架空线路覆冰研究现状综述

李红坤 陈芳芳 高 鑫



架空线路覆冰研究现状综述

李红坤 陈芳芳 高 鑫

（云南民族大学电气信息工程学院，昆明 650000）

本文首先介绍了我国架空线路覆冰的现状，线路覆冰造成的危害，线路覆冰类型，形成原因、条件和不同类型的覆冰对电网所造成的影响。然后介绍了目前国内外对架空线路覆冰的研究现状，其中研究方法包括在线监测法、称重法、导线倾角法等，并简单介绍了机械除冰法、短路与热力除冰法及它们的适用条件。

架空线路；覆冰；在线监测；除冰

“西电东送”是我国电力发展“十三五”规划的重要规划之一。在“西电东送”过程中，架空线路要经过复杂的地理、气象环境。而随着超高压、特高压电路的快速建设，对电网应对自然灾害的能力提出了更高的要求。

从全球范围来看，最早记录架空线路覆冰事故是在1932年；对于我国来说，最早记录架空线路覆冰事故是在1954年。关于架空线路覆冰的问题，人们感受最深的一次恐怕就是2008年初的雨雪冰冻灾害。此次自然灾害是我国有气象记录以来最为严重的一次雨雪冰冻灾害，使得云南、贵州、湖南、浙江等省的输电线路长时间大面积的瘫痪，给国民经济和人民生活带来了巨大的损失和不便。随着全球环境的不断恶化，极端气象天气也不断增多，架空线路覆冰问题会更加频繁。对于架空线路覆冰问题的研究，主要存在于以下方面：①对不同地段、不同线路，覆冰成因的不同和对电网的不同影响的研究；②对于架空线路覆冰监测的研究；③覆冰线路除冰方法的研究。只有正确认识架空线路覆冰的成因，做好监控，用恰当的方式及时除冰，才能减小对生产、生活的影响。

1 架空线路覆冰的成因与对电网的影响

1.1 架空线路覆冰的成因

架空导线覆冰的形成原因是由多种条件决定的，主要有气象条件、地理条件、海拔高度、导线悬挂高度、导线直径、风向和风速、电场强度等[1]。气象条件对架空线路覆冰的影响主要是由线路经过地的环境温度、空气湿度以及风向风速等因素综合造成的。

架空线路覆冰问题并非偶然事件，在我国很多地方每年冬天都会发生架空线路覆冰问题。但是不同地区、地形上架空线路覆冰的类型不太相同，具体来说可分为雨凇、雾凇、混合凇、湿雪4种。“雨凇”从黑龙江到广东、从新疆到山东都有不同程度发生，而中纬度地区尤为突出。“雾凇”主要发生在高山湿润地区的冬季，例如吉林省长白山天池气象站一带，年平均雾凇出现天数为179天，从10月份到第二年的3月份，每月都有20天以上雾凇现象。“混合凇”是雨凇和雾凇交替成冰形成的，当温度到冰点以下，风速较大地区易于形成。“湿雪”多出现于平原地区或低地无风地区。

1.2 覆冰对电网的影响

架空线路覆冰对电网的影响主要有过负载、绝缘子冰闪、覆冰的导线舞动、脱冰闪络等。过载会导致架空线路出现机械和电气方面的故障，即会出现倒塔、金具的损坏和由弧垂增大而导致的闪络烧线等。当绝缘子上覆冰时，可以看作绝缘子上出现了污秽而改变了绝缘子上的电场分布，特别是冰中往往会含有污秽，这就更易造成闪冰[2-3]。在风力的作用下，架空线路上的覆冰是不对称的，这就造成线路极易发生舞动，且舞动幅度较大、持续时间长。对线路轻则引起相间闪络、线路跳闸，重则引起断线或倒塔。

2 架空线路覆冰的监测

在架空线路覆冰时，如果能实时监测到架空线路覆冰状况，就能为以后除冰方式的选择、除冰效果的判断带来极大的方便。因此，对架空线路覆冰的监测是解决线路覆冰问题的重要环节。目前国内外对于架空线路覆冰的监控方法主要有：在线监测法、图像检测法、气象要素监测法、称重法、导线倾角法等。

2.1 在线监测法

在国外，在线监测很早就用在线路覆冰的实时监控中。早在20世纪70年代，在加拿大魁北克省无人区的一条输电线路中就使用了自动记录线路覆冰的无源测冰仪。这套仪器连续记录了四十多年该架空线路在冬季的覆冰数据。在线监测发展到今天，很多国家都安装了成套的实时在线监测系统。我国在线监测的研究也在不断发展。西安交通大学等单位通过建立导线覆冰厚度与导线弧垂的力学模型，并由后台软件按其模型计算出实时的覆冰厚度；后来华南理工大学改进了力学模型。西安理工大学在晋东到荆门1000kV特高压交流架空线路中第一次实现了在线监测。

从用途出发，可将在线监测法分为在线理论模型分析、在线覆冰监测和在线融冰控制3类。其分别解决了验证气象学模型、监测现场覆冰和舞动，及时给出除冰信息和对整个融冰过程自动控制和监测，并分析除冰效果等问题。

2.2 称重法

称重法的基本原理为：由于导线覆冰的原因，会导致杆塔发生一定量的倾斜，通过测量杆塔倾斜的大小和收集相应的气象数据，模拟导线覆冰后重量增加的情况，反推线路覆冰的厚度，从而根据相关公式计算出覆冰的状况。对于一段架空线，通过对无覆冰和覆冰两种状态的对比，得到覆冰状态下导线的应力，再利用状态方程计算水平应力、导线长度、垂直荷载的变化求解架空线路覆冰的等效厚度。该方法简单易行、可靠性高，但受环境影响较大，从长期来看不利稳定运行。架空线路的水平应力方程为[4-5]

