采用涡流自热环防止输电线路冰雪灾害的方法研究

马国平

（国网固原供电公司，宁夏 固原 756000）

想要有效防止冰雪灾害影响输电线路情况的发生，相关人员需要不断探索相关的技术。通过分析相关实践可知，后期处理并不是解决输电线路冰雪灾害的唯一方法，相关人员将重点集中在冰雪灾害预防方面，在此过程中必须针对输电线路实际情况采取有针对性的措施，使得输电线路拥有越来越高的综合运行能力。

1 冰雪灾害对输电线路的不良影响

在出现冰雪灾害后，有很大概率导致输电线路中形成冰块。由于冰雪灾害导致的冰块会不均匀地分布在输电线路中，在一定的风力作用下会影响输电线路正常运行。同时，在线路闪络问题方面，冰块也是主要的影响因素。覆盖闪络问题虽然不会严重破坏输电线路，但是却会破坏绝缘子，致使绝缘子性能大幅度降低[1]。另外，在闪络情况下，若是无法及时消解冰块的作用，再加上冰块拥有较大重量，其经过一段时间发展可能超出线路最大承重量，导致输电线路出现短路的问题。

2 输电线路除冰技术研究现状及涡流自热除冰原理

2.1 输电线路除冰技术研究现状

输电线上覆冰的积累是一种水、热等多因素耦合作用的物理过程。针对输电线上覆雪的各种影响因素，国内外学者在多年的工作中，针对输电线上各种覆雪原因提出多种防冰措施，包括机械除冰、涂覆防冰、热动力融冰、电脉冲除冰等。然而，这些措施都有各自的局限性，并不能从根本上解决输电线路覆冰的问题。目前，直流融冰法是我国普遍应用的一种有效的主动除冰技术。但直流融冰法要求线路停电才能进行，设备造价较高，且直流融冰器从投入运行到生效都需要一定的时间。因此，面对快速而又大范围的寒流天气，直流融冰似乎也没有太大的作用。

在输电线的导线上添加热磁性物质，是一种在不停电情况下自动防结冰的方法。“七五”科技攻关期间，武汉高压研究所及其他科研机构开发了多种低居里点（LC） 合金，并将它们制成了热磁性丝，包覆在金属丝的表面，从而达到了防覆冰的目的。但是，LC 材料制作成本高昂，而且热磁导线的安装难度太大，使得其很难普及。高小玫等对各种磁致制冷装置的热辐射进行了数值模拟，对磁致制冷装置的优化设计具有一定的指导意义。李窘等研制出了一种具有低居里点磁性的抗覆冰金属丝，并通过天然试验对其进行了验证。蒋兴良等对此进行了分析和研究，认为采用附加磁制冷材料来达到不停电除冰的目的是完全可行的，但仍需进一步降低其成本，提高其制造技术水平。

2.2 涡流自热环除冰原理

在使用交流电时，金属丝的外部会形成一个交变磁场，在交变磁场作用下，金属丝周围会产生很强的交变磁感应，从而产生磁滞、涡流等现象。同时，若在铁磁性材料表面覆盖具有更低电阻率的导电性涂层，将会在铁磁性材料所引起的交流磁场中产生涡流损失，从而进一步增加其所产生的热量。在输电线表面覆冰过程中，只要铁磁性材料的磁热足够大，就能减缓、延缓线路表面覆冰的形成或融化覆冰。

现阶段，国内一般输电线路中，电流密度在0.9～1.6 A/mm2之间。例如，横截面400 mm 的钢芯铝绞线，其在正常工作条件下输运电流达到360～640 A，周围磁场最大值达到3 000～4 000 A/m。在这种强磁场条件下，金属丝周围铁磁性物质产生的交流磁感可以达到0.5～1 T。在铁磁性物质中，磁场强度H以及磁感应强度B的计算公式分别为

式中：Hm、Bm分别为磁场强度以及磁感应强度峰值；ω1为工频角频率，取值为50 Hz；δ 为相位差。

3 涡流自热环除冰试验

为了充分展现涡流自热环的实际除冰效果，在研究中将使用多功能人工气候室演化自然覆冰过程，开展涡流自热环除冰试验，采用型号为LGJ-400/35 钢芯铜绞线。

3.1 试验装置

该人工气候室为11.8 m 高，7.8 m 直径；其可在-45～70 ℃内自由调节温度；同时可调节0～12 m/s风速；拥有20%～100%湿度调节范围。将一定数量的国际电工委员会 (International Electro technical Commission，IEC) 标准喷头设置在喷雾系统中，将过冷却水滴确定为20～500 μm 直径调节范围。最终证明，该模拟环境能够使开展覆冰试验各项要求得到有效满足。

试验电源为大电流发生器，具备5 000 A 最大输出电流和30 kV·A 额定容量，相关人员可利用配套调压器调节试验电流大小。同时配备了拉力传感器、钳式电流表等测量工具。

3.2 试品与布置方式

使用LGJ-400/35 钢芯铜绞线作为试品。为了更好地开展对照试验，将其合理划分为试验小段，试验导线拥有3 m 长度、27 mm 直径，20 ℃工况下导线具有0.073 89 Ω/km 单位电阻率。

