架空地線融冰自動接線裝置的技術研究

王鄭，葉鵬，冒新國 ，汪晶晶，李新春

（1.超高壓輸電公司貴陽局，貴州貴陽，550081；2.江東金具設備有限公司，江蘇南通，226000）

0 引言

隨著我國經濟高速增長，能源問題成為當今社會關注的一大焦點，為了實現我國有限能源資源的高效利用，更大范圍內優化配置電力資源，規劃建設了大量高壓、特高壓電網，其安全穩定運行顯得尤為重要[1]。在架空輸電線路中，覆冰災害是最典型的災害之一，當線路覆冰嚴重時，會使線路弧垂變大，當線路發生風振舞動時，線路間較易發生閃絡，嚴重時可使線路跳閘，從而影響線路正常運行，同時鐵塔兩側的覆冰厚度差異較大,塔頂受到不平衡的張力會增大,當鐵塔被覆蓋時,不平衡的張力會增大。當塔不能承受這種載荷,最終會導致線桿掉落或桿塔坍塌。相對線可以將兩個相線短接成回路,地線則需要電力供應人員暫時短接導地線,傳統融冰方法需要人工登塔,安全隱患很大。

因此，研究一種安全可靠地線自動融冰接線裝置是非常必要的。目前，國內僅有一種地線自動融冰接線裝置，雖然可實現導地線連接，但其具有重量大、穩定性差、通用性差等缺點。積極研究架空地線融冰技術和其相應的小型化地線融冰裝置，對我國電力系統控制和抵御冰雪災害、提高輸電線路的運行可靠性具有重要意義。

1 輸電線路地線融冰現狀概述

■1.1 融冰機理分析

為實現地線融冰，將覆冰區架空地線絕緣起來[2]，利用地線自動融冰接線小型化裝置使導地線連接起來，使地線上電流通入地線，使其獲得足夠大的電流，產生的熱量使地線溫度在短時間內升高，從而使將地線表面覆冰融化。

輸電線路覆冰是一種熱量交換過程，其主要通過傳導、對流和蒸發實現，大氣中的水遇到低溫，低于其凝固點，從而放熱在線路覆冰，覆冰過程即環境溫度低于水分凝固點，當有風速時，水分在地線表面運動，從而在地線表面形成覆冰。 varga 和 bejan 在1994年對覆冰柱體內部的融冰進行了研究,這一問題類似于現在線路的融冰問題[3]。根據他們研究，建立相應的融冰模型，如圖1所示。

圖1 融冰過程模型

根據模型,融冰過程大致可分為兩階段,第一個階段是圓柱體被冰完全包圍的融冰,第二個階段是圓柱體被冰剪破后,使冰脫落在圓柱體上,當冰和圓柱體的接觸角較小時,這個時候冰的重量將大大于與圓柱體表面的冰層接觸,覆冰將從地面脫落出來。

■1.2 融冰電流計算

在進行覆冰傳熱分析中,對地線在通流情況的覆冰過程進行有效的分析,地線融冰主要通過傳輸電流或采用短接電流等輸電方式,將電能轉化成熱能達到地線融冰的目的。由于地線融冰電流受地線長度和熱穩定性等多種因素影響,即地線融冰電流不允許超過其最大允許負載電流,同時不允許低于其融冰過程的最小融冰電流,目前氣象預報可信性越來越高,可預先得知易于發生地線覆冰的雨、雪天氣,可提前計算融冰臨界電流[4]。找出最大融冰電流和最小融冰電流，對做好地線融冰接線裝置設計具有重要意義。

根據以上兩種物理覆蓋到冰率的模型，當地面和線路的表面周圍有厚厚冰層時，地面天線就會包裹在一起，按照不同單條線路地面天線的使用情況進行分析,定義了單條線路的全部熱量，在覆蓋到冰層的過程中,地面天線和周圍冰層的部分外力和輻射就會損失,熱量就會降低。定義線路熱量為Q1，覆冰過程中地線和冰層部分對外輻射和損耗熱量為Q2。

