探究输电线路覆冰影响及除冰技术

2022-11-25江苏中孚电力工程设计有限公司

电力设备管理 2022年3期

江苏中孚电力工程设计有限公司朱宁

近些年中，全球气候升温，部分区域自然环境条件出现明显改变，在极端天气的作用下，自然灾害的发生率相应增加。架空输电线路覆冰引起的灾害始终是威胁我国电力系统安全的主要因素之一[1]。

伴随特高压远距离输电线路的持续建设及“西电东送”战略的完善，架空输电线路的分布范畴有不断拓展趋势，很多输电走廊穿行的区域地形复杂、气候恶劣，寒冬及早春时节容易遭受冰雪灾害的影响，导线上覆冰，以致线路的机械载荷显著增加,很可能并发线路舞动、绝缘子冰闪等情况，最后发展成大面积跳闸停电事故，使国家及人们均承受较大的经济损失。故而在输电线路建设及发展阶段，应积极研究有效的除冰技术。

1 覆冰的形成过程

在多数工况下，输电线路表层形成覆冰现象的物理过程可做出如下阐述：在严冬或早春时，如果环境温度降到-5～0℃、风速3～15m/s时，如果出现雾或毛毛雨将会在架空线路表层凝结成雨淞，如果后期温度快速升高、雨淞变化初步融化，如果气候条件持续改善、转变成晴天，那么早期形成的覆冰便会不断且消除；若天气骤然变冷，空气温度急剧下降，雨雪天气不断，越来越多的飘雪和冻雨会陆续吸附在刚形成地雨淞表层上并迅速增长，出现较厚冰层，如果环境气温持续降到-15～-18℃，那么原来的冰层上变化形成雾淞且持续聚集[2]。以上过程中，输电线表层上雨淞一雾淞的形成量会不断增加，如果天气变幻无常，冰融化时将会使自身的密度持续增加。以上这种反复变化的气候条件会引起雨淞与雾淞交替重叠生成并累积，最后产生混合淞。

通常情况下，输电导线上的覆冰现象通常是均匀的，外形并不是理想的圆形，椭圆形、D形及松针状等是常见的形状。输电线路的迎风面是最早出现覆冰现象的位置，如果风向没有出现明显改变，会造成迎风面上的覆冰厚度持续增加，当面层的冰层厚度达到某一值，其质量符合输电线发生扭转的基本条件时，电线上的主要覆冰面层将会出现显著改变，在该面层上覆冰量持续增加，最后会在导线面上出现类似于圆形或椭圆形的覆冰，多数情况下，输电线的直径较小时其表层形成的的覆冰近似呈圆形状，架空导线直径较大时表面覆冰外形基本呈椭圆形；如果输电线路没有出现扭转现象，那么其表层上的覆冰外形将会近乎D形[3]。

2 线路覆冰灾害的影响分析

2.1 机械特性

在极端的雨雪冰冻条件下，在覆冰问题的作用下，架空线路的阻尼特性会出现一定改变。客观上讲，导线覆冰厚度的提高是一个渐进式过程，周围环境温度计低温条件持续时间是影响覆冰厚度值的主要因素，早期线路覆冰以后其横截面表现为不规则或近视椭圆形，在一定温度作用下风速，很容易引起一种极为特殊的低频高幅舞动现象。

既往有资料记载[4]，该种舞动现象的最大振幅能够达到十多米，不规则覆冰引发的长时间舞动容易引起金具局部磨损、杆塔剧烈晃动等情况。如果实测覆冰厚度抵达线路设计荷载极限，且超出导线的抗冰厚度时，缩颈、断裂等不良现象的发生率会显著增加，并且在覆冰过荷载作用下引起塔基自身沉降、塔架折断导致倒塌。在杆塔断线的冲击荷载作用下形成较大的破坏力，这是造成杆塔发生串倒事故的主要原因。不匀称覆冰、脱冰不同期或档距形成较大差别的线路覆冰很容易引起张力差，张力差的作用是引起程度不一机械事故的主因，当以上这种不均衡的过大时会造成悬挂绝缘子偏移量不断增加，引起翻转、杆塔剧烈碰撞等事故，以致绝缘子炸裂损毁。

