输电线路完善化融冰技术综述

2013-09-20莫理莉甘凌霄王善生杨战

电气自动化 2013年3期

莫理莉，甘凌霄，王善生，杨战

（1.华南理工大学建筑设计研究院，广东广州 510640;2.贵州电网公司贵阳供电局，贵州贵阳 550004;3.广东电网公司，广东广州 510630）

0 引言

我国自然地理和地质环境复杂，是世界上遭受地质灾害种类最多、受灾最严重的少数几个国家之一［1］。我国的地质与气象条件决定了输电线路非常容易遭受冰灾的影响。输电线路覆冰不仅给电网生产与运行带来严重影响，更对国民经济生产和人民生活造成重大损失。2008年南方冰灾，湖南、贵州、云南等电网发生大面积倒塔断线、绝缘子闪络、导线舞动、跳闸等事故，甚至个别区域地区电网与主网解列。这次冰灾仅南方电网的直接经济损失就达150亿元［2］。为了能够更好地减少自然灾害对输电线路的影响，国内外一直把电力系统输电线路融冰作为重点研究方向。目前已提出防冰除冰方法约30余种，但大多数均处于实验阶段，仅有少数在一定程度及范围内得到工程的实际运用［3］。本文在简述常规除冰技术的同时，重点介绍一种将基于GPRS的输电线路在线监测系统与基于SVC直流融冰策略相结合的完善化融冰方案，该方案在工程实际中已取得良好应用。

1 线路覆冰基本理论

1.1 导线覆冰的热平衡方程

覆冰是液态过冷却水滴释放潜热固化的物理过程，与热量交换和传递密切相关。导线覆冰量、冰厚、冰的密度都取决于覆冰表面的热平衡状态［4］。覆冰表面的热平衡方程如（1）所示:

式中Qf—冻结时释放的潜热;Qf—空气摩擦对冰面的水滴加热;Qf—冰从0°C冷却到覆冰表面稳态温度释放的热量;Qf—覆冰表面与空气的对流热损失;Qf—覆冰表面蒸发或升华产生的热损失;Qf—碰撞导线的过冷却水滴温度升高到0°C时释放的热量;Qf—冰面辐射产生的热损失。

1.2 导线覆冰的临界条件

在理想状态下，当导线处于覆冰和不覆冰的临界状态时，导线表面的温度a3为0℃，水滴在其表面的冻结系数Ts为0［5］。

1.3 融冰时间

当使用大电流进行融冰时，为了确保不使导线过热，需要对融冰电流的大小和融冰时间进行计算。根据热平衡方程，融冰时间T计算公式［6］如（2）所示:

式中Ci—冰的比热;Ta—气温;ri—冰的密度;R0—覆冰后导线平均半径;I—融冰电流;Ri—不覆冰时导线半径;Re—融冰电流为单位长导线在零度时的电阻。

1.4 导线覆冰的临界电流

负荷电流的焦耳热效应在一定条件下可使线路免遭冰雪的危害。在覆冰条件下导线不覆冰的最小负荷电流称为临界负荷电流。由式（3）可得覆冰气象条件下导线不覆冰时的临界负荷电流为［7］:

式中临界负荷电流ic是风速v、环境温度Ta、空气中液态水含量w和水滴在导线上碰撞系数aj等的函数（Ln=a1wv）。

2 热力融冰方法

目前，国内外除冰方法大致可分为热力除冰方法、机械除冰方法、被动除冰方法、其它除冰方法4类［8］。输电线路走廊，特别是超高压输电线路走廊为了避让城市规划区、居民生活区等，一般选择架设在从荒山野岭之间。特别是在云贵湘地区，海拔较高，多低温阴雨，一旦输电线路产生覆冰，采用机械除冰方法或者被动除冰方法很难取得良好效果［9－11］。而热力融冰法采用焦耳效应融冰原理，利用电流加热覆冰导线进行除冰，仍然是目前解决输电线路覆冰问题的最好方法。而热力除冰法又分为以下几类:

