變電設備帶電除冰技術及應用

國網河南省電力公司超高壓公司 高曉麗 丁子郡 王 允 張竑基

引言

冰凍雨雪天氣會造成電力設備結冰，給電網帶來巨大的災害。在2008年特大冰雪災害中，很多變電站中的設備被完全凍結，嚴重影響到電力設備的正常輸電。由于雨雪天氣導致的災害還有母線支柱瓷瓶、刀閘支柱瓷瓶因結冰出現閃絡、甚至出現爆裂。變電構架如果長時間被冰雪覆蓋還會導致桿塔變形，嚴重的會導致桿塔倒塌，這就會引起變電站停運，引起周圍大面積的停電。所以，研究變電設備帶電除冰技術就非常重要，這樣不僅能夠讓變電站能夠正常的進行運行，而且能夠保證正常的輸電。

傳統的變電設備除冰主要是通過敲打除冰或是人工進行清掃除冰，這種方法工作人員勞動強度大，效果也不是非常明顯，還會對支柱絕緣子等設備造成損害。因此，加強熱力除冰方法在變電設備帶電除冰過程中具有非常重要的意義，而且具有很強的經濟和社會效益。

1 變電站開展除冰的意義及必要性分析

1.1 變電站開展除冰的意義

從理論上來講，加強變電站帶電除冰的研究其理論意義主要體現在以下方面：

第一，豐富變電設備帶電除冰的理論研究。從某種程度來講，變電設備除冰的理論研究一直還是比較薄弱，變電設備帶電除冰方面的研究就更加薄弱，加強變電設備帶電除冰的理論研究能夠進一步豐富變電設備除冰方面的理論研究。

第二，為變電設備實際除冰提供理論依據。加強變電設備帶電除冰理論方面的研究，其目的就是更好的為實踐變電設備帶電除冰提供理論依據，提高除冰效果[1]。

從實踐方面來講，變電設備帶電除冰具有非常重要的實踐意義，其可以減少冰凍雨雪天氣帶來的危害。傳統的變電設備除冰必須要斷電才能夠進行，而且需要人工作業才能夠完成，這就影響到人民的正常生活。在2008的冰凍雨雪天氣，我國大部分的變電設備幾乎都結冰，嚴重影響到變電設備的正常運行。湖南、貴州受災特別嚴重，造成很多市縣出現了大面積的停電。

由此可以看出，冰凍雨雪天氣對電網運行的損害非常大，使人民群眾和電力系統遭受巨大損失。因此，在冰凍雨雪天氣中既要保障電網的正常運行，同時對變電設備中的冰雪進行清除就非常重要了。加強冰凍雨雪天氣中變電設備帶電除冰技術研究，這樣即使在冰凍雨雪天氣中也不會出現變電站停運行，不會出現停電的情況。所以，加強變電設備帶電除冰技術研究工作，在實際的社會生活中具有非常重要的意義。

1.2 變電站開展除冰的必要性分析

在冰凍雨雪天氣下，覆冰對變電站設備的影響包括：由于站內設備表面覆冰，可能導致絕緣閃絡引起設備損壞；站內開關設備可能凍結而無法動作，影響站內操作，延誤電網的恢復、重建速度，在緊急情況下還可能引發事故，如果采用電動強行合、分閘，又容易引起機構和設備損壞；如果變電站還擔負著為線路交流大電流融冰進行倒閘操作的任務，則由于融冰刀閘可能被冰凍無法動作，耽誤融冰的時機。

對于新建變電站，站內絕緣設備覆冰閃絡可通過提高絕緣配置予以解決，構架及附屬設施損壞也可通過提高抗冰標準予以防治。對于已投運變電站，一方面可通過設備改造提高抗冰害的標準，一方面還要加強對開關設備的除冰（融冰），保證開關設備動作正常。

2 變電站除冰方法

2.1 電加熱器除冰法

電加熱器除冰方法主要是通過加熱器加熱來實現除冰目的，通過在變電設備的關鍵部位或重要設備的附件安裝電熱源加熱來防止設備出現結冰的現象。但是電加熱器除冰方法需要消耗大量的能量，而且要在現有設備的基礎上進行改造，在具體實際的應用過程中實用性不強[2]。