2.2 电气特性

站在某种角度上，可将导线覆冰问题视为一种形式特别的污秽，架空输电导线长期裸露在自然空气内，绝缘子被覆冰或伞形冰凌桥接的风险明显增加，这是引起其绝缘强度下滑的主要原因之一，泄漏距离相应短缩，此时覆冰闪络问题的发生率相应增加。在外界高电压的作用下，闪络通道上容易发生连续放电现象，由其引发的不良现象不仅是线路频繁闪络跳闸，形成的电弧也会烧损绝缘子，情节严重时造成绝缘子炸裂失效。当覆冰自身抵达重量与体积以后，由于线路过荷载造成弧垂增加，地线垂直降至导线中部，在一定风力作用下容易发生相间短路、局部线路烧伤或烧毁等事故，轻微的覆冰舞动也可能造成线路频繁发生闪络跳闸情况。

3 输电线路融除冰技术

当下架空输电线路的除冰技术方法有30多种处于实验、研究及推广阶段，归纳起来大体可分成如下几种类型[5]：

3.1 热力融冰法

这种除冰方法主要是采用附加热源或导线自体发热，造成导线上不能聚集冰雪，或者诱导前期积聚的冰雪逐渐融化。

可采用增加输电导线内通过的电流，应用焦耳热效应去加热导线，比如带负荷融冰方法已在宝鸡电业局内应用，湖南电网、固原供电局曾大范围应用短路电流融冰法，均取得了十分理想的除冰效果。也可利用电阻丝伴随式加热在交流电感应作用下铁丝线圈出边际电流实现间接式加热。在具体实践中，当输电导线上没有出现覆冰问题时，可通过及时精准的当天气预报与应用运行高效的覆冰监测系统，掌握适宜时机去开启热力融冰装备去抑制线路结冰过程，以上同样也是一种有效的抗冰手段，但采用以上这种办法时候对天气预报信息的精准度及覆冰监测系统的灵敏度均提出较高要求。

3.2 直流短路融冰

这种方法应用时，将由电网内断离覆冰的线路。以两相电路为实例进行分析，短接线路内的一个侧端，把另一端接进融冰电源形成通路，等同于把覆冰导线作为作用电负载，能否选择适宜的电源直接关系着以上这种方法的应用效果。在和500kV覆冰线路直流融冰法相关的研究中，测算得出该电路系统需要提供的功率是200MW，故而可判断出其在实践中具有一定可行性，而在实际中提供以上这种大电源容量并不是一件简单的事。对于一些220kV线路，除冰时可尝试应用直流短路融冰技术方法，这种方法不会对整个电力系统的运行状态形成较大影响，既往大量实验表明其融冰、除冰效果较好。

3.3 交流短路融冰法

这种除冰方法和直流短路法之间有很多相似点。对于一些电压等级为220kV并且融冰距离相对较短的架空导线，利用交流短路方法进行除冰能取得较好效果。交流短路融冰法和直流短路融冰法在应用阶段，均会同时遭受导线电压级别及电源选择情况的限制[5]。在实践中，可选择220～500kV交流电作为融冰电源，其所生成的短路电流能够较好地满足最小融冰电流，但以上过程中分需要电力系统外供1000～2000MVar无功功率，否则这种导线除冰方案将会很难实施。另外，不管是采用直流还是交流短路融冰技术，均要由电网内断离需要进行融冰处理的目标对象，干扰了正常的供电活动，并且如果遭遇连续低温、雨雪天气时很可能再次发生覆冰问题。

