探究輸電線路覆冰影響及除冰技術

江蘇中孚電力工程設計有限公司 朱 寧

近些年中，全球氣候升溫，部分區域自然環境條件出現明顯改變，在極端天氣的作用下，自然災害的發生率相應增加。架空輸電線路覆冰引起的災害始終是威脅我國電力系統安全的主要因素之一[1]。

伴隨特高壓遠距離輸電線路的持續建設及“西電東送”戰略的完善，架空輸電線路的分布范疇有不斷拓展趨勢，很多輸電走廊穿行的區域地形復雜、氣候惡劣，寒冬及早春時節容易遭受冰雪災害的影響，導線上覆冰，以致線路的機械載荷顯著增加,很可能并發線路舞動、絕緣子冰閃等情況，最后發展成大面積跳閘停電事故，使國家及人們均承受較大的經濟損失。故而在輸電線路建設及發展階段，應積極研究有效的除冰技術。

1 覆冰的形成過程

在多數工況下，輸電線路表層形成覆冰現象的物理過程可做出如下闡述：在嚴冬或早春時，如果環境溫度降到-5～0℃、風速3～15m/s時，如果出現霧或毛毛雨將會在架空線路表層凝結成雨淞，如果后期溫度快速升高、雨淞變化初步融化，如果氣候條件持續改善、轉變成晴天，那么早期形成的覆冰便會不斷且消除；若天氣驟然變冷，空氣溫度急劇下降，雨雪天氣不斷，越來越多的飄雪和凍雨會陸續吸附在剛形成地雨淞表層上并迅速增長，出現較厚冰層，如果環境氣溫持續降到-15～-18℃，那么原來的冰層上變化形成霧淞且持續聚集[2]。以上過程中，輸電線表層上雨淞一霧淞的形成量會不斷增加，如果天氣變幻無常，冰融化時將會使自身的密度持續增加。以上這種反復變化的氣候條件會引起雨淞與霧淞交替重疊生成并累積，最后產生混合淞。

通常情況下，輸電導線上的覆冰現象通常是均勻的，外形并不是理想的圓形，橢圓形、D形及松針狀等是常見的形狀。輸電線路的迎風面是最早出現覆冰現象的位置，如果風向沒有出現明顯改變，會造成迎風面上的覆冰厚度持續增加，當面層的冰層厚度達到某一值，其質量符合輸電線發生扭轉的基本條件時，電線上的主要覆冰面層將會出現顯著改變，在該面層上覆冰量持續增加，最后會在導線面上出現類似于圓形或橢圓形的覆冰，多數情況下，輸電線的直徑較小時其表層形成的的覆冰近似呈圓形狀，架空導線直徑較大時表面覆冰外形基本呈橢圓形；如果輸電線路沒有出現扭轉現象，那么其表層上的覆冰外形將會近乎D形[3]。

2 線路覆冰災害的影響分析

2.1 機械特性

在極端的雨雪冰凍條件下，在覆冰問題的作用下，架空線路的阻尼特性會出現一定改變。客觀上講，導線覆冰厚度的提高是一個漸進式過程，周圍環境溫度計低溫條件持續時間是影響覆冰厚度值的主要因素，早期線路覆冰以后其橫截面表現為不規則或近視橢圓形，在一定溫度作用下風速，很容易引起一種極為特殊的低頻高幅舞動現象。

既往有資料記載[4]，該種舞動現象的最大振幅能夠達到十多米，不規則覆冰引發的長時間舞動容易引起金具局部磨損、桿塔劇烈晃動等情況。如果實測覆冰厚度抵達線路設計荷載極限，且超出導線的抗冰厚度時，縮頸、斷裂等不良現象的發生率會顯著增加，并且在覆冰過荷載作用下引起塔基自身沉降、塔架折斷導致倒塌。在桿塔斷線的沖擊荷載作用下形成較大的破壞力，這是造成桿塔發生串倒事故的主要原因。不勻稱覆冰、脫冰不同期或檔距形成較大差別的線路覆冰很容易引起張力差，張力差的作用是引起程度不一機械事故的主因，當以上這種不均衡的過大時會造成懸掛絕緣子偏移量不斷增加，引起翻轉、桿塔劇烈碰撞等事故，以致絕緣子炸裂損毀。