2.1 调度融冰法

调度融冰法主要依靠电力调度，通过改变电网潮流分配，使覆冰线路的电流尽可能增大，热量增加以达到融冰的目的，这是实际中针对输电线路最方便的除冰方法，但是这种方法由于受变压器及线路容量等条件的限制，并不能从根本上解决覆冰问题，只适用于线路覆冰初期，只能起到缓解、延迟线路覆冰的作用［12］。调度融冰法的优点在于不需停运，缺点是融冰效果不佳。

2.2 交流短路融冰法

交流短路融冰是在架空线路的某一点装设三相融冰短接线，再由中压配电点对线路送短路融冰电流，借助短路电流（控制在导线最大允许电流范围之内）发热融化覆冰［13］。这种方法在国内外一定范围内已经正式运行［14－15］，但是由文献［16］的实验结果表明:35 kV与110 kV做融冰电源，500 kV线路中的短路电流不能达到最小融冰电流;220 kV做融冰电源，短路电流可以达到融冰需要的电流，但线路长度必须在一定距离之内。因此，对于500 kV或更高电压等级输电线来说，由于难以找到满足要求的融冰电源，采用交流短路融冰方案是不可行的。

2.3 电流接触器负载转移法

电流接触器负载转移法是专为分裂导线而研发的［17］。它的独到之处是通过电流触发器装置配置的新间隔替换实际应用中分裂导线的间隔，以此来控制分裂导线的电流。在连续的除冰过程中，电流触发器迫使流过所有次导线的电流只经过一个次导线。但是这种方法仍处于概念阶段，将它应用于工程实际还有很长的路要走。

2.4 直流融冰法

2.4.1 直流融冰方案

直流融冰法（见图1）是将交流电源通过换流装置转化为直流电流加热覆冰导线以达到融冰目的的方法。对于直流电流来说，由于其本身在线路上流动并不消耗无功，且输电线路的电阻R≪电抗X，仅换流装置本身需要消耗部分无功;所以对于同电压等级的融冰电源来说，直流融冰较交流融冰能输出更大的融冰电流。因此直流融冰法适用于多个电压等级的融冰，特别是交流融冰方案无法满足的500 kV及以上的高电压等级输电线。

图1 直流融冰方案

2.4.2 融冰电源

直流融冰的电源可以取自发电机（车），也可以取自交流电网［18］。由于发电车受到容量的限制，实际的有效融冰距离很短。如表1显示［19］:2 MVA容量发电车对500 kV交流线路是没有意义的，但对导线截面为240 mm2的110 kV、95 mm2的35 kV、95 mm2的10 kV融冰距离比较理想。所以在条件允许的情况下，最好还是从交流电网，例如可以将整流装置直接接在220 kV主变或110 kV主变35 kV侧或者10 kV侧获取电源以充分利用整流器的过载能力。

表1 典型发电车容量与各电压等级融冰线路长度的关系

2.4.3 融冰装置类型

一般说来，直流融冰装置可分为固定式直流融冰装置和移动式融冰装置两类（如图2所示）。固定式直流融冰装置由变电站提供电源，主要由换流变压器、晶闸管阀、电抗器、交直流滤波器及控制保护设备等组成，有的还可以通过改变连接方式，实现直流融冰和SVC两种功能。移动式融冰装置的基本原理同固定式融冰装置相同，都是通过晶闸管整流器进行整流获得直流电压，将覆冰线路末端短接，利用其中的两相或三相同时作为负载，提供直流电流加热导线，使覆冰融化。唯一的区别就是移动式的融冰装置能够用平板车拖动组装式设备且融冰电流较固定式的略小一些。

图2 固定式与移动式融冰装置

3 完善化直流融冰技术

所谓完善化的直流融冰技术，就是将基于SVC的直流融冰策略和基于GPRS的输电线路在线监测装置相结合，以弥补原有的直流融冰技术的不足。

3.1 基于SVC的直流融冰策略

虽然直流融冰装置对于500 kV及其以上的高压输电线路能起到良好效果，但是直流融冰设备造价昂贵。如果仅用于持续时间短但强度大的冰灾，那直流融冰设备的效率较低、经济性较差。为了提高直流融冰装置的经济性，结合国外直流融冰装置的研发状况，由国内自主设计、自主制造、自主研发的首套最大容量的固定式直流融冰装置已于2008年底在湖南电网顺利通过试验并成功应用。这种直流融冰兼SVC装置在输电线路没有融冰需求时，作为动态无功补偿装置使用，其功能相当于常规的 SVC装置，可以为系统提供动态无功支撑，阻尼系统低频振荡，提高系统稳定极限和输送能力。而当输电线路需要融冰时，经过简单的主接线重构，可以较方便地改为直流融冰装置，为输电线路提供必要的直流融冰电流［20］。