圖2 覆冰物理模型

式中Ir為地線通過的電流平均值，L為地線長度，r為地線半徑，R0為單位線路直流電阻值，設地線溫度為Tx，地線冰層表面溫度為tT，融冰環境溫度為Te，t為融冰時間，地線任意一點M與基準線角度為a，那么M點和地線間的交換熱量為：

Q1a為M處交換熱量，Ra為M處的熱阻。此時M點和外界的交換熱量公式為：

式中h為地線覆冰層表面與空氣的熱交換系數，l為M點到地線中點的長度距離。

地線覆冰時的Tx≤ 0 ℃，此時冰層無法吸收足夠的熱量融冰而使地線上的覆冰加厚，那么就有Q1＜Q2，由公式可得，增加Tx可使Q1增大，地線通過電流產生焦耳熱使得地線溫度升高，當Q1=Q2時進入臨界狀態，進一步加大融冰電流，隨著Tx的增大Q1增大，覆冰層開始吸收熱量向液態進行轉化，同時環境溫度Te的增加可使Q2降低，而Q1=Q2，進入臨界狀態，隨著Te的進一步增加導致Q2減少，那么就可在冰與地線層間因熱量交換過程中融化。

因此，當地線開始融冰后，Q1＞Q2。定義Q3為融冰過程中冰液化所吸收的熱量以及地線與覆冰層的熱增加值，則Q3=Q1?Q2，隨著Q3的增加，覆冰層開始吸收熱量，由內向外呈現液化趨勢，會產生一個液體層，使覆冰附著力減小，地線開始進入脫冰過程，根據相關公式，融冰期間的融冰能力還與覆冰厚度，風速，與分布均勻度有關。

為了更好地說明，以JL/G1A? 3 00/15,線路來計算地線的最大電流和最小融冰電流，使覆冰全部融化所需要的熱量，計算最大融冰電流值，忽略Q2，僅需計算Q3。將地線的截面等效為圓柱形，長度為設為L，半徑設為r，地線密度為P地，體積為V地，地線的比熱容為C地，設初始溫度為?5oC，冰的密度為P地，比熱容為C地，融化熱為K。計算出地線覆冰體積為：

地線覆冰融化過程主要為覆冰溫度升高到冰點階段和液化階段所需熱量分別為Q4與Q5，地線溫升為Q6。

從?5oC上升到0oC，溫升為 ?T= 5oC，所吸收的熱量為：

從0οC冰融化為0οC的水，所需要的熱量：

從?5οC冰融化為2οC的水，所需要的熱量：

其中：

冰融化過程中吸收的熱量為：

由能量守恒定律可得，地線發熱量與融冰所吸收熱量要基本相等，可得到:

查閱相關參數：設融冰線路長度為30Km，半徑r= 0.0115m，單位長度質量ML=940kg/Km，地線比熱容C地=400J/Kg°C，融化熱K= 3.35× 1 05J/Kg,融冰試驗t= 3 600s，

計算地線最大融冰電流為：

代入公式計算可得1350A。

保持地線溫度大于冰點溫度以上的臨界電流稱為最小融冰電流，通過地線產生的熱量需要與地線消耗的熱量相平衡，融冰過程中所吸收的熱量為：

根據能量守恒定律，單位時間內地線發熱量等于冰筒融化和地線吸收的熱量：

得到：

代入公式計算可得471A。

由此可以得出，該線路通電電流大于471A，所產生的熱量不會導致地線結冰，同時電流小于1350A時，所產生的熱量不會損壞地線。

■1.3 最小融冰電流計算分析

架空輸電線路的最小融冰電流與眾多因素有關，如風速、環境溫度、覆冰層厚度、融冰時間等。通過研究各種因素對最小融冰電流的影響，得出相關規律，以JL/G1A? 3 00/15地線為研究對象，計算幾種外部因素與融冰電流的關系。具體詳見圖3-圖5（覆冰厚度10mm,融冰時間1h）。

