架空地线融冰自动接线装置的技术研究

王郑，叶鹏，冒新国 ，汪晶晶，李新春

（1.超高压输电公司贵阳局，贵州贵阳，550081；2.江东金具设备有限公司，江苏南通，226000）

0 引言

随着我国经济高速增长，能源问题成为当今社会关注的一大焦点，为了实现我国有限能源资源的高效利用，更大范围内优化配置电力资源，规划建设了大量高压、特高压电网，其安全稳定运行显得尤为重要[1]。在架空输电线路中，覆冰灾害是最典型的灾害之一，当线路覆冰严重时，会使线路弧垂变大，当线路发生风振舞动时，线路间较易发生闪络，严重时可使线路跳闸，从而影响线路正常运行，同时铁塔两侧的覆冰厚度差异较大,塔顶受到不平衡的张力会增大,当铁塔被覆盖时,不平衡的张力会增大。当塔不能承受这种载荷,最终会导致线杆掉落或杆塔坍塌。相对线可以将两个相线短接成回路,地线则需要电力供应人员暂时短接导地线,传统融冰方法需要人工登塔,安全隐患很大。

因此，研究一种安全可靠地线自动融冰接线装置是非常必要的。目前，国内仅有一种地线自动融冰接线装置，虽然可实现导地线连接，但其具有重量大、稳定性差、通用性差等缺点。积极研究架空地线融冰技术和其相应的小型化地线融冰装置，对我国电力系统控制和抵御冰雪灾害、提高输电线路的运行可靠性具有重要意义。

1 输电线路地线融冰现状概述

■1.1 融冰机理分析

为实现地线融冰，将覆冰区架空地线绝缘起来[2]，利用地线自动融冰接线小型化装置使导地线连接起来，使地线上电流通入地线，使其获得足够大的电流，产生的热量使地线温度在短时间内升高，从而使将地线表面覆冰融化。

输电线路覆冰是一种热量交换过程，其主要通过传导、对流和蒸发实现，大气中的水遇到低温，低于其凝固点，从而放热在线路覆冰，覆冰过程即环境温度低于水分凝固点，当有风速时，水分在地线表面运动，从而在地线表面形成覆冰。 varga 和 bejan 在1994年对覆冰柱体内部的融冰进行了研究,这一问题类似于现在线路的融冰问题[3]。根据他们研究，建立相应的融冰模型，如图1所示。

图1 融冰过程模型

根据模型,融冰过程大致可分为两阶段,第一个阶段是圆柱体被冰完全包围的融冰,第二个阶段是圆柱体被冰剪破后,使冰脱落在圆柱体上,当冰和圆柱体的接触角较小时,这个时候冰的重量将大大于与圆柱体表面的冰层接触,覆冰将从地面脱落出来。

■1.2 融冰电流计算

在进行覆冰传热分析中,对地线在通流情况的覆冰过程进行有效的分析,地线融冰主要通过传输电流或采用短接电流等输电方式,将电能转化成热能达到地线融冰的目的。由于地线融冰电流受地线长度和热稳定性等多种因素影响,即地线融冰电流不允许超过其最大允许负载电流,同时不允许低于其融冰过程的最小融冰电流,目前气象预报可信性越来越高,可预先得知易于发生地线覆冰的雨、雪天气,可提前计算融冰临界电流[4]。找出最大融冰电流和最小融冰电流，对做好地线融冰接线装置设计具有重要意义。

根据以上两种物理覆盖到冰率的模型，当地面和线路的表面周围有厚厚冰层时，地面天线就会包裹在一起，按照不同单条线路地面天线的使用情况进行分析,定义了单条线路的全部热量，在覆盖到冰层的过程中,地面天线和周围冰层的部分外力和辐射就会损失,热量就会降低。定义线路热量为Q1，覆冰过程中地线和冰层部分对外辐射和损耗热量为Q2。

图2 覆冰物理模型

式中Ir为地线通过的电流平均值，L为地线长度，r为地线半径，R0为单位线路直流电阻值，设地线温度为Tx，地线冰层表面温度为tT，融冰环境温度为Te，t为融冰时间，地线任意一点M与基准线角度为a，那么M点和地线间的交换热量为：

Q1a为M处交换热量，Ra为M处的热阻。此时M点和外界的交换热量公式为：

式中h为地线覆冰层表面与空气的热交换系数，l为M点到地线中点的长度距离。

地线覆冰时的Tx≤ 0 ℃，此时冰层无法吸收足够的热量融冰而使地线上的覆冰加厚，那么就有Q1＜Q2，由公式可得，增加Tx可使Q1增大，地线通过电流产生焦耳热使得地线温度升高，当Q1=Q2时进入临界状态，进一步加大融冰电流，随着Tx的增大Q1增大，覆冰层开始吸收热量向液态进行转化，同时环境温度Te的增加可使Q2降低，而Q1=Q2，进入临界状态，随着Te的进一步增加导致Q2减少，那么就可在冰与地线层间因热量交换过程中融化。