其主要工作原理為，電阻加熱器和變電設備絕緣子上面的覆冰的換熱為輻射換熱，只要加熱器的位置確定之后，電阻加熱器的熱量會穩定的傳送到絕緣子所在的位置，這樣冰層在輻射熱量的作用下就會逐漸融化，從而達到除冰的目的。但是值得注意的是，電加熱器的除冰方法也會受到不同因素的制約。

一般來講，加熱器距離絕緣子有一定的距離，這就會導致加熱器輻射換熱的效率較低，而且還會有部分冰雪沒有融化，導致除冰的時間比較長，而且能量消耗比較大，除冰成本高。電加熱器除冰消耗的能量和加熱器功率的大小沒有必然的聯系，但是和加熱器與絕緣子之間的位置有關系。

2.2 熱風除冰法

熱風除冰方法主要分為高壓低溫熱風除冰方法和低壓高溫熱風除冰方法。低壓高溫熱風除冰方法主要是對降落到設備上面的水滴進行蒸發，這樣就能夠防止滴落的水滴結冰。高壓低溫熱風方法主要是把一定溫度的氣流噴射到變電設備的外圍或者附近，沖擊力和熱空氣的氣流就能夠防止變電設備的周圍水滴進行結冰。從目前來講，熱風除冰方法比較簡單且效果比較明顯，但是熱風除冰方法需要對整個過程進行簡單的設計，這樣能夠防止熱量流失，降低熱量的損耗。熱風除冰方法會受到不同因素的影響，主要體現在以下幾個方面：

風速變化會對除冰效果產生不同程度的影響。一般來講，熱風風速越大除冰的效果越好、除冰的時間也是越少的，但是消耗的能量卻比較多。所以，在實際的熱風除冰設計過程中要考慮熱風風速的基本情況，要選擇合適的風速。

熱風溫度變化對除冰效果的影響。變電設備帶電除冰過程中熱風的溫度對除冰效果也會產生不同程度的影響。在風速一定的情況下，熱風的溫度越高除冰的效果就越明顯。但是在實際的除冰過程中，風速的溫度不可能無限制的升高，當風速一定時提高風速的溫度，是理想中的除冰方法。

熱風噴管到絕緣子表面距離變化對除冰效果的影響。也就是說熱風出風口到絕緣子表面的距離遠近也會對除冰效果產生不同程度的影響。熱風噴管到絕緣子的距離越近，除冰效果越好，消耗的能量就越低。同樣，距離越大，那么消耗的能量就越多。所以，在具體實際的除冰過程中，在絕緣安全距離保證的基礎上，要減少出風口到絕緣子之間的距離，這樣才能夠減少除冰的能耗；溫度環境不同對除冰效果的變化。通過實際的研究顯示，環境溫度對熱風除冰的效果影響不是很顯著，但是會產生細微的影響。

結冰厚度不同對除冰效果的變化。結冰的厚度對變電設備的帶電除冰會產生不同程度的影響。研究結果顯示，在其它環境相同的情況下，冰層的厚度增加、除冰的時間就在增加，而且消耗的能量也在增加。所以，在實際的除冰過程中不能選擇冰層較厚時才開始，這樣不僅能耗增加、而且除冰的時間也比較長。所以應該選擇冰比較薄時進行除冰，這樣效果比較明顯。如果是惡劣天氣，較薄時候就進行除冰會導致變電設備進行二次結冰，增加工作強度，也增加熱風除冰的次數。所以，要根據具體的情況來選擇合適的時機進行除冰[3]。

由此可以看出，熱風除冰對其效果影響最為顯著的是熱風的風速，風速增大之后，冰層表面的作用力就在不斷的增加，這就增加了冰層融化的速度，提高了除冰的效果。因為熱風風速和風溫互相作用，出風口距離絕緣子比較近，那么熱傳導的效果就比較明顯，那么熱風以及熱力傳導給絕緣子的表面冰層、絕緣子表面冰層在受力的情況下開始逐漸融化，從而實現了比較好的除冰效果。

2.3 熱水除冰方法

熱水除冰方法主要是通過把一定溫度的熱水用壓力的熱水槍噴射到變電設備的絕緣表面，從而實現除冰的目的。熱水除冰效果明顯，能耗比較低，但是帶電除冰具有一定的危險性。為了減少熱水除冰方法的危險性，所以對高壓熱水噴槍要進行嚴格仔細的設計，這樣才能夠提高安全性。