圖3 最小融冰電流與環境溫度關系

圖4 最小融冰電流與覆冰厚度關系

圖5 最小融冰電流與融冰時間關系

從圖3可知，環境溫度與地線溫度差對最小融冰電流影響很大，經過計算可以得出，環境溫度每下降2℃，則最小融冰電流增加15A-25A。

從圖4可知，覆冰厚度與最小融冰電流關系很大，覆冰厚度每增加5mm,融冰電流需要增加10-20A，一般情況，覆冰厚度超過5mm就要啟用融冰過程，否則覆冰厚度會很快增加，從而導致融冰電流增加，增加融冰難度。同時覆冰厚度增加，加大了線路弧垂，桿塔發生倒塌的風險大大增加。

從圖5可知，融冰時間越長，最小融冰電流越小，隨著融冰時間增加，其變化趨勢較為平緩。

通過對幾種典型的地線外部因素與融冰電流的關系，得出相關結論，為地線自動融冰接線小型化裝置研究提供堅實的理論基礎。

2 自動融冰接線裝置小型化研究

■2.1 地線自動融冰接線方式現狀

國內外已成功運行的直流融冰裝置工程中，諸多成熟的直流融冰技術和直流融冰裝置設備應用于電網，這為文章論及的技術研究的可行性奠定了良好的理論和實踐基礎[5]，在地線融冰過程中，對于導地線連接裝置是一個值得研究的問題，目前，大部分場合需要快速融冰，從而恢復供電，這就需要融冰工作快捷、操作簡單，并可自動完成，研究這樣的連接方式具有重要的意義。

目前，地線融冰自動接線方案能實現自動化接線，避免了運維人員登塔，但現有的自動融冰接線裝置，雖然實現了自動接線，但其實現需要定制化設計，不同電壓等級關鍵參數不同，需要專門的設計。同時，現有裝置存在穩定性差，在低溫冰凍條件不易打開等缺點，且裝置體積較大，不利于登塔安裝。

■2.2 自動融冰小型化接線方案

本次設計開發的小型化融冰接線裝置，采用渦輪蝸桿大減速器、伸縮導電桿、自鎖式合流裝置，絕緣部分采用整體絕緣方式，與原先的自動融冰接線裝置相比，不需要安裝多個絕緣子方式絕緣，從而大大減少了裝置體積與重量，同時伸縮桿可實現1-6m范圍伸縮，可適應不同高度桿塔自動融冰接線裝置。如圖6(a)所示，小型化融冰裝置處于開合狀態，合流線夾位于桿塔橫擔下方，融冰時，操作相應的電氣電路控制系統，啟動傳動機構帶動導電桿打向跳線串合流線夾，合流到達相應位置后，碰觸相應的電氣開關，傳動機構將自動停止，導、地線之間實現電氣連接，從而使地線帶電，進而開始融冰，如圖6(b)所示。

(1)合流取電器

合流取電器主要由合流線夾和取電器構成。合流線夾的作用是將分裂架空地線上的電流匯集并通過導電桿最終傳輸至架空地線。取電器與導線相連，將導線上的電流匯入合流線夾，進而通過融冰裝置導入地線，合流線夾是整個裝置的關鍵通電零部件，其自身的冰雪防護也是非常重要的。因此，合流線夾設計有專門的冰雪保護罩。具體設計如圖7所示。

圖6

圖7

(2)金具串

金具串的作用是懸掛合流取電器，同時滿足線路絕緣要求，避免桿塔帶電，同時使合流線夾與小型化融冰裝置傳動機構的位置固定，以便合流取電裝置長度固定，增強裝置的通用性。

(3)傳動機構

傳動控制機構的工作功能主要是通過傳動控制系統對直流傳動電機的快速反轉進行帶動并對導電器元件進行自動開合,實現傳動設備的快速合閘和自動開閘。

傳動機構是裝置實現開合閘的核心部分，傳動裝置的穩定性及效率直接決定了整個裝置的穩定性及效率，本次的傳動機構支撐板件均采用高強度的鋁合金7075T651制作，在降低重量的同時提高了強度，同時優化配置結構，采用大減速比傳動，減速比為3000:1，可有效降低裝置重量，同時提高裝置的扭矩，同時減少了傳動環節，使傳動更加平穩。

