環的導線相比，0.6m間隔布置的渦流自熱環可以減少導線表面18.38%～30.61%覆冰質量。

2）渦流自熱環的除冰效率隨著傳輸電流的增加而增加。與此同時由于渦流自熱環可以加速導線表面水膜的散失，在雨凇覆冰時除冰效率更高。

3）渦流自熱環的磁熱產生量與導線的傳輸電流直接相關，當傳輸電流較小時渦流自熱環的磁熱量隨著傳輸電流的增大迅速增加，但是存在明顯的飽和趨勢。

4）導線表面的臨界覆冰功率與環境參數有密切關系，其隨著環境溫度的減小而增加，隨著風速的增加而增加。

5）渦流自熱環是一種簡單、有效的不停電導線防冰除冰措施。可以在微地形、微氣象等小范圍重覆冰區域內推廣使用。其熱源控制以及最佳防冰經濟布置策略還需要進一步的研究。

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Study on Preventing Icing Disasters of Transmission Lines by Use of Eddy Self-Heating Ring

（State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing China 400044）

Ice accretion on transmission lines posts great threat to the operation of power grid. Various new methods and technical measures have been exploring to achieving anti-icing and de-icing of transmission lines. In this paper, self-heating rings made of ferromagnetic material are fixed on the conductor to achieve anti-icing without power outage. Exposed in the magnetic field and generated by the transmission current, strong magnetic field will be induced in self-heating rings and lead to magnetic heat loss for anti-icing. In this paper, the thermal power characteristics of the self-heating rings with different transmission currents are calculated by magnetothermal analysis. At the same time, the critical de-icing power of conductor with different wind speed and temperature conditions is calculated by analyzing the thermal conservation. Anti-icing test of LGJ-400/35 conductor with self-heating rings is performed in artificial climate chamber. The results show that self-heating ring can reduce the ice accretion on conductor obviously. There is no ice formed on the conductor where self-heating rings fixed. Furthermore, the total ice mass on conductor decreased 18.38%～30.61% in test condition. Therefore, for the transmission line in heavy icing areas, the use of self-heating rings is a simple and feasible way to preventing icing disaster.

Overhead transmission line, icing disaster, anti-icing and de-icing, magnetic heat loss

TM85

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200263

國家電網公司總部科技資助項目（521999180006）。

2020-03-14

2020-05-28

黃亞飛 男，1994年生，博士研究生，研究方向為復雜大氣環境下輸電線路外絕緣及防護。E-mail: huangyafei@cqu.edu.cn（通信作者）

蔣興良 男，1961年生，教授，博士生導師，研究方向為高電壓絕緣技術、氣體放電以及輸電線路覆冰及防護。E-mail: xljiang@cqu.edu.cn

（編輯 陳 誠）