3.4 机械除冰法

当架空线路发生覆冰灾害后，如果相关部门在较短时间内不能编制有效的融冰除冰方案，则通常会尝试应用机械除冰方法。机械除冰法主要是利用机械外力、人工手动或者自动强制等形式去使输电线路上的覆冰掉落，“ad hoe”、强力振动及滑轮铲刮等均是常用的方法。可把“ad hoe”法分成多种形式，如果导线覆冰容易脱落，可应用起重机、绝缘工具车或直接带电作业法实现手工除冰；如果覆冰很难脱落，则可应用直升飞机或猎枪等进行处理。以上方法需要指派线路操作者在现场内进行处理，可采用多种方法，过程安全性不足，很难取得十分理想的效果。

强力振动法是利用电磁力或电脉冲使输电线路在控制范畴中形成剧烈振动，进而诱导覆冰掉落。这种方法在处理雾凇时能取得良好效果，但处理雨凇的效果欠佳；滑轮铲刮法应用时，要指派地面操作人员牵拉一个可在线路上运行的滑轮去铲除输电线路上的覆冰。这是当下可执行度较高的输电导线机械式除冰技术方法。滑轮铲刮方法有反应灵敏、行动高、能耗低、成本偏低等诸多优势，但这种方法应用阶段会耗用较多的时间成本，对1km长输电线路进行滚压除冰处理时大概历时l～2h，并且环境、地理条件等客观环境条件会对其形成较大限制[6]。

3.5 自然脱冰法

自然脱冰，即将足雪环、平衡锤等装置安装在架空导线上，当线路上的覆冰聚集到一定程度时，在风力、气温改变、地球引力等作用下能够使冰雪自行掉落。和以上导线除冰方法相比较，自然脱冰法有操作简单、经济性较高等优势，但这种方法脱冰时容易出现不均匀或不同期脱冰等情况，增加了导线跳跃等事故的发生率。

3.6 超声波除冰法

近些年中，国内有关领域的学者做出把超声波技术用于风力发电机桨叶、飞机机翼的除冰领域中，并对其进行较深刻的理论专研与试验分析，从中取得了较理想的成绩。分析输电线路除冰科技，发现超声波能量的激励位移不会导致输电线路出现较大的振动幅度，有助于提升除冰操作过程的安全性、稳定性[7]。

超声波属于一种声波形式，是指频率超出20000Hz的机械振动波，其有传播方向性好、能量高、穿透力强及能引发空化作用等特征，有十分广阔的应用空间。超声波除冰技术，主要是应用超声波自身的机械、空化及热效应去进行除冰操作。机械效应即超声波在介质内传播会生成应力，对导线覆冰起到破碎、剥离作用，进而取得清冰效果；超声波的机械振动将会诱导冰介质粒子出现高频振动，当振动超出某一限值时，其作用的冰物质将会自动出现疲劳断裂。

空化效应最显著的表现是超声波作用在固液混合物上时能持续生成空穴现象，空化阶段生成的气泡自身会持续出现非线性振动、生长、收缩与崩溃，在这样的情境下生成的巨大压力会破坏冰介质，起到除冰的作用；热效应，即随着超声波的高频振动与空化过程对外释放大量热，冰介质能持续将其吸收，自身温度相应增高，进而对冰融化过程起到一定促进作用。

在实际工作中，架空输电线路的除冰工作要求短时内实现高效，疲劳失效断裂的历时相对较长，无法满足输电线路除冰工作的现实要求，但其也能较明显的优化线路除冰工作成效。另外，在超声波空化阶段，液体内的气泡出现振动以后的破溃率并不能达到100%。只有在符合其共振频率超出超声波频率的条件、或气泡共振半径大于其原始半径的条件时，空化气泡方会破溃。如果不能满足以上这几个基本条件时，将会引起液体内的空化气泡出现非线性复杂运动，但不会在后期发生崩溃再生情况。

可采用下式计算气泡谐振频率[8]：fr=1/2πR0式中，R0代表的是空化气泡的原始半径；γ是绝热系数，P0是介质内的静压强；σ是介质的表面张力；ρ是介质密度。