变电设备带电除冰技术及应用

国网河南省电力公司超高压公司 高晓丽 丁子郡 王 允 张竑基

引言

冰冻雨雪天气会造成电力设备结冰，给电网带来巨大的灾害。在2008年特大冰雪灾害中，很多变电站中的设备被完全冻结，严重影响到电力设备的正常输电。由于雨雪天气导致的灾害还有母线支柱瓷瓶、刀闸支柱瓷瓶因结冰出现闪络、甚至出现爆裂。变电构架如果长时间被冰雪覆盖还会导致杆塔变形，严重的会导致杆塔倒塌，这就会引起变电站停运，引起周围大面积的停电。所以，研究变电设备带电除冰技术就非常重要，这样不仅能够让变电站能够正常的进行运行，而且能够保证正常的输电。

传统的变电设备除冰主要是通过敲打除冰或是人工进行清扫除冰，这种方法工作人员劳动强度大，效果也不是非常明显，还会对支柱绝缘子等设备造成损害。因此，加强热力除冰方法在变电设备带电除冰过程中具有非常重要的意义，而且具有很强的经济和社会效益。

1 变电站开展除冰的意义及必要性分析

1.1 变电站开展除冰的意义

从理论上来讲，加强变电站带电除冰的研究其理论意义主要体现在以下方面：

第一，丰富变电设备带电除冰的理论研究。从某种程度来讲，变电设备除冰的理论研究一直还是比较薄弱，变电设备带电除冰方面的研究就更加薄弱，加强变电设备带电除冰的理论研究能够进一步丰富变电设备除冰方面的理论研究。

第二，为变电设备实际除冰提供理论依据。加强变电设备带电除冰理论方面的研究，其目的就是更好的为实践变电设备带电除冰提供理论依据，提高除冰效果[1]。

从实践方面来讲，变电设备带电除冰具有非常重要的实践意义，其可以减少冰冻雨雪天气带来的危害。传统的变电设备除冰必须要断电才能够进行，而且需要人工作业才能够完成，这就影响到人民的正常生活。在2008的冰冻雨雪天气，我国大部分的变电设备几乎都结冰，严重影响到变电设备的正常运行。湖南、贵州受灾特别严重，造成很多市县出现了大面积的停电。

由此可以看出，冰冻雨雪天气对电网运行的损害非常大，使人民群众和电力系统遭受巨大损失。因此，在冰冻雨雪天气中既要保障电网的正常运行，同时对变电设备中的冰雪进行清除就非常重要了。加强冰冻雨雪天气中变电设备带电除冰技术研究，这样即使在冰冻雨雪天气中也不会出现变电站停运行，不会出现停电的情况。所以，加强变电设备带电除冰技术研究工作，在实际的社会生活中具有非常重要的意义。

1.2 变电站开展除冰的必要性分析

在冰冻雨雪天气下，覆冰对变电站设备的影响包括：由于站内设备表面覆冰，可能导致绝缘闪络引起设备损坏；站内开关设备可能冻结而无法动作，影响站内操作，延误电网的恢复、重建速度，在紧急情况下还可能引发事故，如果采用电动强行合、分闸，又容易引起机构和设备损坏；如果变电站还担负着为线路交流大电流融冰进行倒闸操作的任务，则由于融冰刀闸可能被冰冻无法动作，耽误融冰的时机。

对于新建变电站，站内绝缘设备覆冰闪络可通过提高绝缘配置予以解决，构架及附属设施损坏也可通过提高抗冰标准予以防治。对于已投运变电站，一方面可通过设备改造提高抗冰害的标准，一方面还要加强对开关设备的除冰（融冰），保证开关设备动作正常。

2 变电站除冰方法

2.1 电加热器除冰法

电加热器除冰方法主要是通过加热器加热来实现除冰目的，通过在变电设备的关键部位或重要设备的附件安装电热源加热来防止设备出现结冰的现象。但是电加热器除冰方法需要消耗大量的能量，而且要在现有设备的基础上进行改造，在具体实际的应用过程中实用性不强[2]。