由于架空地線融冰裝置在均在戶外工作，工作環境為雨雪天氣，無交流220V或380V電源供裝置使用，本次融冰裝置電源采用可攜帶式的直流蓄電池作為自動融冰裝置轉動合閘的工作電源，為直流電機提供電能。直流電機經旋轉機構輸出足夠的扭矩帶動合流線夾實現合閘，使導線和地線導通。

(4) 控制系統

控制系統通過控制電機進一步控制傳動機構、鎖緊機構，本小型化裝置采用繼電器加各種傳感器控制，可調整合閘速度，裝置到達相應位置會觸碰相應的行程開關，自動斷電，即便電氣控制系統失效，由于渦輪蝸桿減速器具有自鎖功能，各部件也會停留在原位。

本次控制采用的是按鈕加遙控方式控制，控制箱和遙控均采用移動式連接，當使用的時候，將控制箱通電即可，同時也可通過遙控控制方式對裝置進行控制，使操作更加快捷有效。

(5)裝置防護

由于整個裝置工作環境為雨雪天氣，傳動部件和合流線夾的覆冰會導致整個裝置功能失效，因此裝置防護作用舉足輕重，本裝置對各部分有專門的雨雪防護。

(6)聯塔設計

地線自動融冰裝置通過高強度鋁板與鐵塔固定，根據塔型設計，有效的避開鐵塔角鋼和橫擔結構，方便裝置與鐵塔的安裝。

(7)伸縮導電桿

地線融冰自動接線裝置的通流主要是通過伸縮導電桿和合流裝置之間的接觸來實現的。由于導電桿具有一定的長度，因此導電桿應考慮其強度是否滿足使用要求。這里，我們選擇7075高強度鋁合金管和鋁合金板作為導電桿的主材，同時在各節桿之間采用彈簧觸指進行硬密封，同時，導電桿使用氣動方式進行收縮，經試驗，設計的導電桿不僅可以滿足600A的通流要求，其強度也能滿足使用要求。

伸縮導電桿與旋轉機構相連接,可快速實現小型化融冰裝置的開合閘,其主要功能是將合流取電器的電流引至架空地線，從而使地線上覆冰融化。

■2.3 防護裝置

本次設計的防護裝置包括合流導電器的保護、及伸縮導電桿鎖緊機構，以及其余重要部位雨雪防護設計。

(1)鎖緊機構

伸縮導電桿鎖緊機構其主要防止伸縮導電桿脫落，在裝置不使用的情況下將導電桿鎖緊，并承受導電桿大部分重力，防止導電桿掉落，同時解決線路感應電壓問題，其由兩部分組成，電動伸縮推桿和伸縮導電桿上的鎖環，其中鎖環安裝在伸縮導電桿上。

(2)防護罩

為防止冰雪覆蓋對合流線夾端部觸頭進行冰雪覆蓋，從而影響合流線夾的正常工作，為此，設計了合流線夾防護罩。

■2.4 電路控制裝置

本次自動融冰裝置包括直流電源、按鈕、電源線、信號線、接觸器等零部件，電氣控制裝置用來控制自動融冰裝置正反轉，以及導電桿伸縮，合閘，同時控制鎖緊機構開鎖、閉鎖，自動融冰接線裝置所有控制均集成在電氣控制箱內。

(1) 電氣控制箱

本次采用的電氣控制箱重量輕、體積小便于攜帶。工作模式按運行方式可分為正常、應急、人工三種模式。本次設計的電氣控制箱，通過按鈕和遙控控制，融冰時，根據需要，只在按下電氣控制箱的按鈕，即可使導、地線間連接，無需施工人員登塔接線，避免了相應的安全事故，同時，導地線連接只需30s，可使導線電流快速導入地線，有效把握了地線融冰的最佳時間，大大縮短輸電線路停電時間。

(2)鎖線柜

在夏季及不結冰季節期間，需要對的電源線、信號線、氣管進行防護，為此設計了相應的鎖線柜，鎖線柜安裝于距地面5米的橫擔上。當完成地線融冰時，將電源線及其他線放于鎖線柜中，有效防止雨雪對線路的損壞，同時可起到防盜作用。