3.2 基于GPRS的输电线路在线监测装置

3.2.1 国内输电线路在线监测装置

早期的输电线路覆冰监测主要依靠人工巡线，不仅受地形环境、天气状况等因素的制约，而且消耗了大量的人力和物力，有时还不能及时地监测故障事件，可能会带来一些不必要工作延误，甚至会扩大故障范围［21］。随着我国电力建设的高速发展，特别是2008年南方冰灾之后，线路的在线监测技术受到普遍重视，两大电网公司分别开展了关于输电线路在线监测系统的研制工作，取得了丰硕的成果。南方电网公司除了海南电网外，其余管辖的广东、广西、云南、贵州省网和超高压电网均已建设或者正在建设线路的在线监示范性项目［22］。与此同时，国家电网也在同时期加快了输电线路的在线监测示范性工程，其所管辖的华东、华中、华北、山西、湖南和福建等地区电网已建立了输电线路覆冰状态监测系统［23］。其中最为有影响力的，应该算是在线监测装置在世界上第一个交流1 000 kV特高压示范性工程——晋东南—南阳—荆门的应用。经过实际运行表明，在线监测装置能实时监测了1 000 kV输电线路沿线导线的覆冰综合拉力变化、倾斜角、风偏角、温度、湿度、风速、风向以及图像视频等信息，便于在覆冰初期及时发现冰害危险，提供预告报警信息，有利于将覆冰事故消除在萌芽状态，防止冰害事故，提高了1 000 kV特高压输电线路覆冰区的安全性［24］。文献［25］着重介绍国际通用的、最可靠、误差最小的称重法在监测覆冰装置的应用情况。

3.2.2 在线监测系统结构模型

虽然称重法在国内外得到了广泛的应用［26］，但基于电阻应变片的拉力传感器方法存在装置长期工作稳定性和可靠性的问题［27］，所以在国内工程实际中，得到更多应用的还是将称重法和视频图像法相结合的综合性策略。称重法作为主要监测手段实现定量分析，而视频图像法作为辅助监测手段实现定性分析。在供电单元方面，多采用的是太阳能+免维护蓄电池供电的方式［28］。图3为某电网公司线路覆冰监测系统局部结构图。

图3 线路覆冰监测系统局部结构图

3.2.3 在线监测系统功能分析

在线监测系统功能强大，具有良好的应用前景，可监测全方位的多组数据，实现真正意义上对线路的监测与控制:

（1）微气象。系统通过在被测线路杆塔上安装温度、湿度、风向等测量采集仪器，能实时将现场气象参数传回后方数据中心，供运行人员对影响微气象地区线路运行故障的自然环境因素进行分析，同时为微气象地区输电线路的设计和运行检修提供详细的第一手气象资料［29］。

（2）运行视频的在线监测。安装在铁搭上面的摄像头可对输电线路进行图片视频拍摄，通过GPRS传到后台，信号经相关软件解码后能直观的表现在监测系统中，便于运行人员对输电线路进行24小时监测，减少巡线人员的工作强度。

（3）危险点的控制。文献［30］谈到了电力设施遭受外力破坏已经成为影响电网安全运行的重要因素，是威胁城市电网安全运行的首要因素。输电线路通道受违章侵占和树线交跨的矛盾还比较突出，严重威胁着电网安全。而在线监测装置的应用正好可以在一定意义上解决这类问题。

风偏距监测。通过对悬垂串风偏角和倾斜角或跳线风偏角、风速、最小电气间隙、风向、气温湿度等参数的分析比较寻找跳线绝缘子串风偏与气象环境各个相关参数之间的关系，作出合理的预警信息［31］。

专家软件［32］。监控中心专家软件可实时监测该线路各杆塔上的变量情况，，并通过对分机的点测、巡测的实时数据进行分析判断，判断当前线路的覆冰状况，及时给出预报警，并把报警信息传送给管理员和相关领导。