其主要工作原理为，电阻加热器和变电设备绝缘子上面的覆冰的换热为辐射换热，只要加热器的位置确定之后，电阻加热器的热量会稳定的传送到绝缘子所在的位置，这样冰层在辐射热量的作用下就会逐渐融化，从而达到除冰的目的。但是值得注意的是，电加热器的除冰方法也会受到不同因素的制约。

一般来讲，加热器距离绝缘子有一定的距离，这就会导致加热器辐射换热的效率较低，而且还会有部分冰雪没有融化，导致除冰的时间比较长，而且能量消耗比较大，除冰成本高。电加热器除冰消耗的能量和加热器功率的大小没有必然的联系，但是和加热器与绝缘子之间的位置有关系。

2.2 热风除冰法

热风除冰方法主要分为高压低温热风除冰方法和低压高温热风除冰方法。低压高温热风除冰方法主要是对降落到设备上面的水滴进行蒸发，这样就能够防止滴落的水滴结冰。高压低温热风方法主要是把一定温度的气流喷射到变电设备的外围或者附近，冲击力和热空气的气流就能够防止变电设备的周围水滴进行结冰。从目前来讲，热风除冰方法比较简单且效果比较明显，但是热风除冰方法需要对整个过程进行简单的设计，这样能够防止热量流失，降低热量的损耗。热风除冰方法会受到不同因素的影响，主要体现在以下几个方面：

风速变化会对除冰效果产生不同程度的影响。一般来讲，热风风速越大除冰的效果越好、除冰的时间也是越少的，但是消耗的能量却比较多。所以，在实际的热风除冰设计过程中要考虑热风风速的基本情况，要选择合适的风速。

热风温度变化对除冰效果的影响。变电设备带电除冰过程中热风的温度对除冰效果也会产生不同程度的影响。在风速一定的情况下，热风的温度越高除冰的效果就越明显。但是在实际的除冰过程中，风速的温度不可能无限制的升高，当风速一定时提高风速的温度，是理想中的除冰方法。

热风喷管到绝缘子表面距离变化对除冰效果的影响。也就是说热风出风口到绝缘子表面的距离远近也会对除冰效果产生不同程度的影响。热风喷管到绝缘子的距离越近，除冰效果越好，消耗的能量就越低。同样，距离越大，那么消耗的能量就越多。所以，在具体实际的除冰过程中，在绝缘安全距离保证的基础上，要减少出风口到绝缘子之间的距离，这样才能够减少除冰的能耗；温度环境不同对除冰效果的变化。通过实际的研究显示，环境温度对热风除冰的效果影响不是很显著，但是会产生细微的影响。

结冰厚度不同对除冰效果的变化。结冰的厚度对变电设备的带电除冰会产生不同程度的影响。研究结果显示，在其它环境相同的情况下，冰层的厚度增加、除冰的时间就在增加，而且消耗的能量也在增加。所以，在实际的除冰过程中不能选择冰层较厚时才开始，这样不仅能耗增加、而且除冰的时间也比较长。所以应该选择冰比较薄时进行除冰，这样效果比较明显。如果是恶劣天气，较薄时候就进行除冰会导致变电设备进行二次结冰，增加工作强度，也增加热风除冰的次数。所以，要根据具体的情况来选择合适的时机进行除冰[3]。

由此可以看出，热风除冰对其效果影响最为显著的是热风的风速，风速增大之后，冰层表面的作用力就在不断的增加，这就增加了冰层融化的速度，提高了除冰的效果。因为热风风速和风温互相作用，出风口距离绝缘子比较近，那么热传导的效果就比较明显，那么热风以及热力传导给绝缘子的表面冰层、绝缘子表面冰层在受力的情况下开始逐渐融化，从而实现了比较好的除冰效果。

2.3 热水除冰方法

热水除冰方法主要是通过把一定温度的热水用压力的热水枪喷射到变电设备的绝缘表面，从而实现除冰的目的。热水除冰效果明显，能耗比较低，但是带电除冰具有一定的危险性。为了减少热水除冰方法的危险性，所以对高压热水喷枪要进行严格仔细的设计，这样才能够提高安全性。