2.2 電氣特性

站在某種角度上，可將導線覆冰問題視為一種形式特別的污穢，架空輸電導線長期裸露在自然空氣內，絕緣子被覆冰或傘形冰凌橋接的風險明顯增加，這是引起其絕緣強度下滑的主要原因之一，泄漏距離相應短縮，此時覆冰閃絡問題的發生率相應增加。在外界高電壓的作用下，閃絡通道上容易發生連續放電現象，由其引發的不良現象不僅是線路頻繁閃絡跳閘，形成的電弧也會燒損絕緣子，情節嚴重時造成絕緣子炸裂失效。當覆冰自身抵達重量與體積以后，由于線路過荷載造成弧垂增加，地線垂直降至導線中部，在一定風力作用下容易發生相間短路、局部線路燒傷或燒毀等事故，輕微的覆冰舞動也可能造成線路頻繁發生閃絡跳閘情況。

3 輸電線路融除冰技術

當下架空輸電線路的除冰技術方法有30多種處于實驗、研究及推廣階段，歸納起來大體可分成如下幾種類型[5]：

3.1 熱力融冰法

這種除冰方法主要是采用附加熱源或導線自體發熱，造成導線上不能聚集冰雪，或者誘導前期積聚的冰雪逐漸融化。

可采用增加輸電導線內通過的電流，應用焦耳熱效應去加熱導線，比如帶負荷融冰方法已在寶雞電業局內應用，湖南電網、固原供電局曾大范圍應用短路電流融冰法，均取得了十分理想的除冰效果。也可利用電阻絲伴隨式加熱在交流電感應作用下鐵絲線圈出邊際電流實現間接式加熱。在具體實踐中，當輸電導線上沒有出現覆冰問題時，可通過及時精準的當天氣預報與應用運行高效的覆冰監測系統，掌握適宜時機去開啟熱力融冰裝備去抑制線路結冰過程，以上同樣也是一種有效的抗冰手段，但采用以上這種辦法時候對天氣預報信息的精準度及覆冰監測系統的靈敏度均提出較高要求。

3.2 直流短路融冰

這種方法應用時，將由電網內斷離覆冰的線路。以兩相電路為實例進行分析，短接線路內的一個側端，把另一端接進融冰電源形成通路，等同于把覆冰導線作為作用電負載，能否選擇適宜的電源直接關系著以上這種方法的應用效果。在和500kV覆冰線路直流融冰法相關的研究中，測算得出該電路系統需要提供的功率是200MW，故而可判斷出其在實踐中具有一定可行性，而在實際中提供以上這種大電源容量并不是一件簡單的事。對于一些220kV線路，除冰時可嘗試應用直流短路融冰技術方法，這種方法不會對整個電力系統的運行狀態形成較大影響，既往大量實驗表明其融冰、除冰效果較好。

3.3 交流短路融冰法

這種除冰方法和直流短路法之間有很多相似點。對于一些電壓等級為220kV并且融冰距離相對較短的架空導線，利用交流短路方法進行除冰能取得較好效果。交流短路融冰法和直流短路融冰法在應用階段，均會同時遭受導線電壓級別及電源選擇情況的限制[5]。在實踐中，可選擇220～500kV交流電作為融冰電源，其所生成的短路電流能夠較好地滿足最小融冰電流，但以上過程中分需要電力系統外供1000～2000MVar無功功率，否則這種導線除冰方案將會很難實施。另外，不管是采用直流還是交流短路融冰技術，均要由電網內斷離需要進行融冰處理的目標對象，干擾了正常的供電活動，并且如果遭遇連續低溫、雨雪天氣時很可能再次發生覆冰問題。

3.4 機械除冰法

當架空線路發生覆冰災害后，如果相關部門在較短時間內不能編制有效的融冰除冰方案，則通常會嘗試應用機械除冰方法。機械除冰法主要是利用機械外力、人工手動或者自動強制等形式去使輸電線路上的覆冰掉落，“ad hoe”、強力振動及滑輪鏟刮等均是常用的方法。可把“ad hoe”法分成多種形式，如果導線覆冰容易脫落，可應用起重機、絕緣工具車或直接帶電作業法實現手工除冰；如果覆冰很難脫落，則可應用直升飛機或獵槍等進行處理。以上方法需要指派線路操作者在現場內進行處理，可采用多種方法，過程安全性不足，很難取得十分理想的效果。