式中，0为导线的初设计温度；ice为覆冰温度；0为导线固有的水平应力；为导线的温度膨胀系数；为导线的弹性系数。

2.3 导线倾角法

导线倾角法就是根据传感器测量出来的线路参数，如覆冰状态下导线的倾角和弧垂等，再结合实时的气象数据，利用状态方程来计算出导线覆冰的厚度。此方法在简化不规则计算方面有其便利之处，但是当导线覆冰不均匀时，计算的结果与实际情况有较大的出入。输电线路的状态方程和此状态下覆冰厚度方程分别为[6-7]

3 覆冰线路的除冰方法

目前输电线路除冰的方法有几十种，常用的除冰方法有机械除冰法、热力除冰法、混合除冰法等。

3.1 机械除冰

机械除冰是一种简单的除冰方式，即一般直接使用人工除冰、滚筒除冰、机器人除冰、冲击波机械法等。使用机械方法来破碎相同大小的冰块所需能量远低于热力法，约为热力方法所需能量的1/200，但在实际应用中，机械除冰方式的能量效率范围为3%～4%。机械除冰的方式虽然简单，但除冰效率较低，使用受环境地形影响较大，不利于大面积推广使用。

3.2 短路与热力除冰法

目前最有效的除冰方式有短路和热力除冰法。短路是利用导线产生的电磁力，使导线相互撞击从而达到除冰的效果；热力除冰法是利用的原理为焦耳效应，其主要包括交流或直流融冰法、方式融冰法等。

1）短路融冰法。指由一端供电而另一端短路，使线路一侧中的短路电流增大，短路电流的增大会使导线产生电磁力，在电磁力的作用下导线会相互撞击，从而使导线覆冰脱落，达到除冰的目的。面对架空线路覆冰问题，国内外都在短路除冰方面积累了一定的经验。当选择这种除冰方式时，会增加相应的辅助设备，如为实现短路而在短路侧加装开关设备等。

2）交流融冰法。不管是交流电还是直流电，当有电流流过导线时，导线都会发热。对于现在的电网来讲，大部分采用的是交流输电，这就可以直接利用自己电网的交流电来进行融冰，从而达到降低费用的目的。当面对长距离输电时，为了满足融冰功率的要求，要提供能够满足要求的融冰电压，从而获得满足要求的电流[8]。

3）方式融冰法。这种方法不需要加入其他的附加设备，仅仅是通过改变电网的结构来实现的。但一般而言，正常运行的输电线路所产生的负荷电流相对于能达到融冰的电流还较小，产生的热量不足以防止线路结冰或者除冰。所以要想用这种方式融冰，就必须改变线路的正常运行方式，从而满足负荷电流所产生的热量能达到融冰的要求。这种方法一般用在单分裂导线中，考虑到融冰电流较大和对电网稳定性，对于多分裂导线而言，一般不用此 方法。

4 结论

从以上的论述不难发现，目前，不管是在架空线路覆冰机理的分析方面，还是对架空线路覆冰的监测方面，或者是对架空线路除冰方式的选择方面都存在一定的问题。对于架空线路覆冰问题依旧没有很好的解决方法。未来除了在设计之初对线路做合理规划，对现有方法做细致分析和研究外，伴随着大数据和人工智能的快速发展，在对架空线路覆冰问题上，可以使之与之相结合，使得不管是在覆冰形成机理分析方面，还是在监控模型分析优化方面，或者是在除冰方式的选择等问题上，都能得到很好的优化或解决。

[1] 蒋兴良, 易辉. 输电线路覆冰及防护[M]. 北京: 中国电力出版社, 2002: 26-56.

[2] 全明睿. 防污闪复合材料(PRTV)在±800kV特高压直流输电线路中的应用[J]. 电气技术, 2016, 17(7): 129-131.

[3] 许俊, 郭耀杰, 曹珂, 等. 考虑多档导线及绝缘子串影响的覆冰及脱冰输电导线找形分析[J]. 电工技术学报, 2015, 30(13): 87-91.

[4] 陈金熠, 范春菊, 胡天强. 考虑架空线路状态的线路覆冰监测系统的研究[J]. 电力系统保护与控制, 2012, 40(15): 93-98.

[5] 段杰, 王秀丽, 侯雨伸. 基于模糊专家系统的输电线路分段冰风荷载等效停运率模型[J]. 电工技术学报, 2016, 31(8): 220-228.

[6] 周恩泽. 高压架空输电线路覆冰在线监测方法的研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2015.

[7] 李银华, 韩郡业, 王婷. 架空电力线覆冰监测系统[J]. 电力自动化设备, 2009, 29(11): 112-115.

[8] 李川江, 王徭, 焦明曦, 等. 基于网损最小与供电能力最大目标的长春地区66kV联络线功率调整方法[J]. 电气技术, 2015, 16(10): 45-49, 99.

An Overview of the Research Situation on the Covering Ice of Overhead Lines

Li Hongkun Chen Fangfang Gao Xin

(School of Electrical and Information Technology, Yunnan Minzu University, Kunming 650000)

We first gave an introduction in this paper to the present situation of covering ice of overhead lines in china, the harms caused by covering ice on the line and types of covering ice of overhead lines in China, reasons and conditions of the formation of covering ice, as well as the influence of different types of covering ice on power grid. Then, we introduced the current research situation of covering ice of overhead lines both at home and abroad, among which the research methods include online inspecting, weighing and dip-angle of wire. What’s more, some methods of mechanical deicing, short circuit and thermal deicing and the respective conditions of using them were also mentioned in this paper.

overhead lines; covering ice; online inspection; deicing