移動直流融冰技術在500 kV輸電線路上的應用

王京波，李 嗣，楊洪明，葛 雄，陳光輝

（國網湖北省電力有限公司超高壓公司，湖北 武漢 430050）

0 引 言

根據相關統計，近年來因惡劣天氣造成的電力系統故障達到75%以上[1]。其中，輸電線路舞動覆冰是冬季常見的自然災害之一，表現為覆冰導線在風的作用下發生低頻且大幅度的擺動，極易因金屬疲勞造成絕緣子、金具、導線損傷甚至倒塔斷線，給電網安全運行帶來巨大威脅[2]。2018年1月，湖北主網發生大面積輸電線路覆冰舞動災害，導致13條500 kV線路短期內發生永久接地故障跳閘，19條500 kV線路本體受損，造成嚴重的經濟損失和巨大的社會影響。2019年2月，500 kV峽林一二三回線路百里荒段因覆冰導致地線斷裂，造成3條線路相繼跳閘，給三峽電力外送造成巨大影響[3]。在覆冰災害發生時，對500 kV線路進行高效融冰是保證主網安全穩定運行的重要技術手段。由于500 kV輸電線路融冰一直以來受距離長、線徑粗等制約，文章探索利用移動式直流融冰裝置對500 kV斗江線線路進行直流融冰。

1 直流融冰原理與參數計算

1.1 直流融冰原理

直流融冰是將覆冰線路作為負載，施加直流電流加熱導線使覆冰融化。對于500 kV線路，由于直流阻抗只有交流阻抗的10%左右，采用直流電流融冰需要的電源容量較小。融冰直流電源可以由發電車提供，也可由系統電源連接整流裝置提供。此外，直流輸出電壓和電流可調節，具有更好的適用性。直流融冰原理如圖1所示。

圖1 直流融冰原理

1.2 直流融冰參數計算

1.2.1 融冰電流和融冰時間

在現場工況和覆冰狀態確定的情況下，融冰電流和融冰時間之間的關系為

式中：Ir為融冰電流，A；ΔT為導體溫度與外界氣溫之差，℃；d為導線直徑，cm；D為冰筒直徑，cm；b為覆冰厚度，cm；g0為冰的密度，一般取0.9 g/cm3；R0為導線在0 ℃時的電阻率，Ω/m；tr為融冰時間，s；RT0為等效冰層傳導熱阻，（℃·cm）/W；RT1為對流及輻射等效熱阻，（℃·cm）/W[4-5]。

1.2.2 最小融冰電流

最小融冰電流又稱臨界融冰電流，是臨界融冰狀態下的電流。只有融冰電流大于臨界電流時，覆冰才能開始融化。最小融冰電流的計算對融冰裝置的設計具有重要指導意義。其計算公式為

式中：Imin為最小融冰電流，A。

1.2.3 最大融冰電流

最大融冰電流也稱極限融冰電流，是在特定環境溫度下導線最高溫度為70 ℃時所允許的短期電流。其計算公式為

式中：Imax為最大融冰電流，A；T2為環境溫度，℃；σ為輻射系數，鋁導線通常取0.11，銅導線取0.6，鐵導線取0.25；R90為導線在90 ℃時的電阻率，Ω/m；v為風速，m/s。

1.2.4 融冰功率

融冰功率是在確定融冰電流的情況下，根據導線參數估算融冰裝置的輸出功率，用以指導融冰電源的配置。當采用“一去一回”方式融冰時，融冰功率的計算公式為

式中：P為融冰功率，W；Ir為融冰電流，A；R0表示導線在0 ℃時的電阻率，Ω/m；l為導線單程長度，m。

在不同工況下，500 kV以上線路常見導線的最小融冰電流和最大融冰電流計算結果如表1和表2所示。

表1 8 mm覆冰情況下不同型號導線的融冰參數計算值

由表1和表2可知，在相同的覆冰厚度、溫度以及風速條件下，最小融冰電流與導線線徑成正相關。覆冰厚度對最小融冰電流的影響不大，主要原因是導線表面熱平衡吸熱、散熱與冰厚關系不大。在相同線徑、冰厚及溫度條件下，風速越大，導線的最小融冰電流越大；在相同導線線徑、覆冰厚度和風速條件下，溫度越低，導線的最小融冰電流越大。綜合分析，風速和溫度對導線表面吸熱和散熱影響較大。

2 500 kV斗江線融冰試驗

2.1 參數校核

本次融冰選擇退役的500 kV斗江線1#～12#耐張段作為融冰區段，長度為5.12 km。現場溫度為-2 ℃，風速為2 m/s，覆冰厚度為5 mm。導線采用鋼芯鋁絞線LGJ-500，單根導線外徑為30 mm、電阻率為0.059 12 Ω/km。

本次融冰采用現場10 kV交流作為融冰電源，利用車載變壓器將10 kV交流降壓為380 V，再與整流裝置連接。直流側輸出電壓為

式中：Ud為直流輸出電壓；U2為交流側相電壓，取220 V；α為晶閘管觸發角，取10°。根據歐姆定律，500 kV斗江線融冰段單根子導線直流電流理論上限值為827.25 A，在最大融冰電流和最小融冰電流之間，融冰電流滿足該區段導線融冰需求[6]。

2.2 操作步驟

對斗江線1#-12#耐張段A、B相導線進行融冰，具體操作步驟如下。第一步，確認融冰線路處于停電狀態，在1#塔小號側、12#塔大號側掛設接地線；第二步，將直流電纜的兩極分別接入1#塔大號側和12#塔小號側的A、B相導線；第三步，拆除1#、12#塔三相引流線；第四步，將融冰裝置與電源線可靠連接，檢查接線正確，風扇運轉正常，控制、保護裝置信號正確，設備狀態無異常；第五步，啟動融冰裝置，以手動方式控制融冰電流緩慢上升，同時巡查直流電纜、融冰裝置、融冰區段無異常；第六步，調節直流輸出電流到最大值，同時檢查直流融冰裝備、接點溫度無異常，直至A、B相導線融冰完畢；第七步，覆冰完全脫落后，將輸出電流緩降至0 A；第八步，拆除融冰裝置接線，恢復1#、12#塔三相引流線，拆除導線接地線，融冰結束。

2.3 試驗結果

本次融冰結果如表3所示。

表3 融冰結果

由表3可知，融冰試驗結果與理論值大致相符，證明了該方式的可行性，效果良好。

3 結 論

文章利用現場10 kV交流線路通過車載移動式變壓器和整流裝置提供直流融冰電源，對500 kV斗江線兩相導線采用“一去一回”的方式進行直流融冰，獲得較好的融冰效果。通過在500 kV線路上應用直流融冰技術，驗證了其具有良好的適用性，值得推廣應用。