因此，当地线开始融冰后，Q1＞Q2。定义Q3为融冰过程中冰液化所吸收的热量以及地线与覆冰层的热增加值，则Q3=Q1−Q2，随着Q3的增加，覆冰层开始吸收热量，由内向外呈现液化趋势，会产生一个液体层，使覆冰附着力减小，地线开始进入脱冰过程，根据相关公式，融冰期间的融冰能力还与覆冰厚度，风速，与分布均匀度有关。

为了更好地说明，以JL/G1A− 3 00/15,线路来计算地线的最大电流和最小融冰电流，使覆冰全部融化所需要的热量，计算最大融冰电流值，忽略Q2，仅需计算Q3。将地线的截面等效为圆柱形，长度为设为L，半径设为r，地线密度为P地，体积为V地，地线的比热容为C地，设初始温度为−5oC，冰的密度为P地，比热容为C地，融化热为K。计算出地线覆冰体积为：

地线覆冰融化过程主要为覆冰温度升高到冰点阶段和液化阶段所需热量分别为Q4与Q5，地线温升为Q6。

从−5oC上升到0oC，温升为 ∆T= 5oC，所吸收的热量为：

从0οC冰融化为0οC的水，所需要的热量：

从−5οC冰融化为2οC的水，所需要的热量：

其中：

冰融化过程中吸收的热量为：

由能量守恒定律可得，地线发热量与融冰所吸收热量要基本相等，可得到:

查阅相关参数：设融冰线路长度为30Km，半径r= 0.0115m，单位长度质量ML=940kg/Km，地线比热容C地=400J/Kg°C，融化热K= 3.35× 1 05J/Kg,融冰试验t= 3 600s，

计算地线最大融冰电流为：

代入公式计算可得1350A。

保持地线温度大于冰点温度以上的临界电流称为最小融冰电流，通过地线产生的热量需要与地线消耗的热量相平衡，融冰过程中所吸收的热量为：

根据能量守恒定律，单位时间内地线发热量等于冰筒融化和地线吸收的热量：

得到：

代入公式计算可得471A。

由此可以得出，该线路通电电流大于471A，所产生的热量不会导致地线结冰，同时电流小于1350A时，所产生的热量不会损坏地线。

■1.3 最小融冰电流计算分析

架空输电线路的最小融冰电流与众多因素有关，如风速、环境温度、覆冰层厚度、融冰时间等。通过研究各种因素对最小融冰电流的影响，得出相关规律，以JL/G1A− 3 00/15地线为研究对象，计算几种外部因素与融冰电流的关系。具体详见图3-图5（覆冰厚度10mm,融冰时间1h）。

图3 最小融冰电流与环境温度关系

图4 最小融冰电流与覆冰厚度关系

图5 最小融冰电流与融冰时间关系

从图3可知，环境温度与地线温度差对最小融冰电流影响很大，经过计算可以得出，环境温度每下降2℃，则最小融冰电流增加15A-25A。

从图4可知，覆冰厚度与最小融冰电流关系很大，覆冰厚度每增加5mm,融冰电流需要增加10-20A，一般情况，覆冰厚度超过5mm就要启用融冰过程，否则覆冰厚度会很快增加，从而导致融冰电流增加，增加融冰难度。同时覆冰厚度增加，加大了线路弧垂，杆塔发生倒塌的风险大大增加。

从图5可知，融冰时间越长，最小融冰电流越小，随着融冰时间增加，其变化趋势较为平缓。

通过对几种典型的地线外部因素与融冰电流的关系，得出相关结论，为地线自动融冰接线小型化装置研究提供坚实的理论基础。

2 自动融冰接线装置小型化研究

■2.1 地线自动融冰接线方式现状

国内外已成功运行的直流融冰装置工程中，诸多成熟的直流融冰技术和直流融冰装置设备应用于电网，这为文章论及的技术研究的可行性奠定了良好的理论和实践基础[5]，在地线融冰过程中，对于导地线连接装置是一个值得研究的问题，目前，大部分场合需要快速融冰，从而恢复供电，这就需要融冰工作快捷、操作简单，并可自动完成，研究这样的连接方式具有重要的意义。

目前，地线融冰自动接线方案能实现自动化接线，避免了运维人员登塔，但现有的自动融冰接线装置，虽然实现了自动接线，但其实现需要定制化设计，不同电压等级关键参数不同，需要专门的设计。同时，现有装置存在稳定性差，在低温冰冻条件不易打开等缺点，且装置体积较大，不利于登塔安装。