高壓熱水噴槍設計要求主要如下：

槍嘴。其設計必須是采取質量比較好的絕緣材料，這樣在帶電進行除冰時才能夠提高安全性；防雨傘群。材料方面要選擇硅膠材料，這樣才能夠防雨雪，而且在惡劣天氣的環境下也能夠使用。

槍管。其材質要采用環氧樹脂玻璃管制作，這樣槍管的耐壓性、耐熱性以及可以抗腐蝕性，而且可以增加槍管的使用年限，減少維修成本，提高水槍使用壽命，要根據電壓的不同選擇不同的槍管。工作人員在進行除冰過程中要避免槍管中噴出的熱水燙傷。

絕緣支架。絕緣支架的材料也要采取環氧玻璃，采用絕緣支架能夠減少工作人員的勞動強度；水槍接地線。接地線主要是在槍體的下方連接地線，這樣槍體可以有效的消除泄露電流，保障工作人員的安全[4]。

變電設備帶電熱水除冰主要是通過過濾-加熱-滲透-除鹽-加熱方式，把水制成高溫、高純度的熱水。工作人員在進行除冰的過程中把絕緣高壓水槍對準變電設備，由下往上進行除冰。高溫的熱水在對絕緣子表面進行沖洗時，冰層遇到了高溫熱水就開始逐漸融化，這同時又對絕緣子表面進行了沖洗，還能夠提高絕緣子的絕緣性能。熱水除冰方法也會受到不同因素的影響，主要體現在以下兩個方面：

熱水噴射速度對除冰效果的影響。熱水噴射的速度越大，那么除冰的時間就越短，但是能耗會逐漸增加。如果熱水噴射的速度小，那么水柱的射程不高，除冰的效果就不明顯。熱水噴射速度增加，那么作用在絕緣子表面的沖擊力就增大，在水溫和水的沖擊力的雙重作用下除冰的時間就會縮短，但是水的濺射會增加，熱水的有效利用率會降低，熱水用量會增加。而且在帶電作業時會有一定的觸電危險。也就是說熱水帶電除冰具有一定的危險性，要正確的選擇熱水噴射的速度。

熱水溫度變化對除冰效果的影響。一般來講，熱水的溫度越高，那么除冰的時間就會比較短、除冰消耗的能耗也會減少。所以，熱水除冰時要盡可能的提高水的溫度、縮短除冰的時間，這樣能夠減少熱水的用量，減少能量的消耗。

3 變電設備帶電除冰方法的優劣

一般來講，變電設備帶電除冰方法主要是熱風除冰方法、熱水除冰方法以及電阻加熱除冰方法。從目前來講，熱風除冰方法在實際使用的過程中比較多，而且相對比較安全。熱風的風速越高，那么除冰的速度就越快，除冰花費的時間就越短，但是能耗也比較多。因此，在保證除冰時間和除冰能耗的前提下，選擇適當的風速、使風溫達到相應的高度，這樣才能夠安全有效的實現除冰的效果。

值得注意的是，熱風出口管盡量不要距離絕緣子表面太遠，距離太遠消耗的能量也就越多。也就是說在絕緣安全的距離下，要縮短熱風噴管到絕緣子的距離，確保除冰速度的前提下，減少能耗[5]。

熱水噴射速度和熱水溫度等參數對熱水除冰的除冰效率和除冰能耗影響較大。熱水噴射速度越大、除冰時間越短，相應的除冰能耗越多，實際運用中應正確的選擇熱水的噴射速度；熱水溫度越高，除冰時間越短，且除冰能耗也有小范圍內的減少，在實際運用中應盡可能的提高熱水水溫。

電阻加熱除冰一般在實際應用中比較少，主要原因是能耗太高、而且成本也是太高，缺乏相應的社會經濟價值。加熱器輻射換熱效率低，電加熱器除冰的除冰時間明顯過長，除冰能耗明顯較大。

總之，變電設備帶電除冰在實際生活中具有非常重要的意義，特別是遇到重大冰雪災害天氣，變電設備帶電除冰就更加重要。變電設備帶電除冰不僅能夠保證變電設備正常供電，而且正常供電是人們生活的保障。