长距离地线融冰及工程实践

2015-03-20张益修赵全江胡守松柏晓路

电力勘测设计 2015年2期

张益修，李健，赵全江，李毅，胡守松，柏晓路

(中南电力设计院，湖北武汉 430071)

1 概述

随着电网的发展和全球极端气候频发，尤其是2008年我国南方、华中、华东地区出现了历史上罕见的低温雨雪凝冻灾害，对电网造成了极大破坏，大面积停电使国民经济及人民生活都受到严重影响。在导线完成融冰后，架空地线在覆冰严重时也很容易引起断线和杆塔损坏，从而影响线路的正常运行。开展地线融冰研究和工程实践，对于确保输电线路在极端冰雪条件下的安全稳定运行，有着重要的意义。

本文对地线直流融冰技术进行了深入研究，在500 kV施秉—贤令山线路(下文简称500 kV施贤线)防冰抗冰改造工程实践中，通过对全线地线直流融冰参数分析计算，根据计算结果选择不同型号地线融冰电流以及地线绝缘配置水平，提出有效可行的地线直流融冰技术方案，对全线约1200 km线路成功实现了全覆盖融冰。

2 融冰电流选择

将电能转化为热能融冰是输电线路融冰的基本思路。直流融冰技术是将覆冰线路作为负载，施加直流电源，地线由于电阻较大，通过大电流后电压较大，融冰电压可能会超过融冰装置输出电压，如何保证输出大电流，又要低电压输出时目前地线直流融冰技术需要解决的问题。对于长距离输电线路，由于地线分段、气象分段的不同，融冰电流的选择既要满足覆冰区段融冰所需热能量要求，也要考虑到未覆冰区段导线温升在安全范围内，此外，不同材质地线的融冰电流匹配问题也影响融冰方案的确定。

2.1 地线融冰电流

融冰电流是指输电线路覆冰后，在相应的环境温度、风速条件和给定的时间下，能使输电线路覆冰融化的最小电流。目前输电线路融冰电流计算常采用苏联的布尔斯道尔夫公式：

式中：Ir为融冰电流(A)；R0为0℃时导线电阻(Ω/m)；Tr为融冰时间 (h)；Δt为导线实际温度与外界温度差(℃)；RT0为等效冰层传导热阻(℃×cm/w)；RT1为对流及辐射传导热阻(℃×cm/w)；g0为冰的比重(g/cm)；d为导线直径(cm)；b为覆冰厚度(cm)；D为覆冰后导线外径(cm)。由于施贤线全线全长约1200 km，地处贵州、广西、湖南、广东四省，气象条件复杂，因此采用经验公式应考虑适当的裕度。结合全线气象分区综合分析，地线融冰计算条件取为环温－5℃，风速5 m/s，冰厚10 mm，1小时融冰。根据上式，对500 kV施贤线地线最小融冰电流进行计算，计算结果见表1。

2.2 地线允许电流

地线允许电流是指融冰过程中，在相应的环境温度和风速条件下，短时间内地线达到允许温度所通过的最大电流。

当环境条件一定时，地线允许电流取决于允许温度、融冰时间外，其允许温度可按照电线强度损失不超过5%控制。

对于铝包钢和光纤复合架空地线(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire,OPGW)，其允许电流较大，地线允许温度可按大跨越允许温度考虑，铝包钢绞线地线允许温度取100℃，OPGW光缆允许温度取90℃。对于镀锌钢绞线短时最大允许温度，中国电科院曾做过耐热试验，在180℃下，400 h后镀锌钢丝强度残存率约为98.12%，满足要求；1000 h后其强度残存率约为97.92%。因此，180℃时镀锌钢丝的强度几乎不随时间而下降，具有良好的耐热性能，最高允许温度取180℃。

本工程融冰区段较长，气象条件复杂，为安全考虑，环境温度取5℃，风速取2 m/s。根据摩根公式计算不同型号地线允许电流，计算结果见表1。

表1 不同地线型号融冰电流及最大允许电流

3 融冰分段及接线方式

3.1 融冰分段

融冰分段主要受融冰电压大小、不同型号地线融冰电流匹配等因素影响。融冰分段不宜过长，需保证融冰电压需低于直流融冰装置额定输出电压。为保证融冰段全段融冰，分段内不同地线融冰电流需匹配，融冰电流不大于段内所有地线的最大允许电流。

以500 kV黎桂甲线地线融冰方案为例，综合考虑该线路不同型号地线融冰电流的匹配以及融冰操作便捷性，可实现黎平站和桂林站融冰装置均能完成融冰，将黎桂甲线分为三个融冰区段，根据电阻匹配原则，既可完成每个分段单独融冰，又能三段并联实现全线融冰，融冰方案见表2。

表2 黎桂甲线融冰方案

3.2 融冰接线方式

融冰接线方式宜尽可能操作简单，分段位置尽可能交通便利，方便运行操作。

对于架设双普通地线的线路，由于同区段的两根地线型号相同，不存在电阻参数差异过大而导致电流分配严重不均匀的情况。从简化融冰步骤、缩短融冰时间的角度考虑，采用将同区段的两根普通地线并联的融冰接线方式，同时通过优化地线融冰开断点，实现分段并联和分段单独融冰相结合的接线方式进行融冰，即每个分段可单独实现地线融冰，也可实现不同分段并联融冰，接线方式见图1。

图1 地线分段并联融冰接线示意图

对于架设一根普通地线与一根OPGW的线路，为避免两者串联或并联融冰时电阻较大的地线发生熔断，可通过优化地线融冰开断点，结合融冰电流计算，可实现普通地线和OPGW分段并联或分段单独融冰相结合的接线方式进行融冰,即普通地线和OPGW每个分段可单独实现地线融冰操作，也可实现不同分段并联融冰，接线方式见图2。