■2.2 自动融冰小型化接线方案

本次设计开发的小型化融冰接线装置，采用涡轮蜗杆大减速器、伸缩导电杆、自锁式合流装置，绝缘部分采用整体绝缘方式，与原先的自动融冰接线装置相比，不需要安装多个绝缘子方式绝缘，从而大大减少了装置体积与重量，同时伸缩杆可实现1-6m范围伸缩，可适应不同高度杆塔自动融冰接线装置。如图6(a)所示，小型化融冰装置处于开合状态，合流线夹位于杆塔横担下方，融冰时，操作相应的电气电路控制系统，启动传动机构带动导电杆打向跳线串合流线夹，合流到达相应位置后，碰触相应的电气开关，传动机构将自动停止，导、地线之间实现电气连接，从而使地线带电，进而开始融冰，如图6(b)所示。

(1)合流取电器

合流取电器主要由合流线夹和取电器构成。合流线夹的作用是将分裂架空地线上的电流汇集并通过导电杆最终传输至架空地线。取电器与导线相连，将导线上的电流汇入合流线夹，进而通过融冰装置导入地线，合流线夹是整个装置的关键通电零部件，其自身的冰雪防护也是非常重要的。因此，合流线夹设计有专门的冰雪保护罩。具体设计如图7所示。

图6

图7

(2)金具串

金具串的作用是悬挂合流取电器，同时满足线路绝缘要求，避免杆塔带电，同时使合流线夹与小型化融冰装置传动机构的位置固定，以便合流取电装置长度固定，增强装置的通用性。

(3)传动机构

传动控制机构的工作功能主要是通过传动控制系统对直流传动电机的快速反转进行带动并对导电器元件进行自动开合,实现传动设备的快速合闸和自动开闸。

传动机构是装置实现开合闸的核心部分，传动装置的稳定性及效率直接决定了整个装置的稳定性及效率，本次的传动机构支撑板件均采用高强度的铝合金7075T651制作，在降低重量的同时提高了强度，同时优化配置结构，采用大减速比传动，减速比为3000:1，可有效降低装置重量，同时提高装置的扭矩，同时减少了传动环节，使传动更加平稳。

由于架空地线融冰装置在均在户外工作，工作环境为雨雪天气，无交流220V或380V电源供装置使用，本次融冰装置电源采用可携带式的直流蓄电池作为自动融冰装置转动合闸的工作电源，为直流电机提供电能。直流电机经旋转机构输出足够的扭矩带动合流线夹实现合闸，使导线和地线导通。

(4) 控制系统

控制系统通过控制电机进一步控制传动机构、锁紧机构，本小型化装置采用继电器加各种传感器控制，可调整合闸速度，装置到达相应位置会触碰相应的行程开关，自动断电，即便电气控制系统失效，由于涡轮蜗杆减速器具有自锁功能，各部件也会停留在原位。

本次控制采用的是按钮加遥控方式控制，控制箱和遥控均采用移动式连接，当使用的时候，将控制箱通电即可，同时也可通过遥控控制方式对装置进行控制，使操作更加快捷有效。

(5)装置防护

由于整个装置工作环境为雨雪天气，传动部件和合流线夹的覆冰会导致整个装置功能失效，因此装置防护作用举足轻重，本装置对各部分有专门的雨雪防护。

(6)联塔设计

地线自动融冰装置通过高强度铝板与铁塔固定，根据塔型设计，有效的避开铁塔角钢和横担结构，方便装置与铁塔的安装。

(7)伸缩导电杆

地线融冰自动接线装置的通流主要是通过伸缩导电杆和合流装置之间的接触来实现的。由于导电杆具有一定的长度，因此导电杆应考虑其强度是否满足使用要求。这里，我们选择7075高强度铝合金管和铝合金板作为导电杆的主材，同时在各节杆之间采用弹簧触指进行硬密封，同时，导电杆使用气动方式进行收缩，经试验，设计的导电杆不仅可以满足600A的通流要求，其强度也能满足使用要求。

伸缩导电杆与旋转机构相连接,可快速实现小型化融冰装置的开合闸,其主要功能是将合流取电器的电流引至架空地线，从而使地线上覆冰融化。

■2.3 防护装置

本次设计的防护装置包括合流导电器的保护、及伸缩导电杆锁紧机构，以及其余重要部位雨雪防护设计。

(1)锁紧机构

伸缩导电杆锁紧机构其主要防止伸缩导电杆脱落，在装置不使用的情况下将导电杆锁紧，并承受导电杆大部分重力，防止导电杆掉落，同时解决线路感应电压问题，其由两部分组成，电动伸缩推杆和伸缩导电杆上的锁环，其中锁环安装在伸缩导电杆上。