3 地線融冰接線裝置試驗

自動融冰接線小型化裝置的通流能力及裝置穩定性是考察裝置融冰性能的重要指標，為此進行了如下幾個試驗：

■3.1 導流效果驗證試驗—電阻溫升及熱循環試驗

為檢驗自動融冰裝置的導電能力，對伸縮導電桿進行了電阻溫升及相應的熱循環試驗。測試裝置在600A，800A，900A三種不同電流情況下，各零部件的發熱情況，通流時長為不小于4h,試驗情況均滿足線路融冰要求。

■3.2 合閘功能試驗

由于本次自動融冰接線裝置合閘均在低溫戶外進行，受熱脹冷縮、風力等眾多惡劣環境影響，合流取電器的位置受環境的影響較大。因此合流線夾防偏設計是非常必要的，根據相關的偏置數據，取電器的位移偏差一般為不超過70mm,通過相應的試驗測試，當伸縮導電桿與合流取電器之間的相對位置向兩側偏移150mm時，自動融冰裝置仍然能夠合閘，滿足現場融冰要求。

4 自動融冰小型化接線國內同類技術對比分析

目前，國內關于地線融冰裝置資料較少。近年有單位研發出地線融冰的裝置。2011年12月，國內首套導地線直流融冰裝置在昭通市220kV大鎮線實施實際帶地線升流、帶地線升流獲得成功。2012年4月，湖南電科院首次研制了滿足5～25km農配網長線路、滿足5km 及以下農配網短線路融冰和滿足400m 以內超短線路融冰需求的系列融冰裝置，并實施了多次現場直流融冰；但其所研制的地線融冰裝置需在融冰前上塔在地線上纏漆包線。綜上可見，盡管近幾年國內已相繼研制出了不同型式的地線融冰裝置，但是地線融冰自動接線裝置仍未見報道。本項目研制的地線融冰自動接線裝置具有性能安全可靠、自動化程度高、操作簡便等優點，施工人員直接于塔底操作電氣控制箱，即可輕松實現導、地線之間的連接，可消除施工人員上塔操作的危險性；另外，裝置整個操作過程僅需3分鐘，可大大縮短線路停運的時間，節約電力建設成本。

2013年，國內某廠家研究出了地線融冰裝置，施工人員直接于塔底操作電氣控制箱，雖然可實現導、地線之間的自動連接，一定程度上消除施工人員上塔操作的危險性，但其體積大，重量大，導電桿得根據跳線串高度定做，需要對鐵塔橫梁進行改造，通用性差、安裝不便。

本項目研制的地線融冰自動接線小型化裝置具有性能安全可靠、自動化程度高、體積小操作簡便、通用性強等優點，施工人員直接于地面按下電氣控制箱上的按鈕，即可輕松實現導、地線之間的快速連接，可消除施工人員上塔操作的危險性；另外，裝置整個操作過程僅需30s，可大大縮短線路停運的時間，節約電力建設成本，表1為對比分析報告。

表1 國內同類技術對比分析

5 裝置試運行情況

2020年試驗成功初至今，已有多套自動融冰接線小型化裝置在電網系統多條輸電線路工程中安裝，順利實現地線快速融冰，大大縮短了線路融冰時間，大大減少了冰災對電網輸電線路造成的危害。

6 結論

本次設計的地線融冰小型化裝置,操作人員于只需在地面操作電氣控制箱按鈕,通過裝置即可輕松實現架空輸電線路導地線的連接、可實現自動接線，時間僅需要30S左右,可在冰層剛形成時有效把握融冰的最佳時機,大大縮短了輸電線路停運時間,避免長時間停電給電網帶來巨大損失。裝置中的全部部位均有雨雪、冰凍防護罩,保證了在覆冰狀態下的安全應用。地線融冰裝置可穩定運行。通過現場運行效果來看,地線融冰自動接線小型化裝置導流能力強、操作安全性高,應急預案有效。