高压热水喷枪设计要求主要如下：

枪嘴。其设计必须是采取质量比较好的绝缘材料，这样在带电进行除冰时才能够提高安全性；防雨伞群。材料方面要选择硅胶材料，这样才能够防雨雪，而且在恶劣天气的环境下也能够使用。

枪管。其材质要采用环氧树脂玻璃管制作，这样枪管的耐压性、耐热性以及可以抗腐蚀性，而且可以增加枪管的使用年限，减少维修成本，提高水枪使用寿命，要根据电压的不同选择不同的枪管。工作人员在进行除冰过程中要避免枪管中喷出的热水烫伤。

绝缘支架。绝缘支架的材料也要采取环氧玻璃，采用绝缘支架能够减少工作人员的劳动强度；水枪接地线。接地线主要是在枪体的下方连接地线，这样枪体可以有效的消除泄露电流，保障工作人员的安全[4]。

变电设备带电热水除冰主要是通过过滤-加热-渗透-除盐-加热方式，把水制成高温、高纯度的热水。工作人员在进行除冰的过程中把绝缘高压水枪对准变电设备，由下往上进行除冰。高温的热水在对绝缘子表面进行冲洗时，冰层遇到了高温热水就开始逐渐融化，这同时又对绝缘子表面进行了冲洗，还能够提高绝缘子的绝缘性能。热水除冰方法也会受到不同因素的影响，主要体现在以下两个方面：

热水喷射速度对除冰效果的影响。热水喷射的速度越大，那么除冰的时间就越短，但是能耗会逐渐增加。如果热水喷射的速度小，那么水柱的射程不高，除冰的效果就不明显。热水喷射速度增加，那么作用在绝缘子表面的冲击力就增大，在水温和水的冲击力的双重作用下除冰的时间就会缩短，但是水的溅射会增加，热水的有效利用率会降低，热水用量会增加。而且在带电作业时会有一定的触电危险。也就是说热水带电除冰具有一定的危险性，要正确的选择热水喷射的速度。

热水温度变化对除冰效果的影响。一般来讲，热水的温度越高，那么除冰的时间就会比较短、除冰消耗的能耗也会减少。所以，热水除冰时要尽可能的提高水的温度、缩短除冰的时间，这样能够减少热水的用量，减少能量的消耗。

3 变电设备带电除冰方法的优劣

一般来讲，变电设备带电除冰方法主要是热风除冰方法、热水除冰方法以及电阻加热除冰方法。从目前来讲，热风除冰方法在实际使用的过程中比较多，而且相对比较安全。热风的风速越高，那么除冰的速度就越快，除冰花费的时间就越短，但是能耗也比较多。因此，在保证除冰时间和除冰能耗的前提下，选择适当的风速、使风温达到相应的高度，这样才能够安全有效的实现除冰的效果。

值得注意的是，热风出口管尽量不要距离绝缘子表面太远，距离太远消耗的能量也就越多。也就是说在绝缘安全的距离下，要缩短热风喷管到绝缘子的距离，确保除冰速度的前提下，减少能耗[5]。

热水喷射速度和热水温度等参数对热水除冰的除冰效率和除冰能耗影响较大。热水喷射速度越大、除冰时间越短，相应的除冰能耗越多，实际运用中应正确的选择热水的喷射速度；热水温度越高，除冰时间越短，且除冰能耗也有小范围内的减少，在实际运用中应尽可能的提高热水水温。

电阻加热除冰一般在实际应用中比较少，主要原因是能耗太高、而且成本也是太高，缺乏相应的社会经济价值。加热器辐射换热效率低，电加热器除冰的除冰时间明显过长，除冰能耗明显较大。

总之，变电设备带电除冰在实际生活中具有非常重要的意义，特别是遇到重大冰雪灾害天气，变电设备带电除冰就更加重要。变电设备带电除冰不仅能够保证变电设备正常供电，而且正常供电是人们生活的保障。