(2)防护罩

为防止冰雪覆盖对合流线夹端部触头进行冰雪覆盖，从而影响合流线夹的正常工作，为此，设计了合流线夹防护罩。

■2.4 电路控制装置

本次自动融冰装置包括直流电源、按钮、电源线、信号线、接触器等零部件，电气控制装置用来控制自动融冰装置正反转，以及导电杆伸缩，合闸，同时控制锁紧机构开锁、闭锁，自动融冰接线装置所有控制均集成在电气控制箱内。

(1) 电气控制箱

本次采用的电气控制箱重量轻、体积小便于携带。工作模式按运行方式可分为正常、应急、人工三种模式。本次设计的电气控制箱，通过按钮和遥控控制，融冰时，根据需要，只在按下电气控制箱的按钮，即可使导、地线间连接，无需施工人员登塔接线，避免了相应的安全事故，同时，导地线连接只需30s，可使导线电流快速导入地线，有效把握了地线融冰的最佳时间，大大缩短输电线路停电时间。

(2)锁线柜

在夏季及不结冰季节期间，需要对的电源线、信号线、气管进行防护，为此设计了相应的锁线柜，锁线柜安装于距地面5米的横担上。当完成地线融冰时，将电源线及其他线放于锁线柜中，有效防止雨雪对线路的损坏，同时可起到防盗作用。

3 地线融冰接线装置试验

自动融冰接线小型化装置的通流能力及装置稳定性是考察装置融冰性能的重要指标，为此进行了如下几个试验：

■3.1 导流效果验证试验—电阻温升及热循环试验

为检验自动融冰装置的导电能力，对伸缩导电杆进行了电阻温升及相应的热循环试验。测试装置在600A，800A，900A三种不同电流情况下，各零部件的发热情况，通流时长为不小于4h,试验情况均满足线路融冰要求。

■3.2 合闸功能试验

由于本次自动融冰接线装置合闸均在低温户外进行，受热胀冷缩、风力等众多恶劣环境影响，合流取电器的位置受环境的影响较大。因此合流线夹防偏设计是非常必要的，根据相关的偏置数据，取电器的位移偏差一般为不超过70mm,通过相应的试验测试，当伸缩导电杆与合流取电器之间的相对位置向两侧偏移150mm时，自动融冰装置仍然能够合闸，满足现场融冰要求。

4 自动融冰小型化接线国内同类技术对比分析

目前，国内关于地线融冰装置资料较少。近年有单位研发出地线融冰的装置。2011年12月，国内首套导地线直流融冰装置在昭通市220kV大镇线实施实际带地线升流、带地线升流获得成功。2012年4月，湖南电科院首次研制了满足5～25km农配网长线路、满足5km 及以下农配网短线路融冰和满足400m 以内超短线路融冰需求的系列融冰装置，并实施了多次现场直流融冰；但其所研制的地线融冰装置需在融冰前上塔在地线上缠漆包线。综上可见，尽管近几年国内已相继研制出了不同型式的地线融冰装置，但是地线融冰自动接线装置仍未见报道。本项目研制的地线融冰自动接线装置具有性能安全可靠、自动化程度高、操作简便等优点，施工人员直接于塔底操作电气控制箱，即可轻松实现导、地线之间的连接，可消除施工人员上塔操作的危险性；另外，装置整个操作过程仅需3分钟，可大大缩短线路停运的时间，节约电力建设成本。

2013年，国内某厂家研究出了地线融冰装置，施工人员直接于塔底操作电气控制箱，虽然可实现导、地线之间的自动连接，一定程度上消除施工人员上塔操作的危险性，但其体积大，重量大，导电杆得根据跳线串高度定做，需要对铁塔横梁进行改造，通用性差、安装不便。

本项目研制的地线融冰自动接线小型化装置具有性能安全可靠、自动化程度高、体积小操作简便、通用性强等优点，施工人员直接于地面按下电气控制箱上的按钮，即可轻松实现导、地线之间的快速连接，可消除施工人员上塔操作的危险性；另外，装置整个操作过程仅需30s，可大大缩短线路停运的时间，节约电力建设成本，表1为对比分析报告。

表1 国内同类技术对比分析

5 装置试运行情况

2020年试验成功初至今，已有多套自动融冰接线小型化装置在电网系统多条输电线路工程中安装，顺利实现地线快速融冰，大大缩短了线路融冰时间，大大减少了冰灾对电网输电线路造成的危害。

6 结论

本次设计的地线融冰小型化装置,操作人员于只需在地面操作电气控制箱按钮,通过装置即可轻松实现架空输电线路导地线的连接、可实现自动接线，时间仅需要30S左右,可在冰层刚形成时有效把握融冰的最佳时机,大大缩短了输电线路停运时间,避免长时间停电给电网带来巨大损失。装置中的全部部位均有雨雪、冰冻防护罩,保证了在覆冰状态下的安全应用。地线融冰装置可稳定运行。通过现场运行效果来看,地线融冰自动接线小型化装置导流能力强、操作安全性高,应急预案有效。