在人工气候室内完成导线并列安放工作可使用绝缘支架支撑，为了防止因为相邻导线对流场遮挡引发覆冰差异情况的发生，需保证导线间保持0.5 m以上间隔。将拉力传感器固定在导线的一端用于测量覆冰质量，而且相关人员应在充分考虑导线弧垂参数的情况下将高度差控制在合理范围内。为了使传输电流处于相同水平，在除冰试验中连接铜带首位和各试验段导线时需要利用夹具，串流受流[2]。每次开展覆冰试验都需要使用试验导线3 段，方便对比试验结果。具体操作方法为，将电流传输到导线1 和导线2 中，导线3 不通电，并且将4 个涡流自热环以相同间距布置在导线1 上。因试验导线为3 m 长度，因此以0.6 m 间隔布置涡流自热环，采取此种布置方式，导线的附加磁热除冰功率为2.76 W/m，详细布置情况见图1。

图1 除冰试验布置方式

3.3 试验程序

1） 预处理工序。将试验导线段取出来，使用工业酒精、纯净水、湿布等完成表面处理工作，保证其表面干净、无毛刺。将一定数量的涡流自热环取出来，使用纯净水、工业酒精等将其表面处理干净。

2） 安装布置试样。在人工气候室内并列布置试验导线段，根据上述试验设计将涡流自热环安装在导线1 上，之后将试验电流引线有效连接。

3） 覆冰试验流程。将制冷系统打开，同时将电流传输到试验导线中。当人工气候室具有与设计温度相同的室温时，开始进行覆冰试验。每次应持续2 h 覆冰。详细覆冰试验参数见表1，其中空气中液滴中值体积直径用MVD 表示，空气中液态水含量用LWC 表示。

表1 覆冰试验参数

4 试验结果与讨论

4.1 覆冰形貌分析

为了使涡流自热环的覆冰效果得到更加清晰的展现，在本次研究中只选取具有代表性的覆冰形貌开展分析。最终结果为，在1 号试验中会有混合凇覆冰或雾凇覆冰形成，但是未有冰棱产生。同时覆冰位置并不包含涡流自热环布置位置，证明试验所用环境参数下，涡流自热环自身所产生的热量，可对环身处形成覆冰的情况起到有效的抑制作用。另外，因为涡流自热环的作用范围有限，在导线上存在间隔覆冰的情况，降低了相互之间的附着力，能够为热力融冰和自然融冰过程中冰层自然脱落提供有利环境。

3 号试验在经过120 min 覆冰时，在涡流自热环所处位置并未出现覆冰。虽然使用了可满足覆冰条件的试验参数，但是仍然避免了出现雨凇覆冰的情况，通过观察可知，已经有明显的冰棱出现在导线其余部位。通过分析试验结果可知，与导线其他部位相比，在涡流自热环部位明显会流失更多的水滴。对引发这种现象的原因进行分析，其主要是受到了导线表面水膜沿弧垂流动效应的影响。在涡流自热环处覆冰，因为无法满足形成磁热的条件，向水膜中流动的未冻结水滴在接触涡流自热环时也会拥有更高的流失速度[3]。由此可知，当有水膜存在于导线表面时，涡流自热环也能够在一定程度上限制其他部位形成覆冰。

4.2 覆冰质量分析

通过分析随着覆冰时间变化各导线上覆冰质量变化情况可知以下3 点。一是在不断延长覆冰时间的过程中各组实验中导线覆冰质量呈现出非线性增长。相较于导线3，导线2 均拥有较差的覆冰质量。这是由于有电流通入导线2 中，针对导线覆冰的问题导线的焦耳热能够发挥一定的抑制作用。与导线2 相比，导线1 明显拥有更差的覆冰质量，说明在增长导线表面覆冰质量方面涡流自热环可发挥一定的减缓作用。二是从整体方面开展分析，后两组试验明显比前两组拥有更好的覆冰质量。两种试验现象不同的原因主要是设置了存在差异的覆冰试验参数。另外，通过两组覆冰参数试验结果比较可知，在存在雨凇时涡流自热环具备更强大的覆冰质量抑制作用，其也验证了涡流自热环可以提升雨凇覆冰液滴散失速度的结论。三是与200 A 传输电流相比，当使用400 A 传输电流时导线表面明显拥有更差的覆冰质量。一方面在通入电流后会使导线本身产生更多的焦耳热；另一方面在传输电流为200 A和400 A 时均无覆冰在涡流自热环处产生，但是当传输电流较大时会致使更厚的水膜在导线表面形成，加快液滴在自热环处的散失速度，以此使涡流自热环拥有更快的除冰效率。

5 结论

通过上文分析，最终可得出以下结论。一是与未设置涡流自热环的导线相比，布置涡流自热环的导线明显拥有更少的覆冰质量。二是在提升传输电流的过程中涡流自热环也会拥有更高的除冰效率。并且因为涡流自热环能够以更快速度散失导线表面水膜，在覆冰类型为雨凇覆冰时可达到更高除冰效率。三是导线传输电流与涡流自热环存在密切联系，在拥有较小传输电流的情况下，使用越高的传输电流即存在越高的涡流自热环磁热量。四是输电线路所处环境能够直接影响导线表面临界覆冰功率，其与风速参数成正比例关系，与温度参数成反比例关系。