強力振動法是利用電磁力或電脈沖使輸電線路在控制范疇中形成劇烈振動，進而誘導覆冰掉落。這種方法在處理霧凇時能取得良好效果，但處理雨凇的效果欠佳；滑輪鏟刮法應用時，要指派地面操作人員牽拉一個可在線路上運行的滑輪去鏟除輸電線路上的覆冰。這是當下可執行度較高的輸電導線機械式除冰技術方法。滑輪鏟刮方法有反應靈敏、行動高、能耗低、成本偏低等諸多優勢，但這種方法應用階段會耗用較多的時間成本，對1km長輸電線路進行滾壓除冰處理時大概歷時l～2h，并且環境、地理條件等客觀環境條件會對其形成較大限制[6]。

3.5 自然脫冰法

自然脫冰，即將足雪環、平衡錘等裝置安裝在架空導線上，當線路上的覆冰聚集到一定程度時，在風力、氣溫改變、地球引力等作用下能夠使冰雪自行掉落。和以上導線除冰方法相比較，自然脫冰法有操作簡單、經濟性較高等優勢，但這種方法脫冰時容易出現不均勻或不同期脫冰等情況，增加了導線跳躍等事故的發生率。

3.6 超聲波除冰法

近些年中，國內有關領域的學者做出把超聲波技術用于風力發電機槳葉、飛機機翼的除冰領域中，并對其進行較深刻的理論專研與試驗分析，從中取得了較理想的成績。分析輸電線路除冰科技，發現超聲波能量的激勵位移不會導致輸電線路出現較大的振動幅度，有助于提升除冰操作過程的安全性、穩定性[7]。

超聲波屬于一種聲波形式，是指頻率超出20000Hz的機械振動波，其有傳播方向性好、能量高、穿透力強及能引發空化作用等特征，有十分廣闊的應用空間。超聲波除冰技術，主要是應用超聲波自身的機械、空化及熱效應去進行除冰操作。機械效應即超聲波在介質內傳播會生成應力，對導線覆冰起到破碎、剝離作用，進而取得清冰效果；超聲波的機械振動將會誘導冰介質粒子出現高頻振動，當振動超出某一限值時，其作用的冰物質將會自動出現疲勞斷裂。

空化效應最顯著的表現是超聲波作用在固液混合物上時能持續生成空穴現象，空化階段生成的氣泡自身會持續出現非線性振動、生長、收縮與崩潰，在這樣的情境下生成的巨大壓力會破壞冰介質，起到除冰的作用；熱效應，即隨著超聲波的高頻振動與空化過程對外釋放大量熱，冰介質能持續將其吸收，自身溫度相應增高，進而對冰融化過程起到一定促進作用。

在實際工作中，架空輸電線路的除冰工作要求短時內實現高效，疲勞失效斷裂的歷時相對較長，無法滿足輸電線路除冰工作的現實要求，但其也能較明顯的優化線路除冰工作成效。另外，在超聲波空化階段，液體內的氣泡出現振動以后的破潰率并不能達到100%。只有在符合其共振頻率超出超聲波頻率的條件、或氣泡共振半徑大于其原始半徑的條件時，空化氣泡方會破潰。如果不能滿足以上這幾個基本條件時，將會引起液體內的空化氣泡出現非線性復雜運動，但不會在后期發生崩潰再生情況。

可采用下式計算氣泡諧振頻率[8]：fr=1/2πR0式中，R0代表的是空化氣泡的原始半徑；γ是絕熱系數，P0是介質內的靜壓強；σ是介質的表面張力；ρ是介質密度。

4 結語

架空線路一旦發生覆冰事故，將會給電網系統帶來巨大的經濟損失，相關部門應加大對覆冰災害的抵御能力，確保輸電線路運行的安全性、穩定性，在規劃及建設輸電線路時，應盡量規避覆冰區域；加大對融冰電源的開發力度，提出更新穎的除冰方案；盡量早從多個方面著手，進而在輸電線路除冰工作中創造更理想的成績。