图2 地线分段融冰接线示意图

4 地线绝缘配置

500 kV施贤线采用分段绝缘、单点接地运行模式，要实现地线融冰，必须将全线地线(含OPGW)进行绝缘改造，使其具备接入直流电流形成回路的能力。因此需根据融冰电压和感应电压合理进行地线绝缘配置，选择地线绝缘水平和绝缘间隙，使改造后的地线既满足正常运行工况下感应电压限值及防雷要求，又满足融冰工况下绝缘强度要求。

4.1 融冰电源

目前500 kV施贤线全线有桂林站、黎平站两套直流融冰装置。其中桂林站直流融冰装置额定直流电流为4500 A，额定直流电压约为±25 kV，融冰功率为225 MW；黎平站直流融冰装置额定直流电流为4500 A，额定直流电压为±11.2 kV。

融冰装置输出的直流电压为6脉动电压或12脉动电压，由于负载线路情况以及直流滤波器配置不同，存在不同幅值的波动，融冰装置输出电压波形见图3。

图3 融冰装置输出电压波形

4.2 地线绝缘水平选择

对于地线直流融冰，融冰电压为融冰电流在地线上产生的压降，融冰区段越长，融冰电压越大。通过对500 kV施贤线各分段融冰电压计算，融冰电压最大值为±16.0 kV。

地线绝缘后，由于相导线与地线间存在电场及磁场的相互耦合，线路正常运行时在地线上将产生较高的感应电压。地线绝缘分段线路越长，感应电压越大。按各融冰区段地线首端接地、分段绝缘的接地方式，计算500 kV施贤线全线地线感应电压，全线融冰区段最长约150 km,计算出感应电压最大值约为5.3 kV。

由于感应电压较融冰装置输出电压要小很多，地线绝缘水平主要受融冰装置输出电压控制，充分考虑直流融冰装置输出电压存在的谐波分量，地线绝缘水平按35 kV考虑。

4.3 地线绝缘子选择

地线复合绝缘子的选择，在正常运行和融冰条件下满足工作感应电压和融冰电压的要求，同时需满足污秽耐压水平和覆冰耐压水平。35 kV地线复合绝缘子参数见表3。

表3 地线复合绝缘子参数

4.4 地线间隙配置

绝缘地线的间隙值应既满足冬季融冰要求，又满足防雷及正常运行方式时的要求。即要避免融冰电压击穿保护间隙，又要保证冰闪电压、污闪电压、单相接地故障以及雷击时保护间隙有效击穿。

根据地线复合绝缘子人工覆冰耐受试验结果，该地线复合绝缘子在间隙取值为40 mm，覆冰厚度为10 mm时，闪络电压在30～35 kV之间，满足融冰电压的要求。复合绝缘子污秽闪络电压约为30 kV，满足本工程污秽耐压水平要求。

通过对500 kV施贤线单相接地故障时绝缘地线上的感应电压进行了初步的研究计算，结果表明在单相接地故障时，40 mm的地线绝缘间隙可被击穿。

地线的全线绝缘将降低地线上感应电荷的聚集速度；但从定量上说，这种影响不足以破坏地线的感应电荷在雷电下行先导在向下梯级发展过程中达到的准静态平衡状态。通过电磁暂态程疗(Electro-Maguetic Transient Drogram,EMTP)计算，当地线与杆塔绝缘的空气间隙距离在20 ～100 mm时，线路的反击耐雷水平下降3 ～5 kA 左右。因此，地线的绝缘间隙距离为20～100 mm时，其引雷能力没有实质性的削弱。

综合考虑，地线绝缘间隙距离采用40 mm。

5 融冰配套装置

5.1 融冰接地刀闸

为实现地线分段融冰，运行人员需上塔操作，在每个融冰分段点均考虑安装融冰接地刀闸。由于OPGW光缆地线融冰长度较长，感应电压较大，为保证运行维护安全，在每个OPGW接头位置安装融冰接地刀闸。

线路正常运行时，合上融冰接地刀闸，地线接地；在进行融冰操作时，人员上塔完成融冰设备操作后，断开刀闸，实现地线融冰。在安装与运行时，须确保上塔人员的安全。

地线融冰接地刀闸结构示意图见图4。

图4 融冰接地刀闸

5.2 OPGW绝缘配套设备

要实现OPGW绝缘，需对OPGW引下线夹、接头盒、余缆架等配套设备进行绝缘化改造。

光缆接头位置均需安装绝缘接头盒、绝缘余缆架和绝缘引下线夹。对于非分段的光缆接头位置，在光纤接续的同时，还需保持电气连接，需采用普通绝缘接头盒。对于光缆融冰分段位置的接头盒，需断开两侧OPGW的电气连接，但仍要保证光纤的接续，采用光电分离接头盒。

绝缘引下线夹将OPGW引下部分与杆塔塔身绝缘。OPGW配套设备绝缘示意图见图5。

5.3 融冰操作装置

要实现地线的长距离分段融冰，按融冰方案将导线、地线短接，将导线上的电流引入地线，并构成回路，因此需设计一套专用的融冰操作装置，主要包括35 kV交联聚乙烯电缆和配套的操作杆、合流线夹，见图6。其中合流线夹安装于横担正下方导线跳线处，与跳线间隔棒安装方式相同，用于与导线相连。融冰操作杆下端与连接地线的电缆头连接，便于操作人员上塔通过操作杆将地线与导线短接。