4 结束语

（1）相对于机械除冰法或者被动除冰法，热力融冰法仍然是目前解决输电线路覆冰问题的最好方法。

（2）对于500 kV及其以上的线路而言，直流融冰法是首选的融冰策略，也是今后需要集中研究的重点。

（3）基于SVC的直流融冰策略能够提升设备在非融冰期的使用效率，这种经验值得进一步借鉴和推广。

（4）基于GPRS的线路在线监测系统可实现对线路的实时视频、微气象、风偏距的实时监测等，并可实现自动预警、报警，能及时准确地掌握线路覆冰情况，为电网生产运行部门提供决策依据，是对直流融冰策略的补充与完善。

［1］李智毅.中国地质灾害的成生和活动特点［J］.地质灾害与防治，1990，1（4）:22 －26.

［2］中国南方电网公司.电网防冰融冰技术及应用［D］.北京:中国电力出版社，2010.

［3］倪喜军，赵剑锋，杨铭，等.基于高频谐振集肤电流法的线路除冰研究［J］.电力自动化设备，2009，29（2）:6 －10.

［4］苑吉河，蒋兴良，易辉，等.输电线路导线覆冰的国内外研究现状［J］.高电压技术，2004，30（1）:6 －10.

［5］蒋兴良，林锐，张志劲，等.覆冰交流输电线路保线电流及其影响因素分析［J］.电网技术，2009，33（19）:21 －25.

［6］常浩，石岩，殷威扬，等.交直流线路融冰技术研究［J］.电网技术，2008，32（5）:1 －6.

［7］孙才新，蒋兴良，熊启新，等.导线覆冰及其干湿增长临界条件分析［J］.中国电机工程学报，2003，23（3）:141 －145.

［8］蒋兴良，张丽华.输电线路除冰防冰技术综述［J］.高电压技术，1997，23（1）:73 －76.

［9］王守礼.云南高海拔地区电线覆冰问题研究［M］.昆明:云南科技出版社，1993.

［10］ Michel Landry，Roger Beauchemin，et al.Deicing EHV overhead transmission lines using electro magnetic forces generated by moderate shortcircuit currents［C］. 9tth International Conference on TransmissionAnd Distribution Construction，2000，94 －100.

［11］ Robert I，Robert L，et al.An investigation of power line deicing by electro impulse methods［J］.IEEE Trans on Power Delivery，1989，4（3）:1855－1861.

［12］刘顺新，罗浩东，邓小磊.架空输电线路除冰技术分析［J］.高压电器，2011，47（3）:72 －76.

［13］苏盛，刘勤，蔡德福，等.基于图论的短路融冰方案快速制定方法［J］.高电压技术，2009，35（3）:579 －582.

［14］ Laforte J L，Allaire M A，Laflamme J.State-of-the-art on power line deicing［J］.Atmospheric Research，1998，46:143 －158.

［15］亚历山德罗夫B.H，等.巴什基尔电网防治覆冰研究［J］.电力安全技术，1999，1（1）:14－16.

［16］许树楷，赵杰.电网冰灾案例及抗冰融冰技术综述［J］.南方电网技术，2008，2（2）:1 －4.

［17］ Masoud Farzaneh.电网的大气覆冰［M］.北京:中国电力出版社，2010.

［18］傅闯，饶宏，，黎小林，等.直流融冰装置的研制与应用［J］.电力系统自动化，2009，33（11）:53 －56.

［19］饶宏，李立浧，黎小林，等.南方电网直流融冰技术研究［J］.南方电网技术，2008，2（2）:7 －10.

［20］谢彬，洪文国，熊志荣，等.500 kV复兴变电站固定式直流融冰兼SVC试点工程的设计［J］.电网技术，2009，33（18）:182－185.

［21］赵增华，石高涛，韩双立，等.基于无线传感器网络的高压输电线路在线监测系统［J］.电力系统自动化，2009，33（19）:80－85.

［22］李立浧，阳林，郝艳捧.架空输电线路覆冰在线监测技术评述［J］.电网技术，2012，36（2）:237 －241.