高海拔地区输电线路覆冰机理及除防冰技术研究

宅专殁牙　高海拔地区输电线路覆冰机理及除防冰技术研究＊　邓亚琪　，刘晓欣　，姜燕波。，李３．云南省电力设计院，昆明琰　，徐天奇　６７３１００）　（１．云南民族大学电气信息工程学院，昆明　６５０５００；２．云南电网有限责任公司怒江供电局，云南怒江６５０５００；　［摘要］基于对２００８年１月南方地区电网发生大面积冰灾及其严重危害的剖析，结合云南高海拔地区地形地势特　征，分析输电线路覆冰形成的气象条件及不同覆冰类型的特点，重点讨论和比较四种除冰方法的特点，并提　出防止输电线路覆冰的对策与措施，为提高电网的安全稳定运行、增强电网防冰及抵御自然灾害的能力提供　参考。　关键词　输电线路高海拔地区覆冰机理除冰防冰　中图分类号ＴＭ７５　北的牯牛山、梁王山，是阻挡四川入侵冷空气的天然屏　０引言　２００８年１月中旬，我国华中、华东、南方等区域遭遇　了罕见的持续低温、雨雪天气和冰冻极端天气，全国共有　１４个省级（含直辖市）电网、近５７０个县的用户供电受到不　同程度的影响，部分地区电力设施受灾损坏极其严重＿１］。　云南省昭通电网多条线路跳闸，严重覆冰造成送电线路断　障，其迎风坡恰处于昆明静止锋控制地段Ｉ３］。如以东线拖　布卡至海子头一段（海拔２　５００～３　２００ｍ），线路由北而　南，北面无高山屏障，只要四川有寒冷气流南下，在云雾　带上就会形成严重的覆冰。对于输电线路覆冰，另一个十　分重要的因素是微气象条件的分布及特征。输电线路覆冰　的微气象条件是指某大区域内的局部地段由于地形、位　置、坡向及温度、湿度等出现特殊变化［４］，而形成有别于　大区域更为严重的覆冰条件。　线、倒杆（塔）事故。随着低温天气持续，昭通电网告急，　１区１０县共１１７个乡镇供电受到影响，涉及１６９．５万人。　输电线路由于覆冰严重，电力设施遭受了重大损坏，造成　了电力线路大面积倒塔事故。ｌ１０ｋＶ及以上电压等级线路　共有４Ｏ条线路受损，其中２２ＯｋＶ线路有１８条。２２ＯｋＶ大　关一镇雄线路发生事故１１２处，其中倒塔１７基、塔头折　断３６基、地线支架变形或损坏２９基、断线１２基、其它　１８处。２２０ｋＶ大关一盐津线路发生事故１Ｏ处，其中倒塔　３基、塔头折断５基、地线支架变形２基。２２ＯｋＶ昭通一　２输电线路覆冰的产生与分类　通常，输电线路覆冰产生的必要气象条件ｌ５　是：导线　表面温度及环境温度要达到０℃以下ｉ空气相对湿度在　８５　以上；风速大于ｉｍ／ｓ。当空气相对湿度小或无风、　风速很小时，即使空气温度在０℃以下，导线上基本不发　生覆冰现象。　大关Ｉ、ＩＩ回线路塔头损毁３基。本文将基于对云南高海　拔地区特殊地理条件的实地调查，分析输电线路覆冰形成　的因素及现有线路除冰技术的优缺点和防冰对策与措施。　输电线路覆冰类型受以下因素的影响：水滴（或雾滴）　大小、水滴过冷却度、环境温度（即导线表面或冰面温　度＿６　）、风速风向、空气中液水含量。不同条件的组合将　在导线上形成不同类型的覆冰。输电线路覆冰按形成或危　１云南地区地形特征　云南地处低纬高原，地形复杂、气候多变，境内恰处　害分类，通常有雨凇、雾凇、混合淞、白霜、积雪等。　（１）雨凇是由粒径较大的过冷却水滴碰撞在物体上散　开成水膜然后冻结成的冰凌，呈湿增长方式。其产生的气　象条件是温度一３～Ｏ℃左右、风速小于１０ｍ／ｓ，冰体透明　坚固，密度０．６～０．９ｇ／ｃｍ３，黏附力强，常伴有冰柱。通　在北方冷气流与南方暖气流交汇而形成的昆明准静止锋活　动频繁地区。每年冬季，在静止锋的影响下，雾汽凝滞，　遇到适当的环境条件，便易形成输电线路覆冰＿２］。尤其在　地势较高的山顶、垭口、分水岭等地带，云雾笼罩，加之　冬季气温偏低，更易发生严重的雾凇冻结灾害。云南滇东　常风速越大，毛毛雨历时越长，冰体越大，雨凇越重，危　害越大。　基金项目：国家自然科学基金项目（编号６１４６１０５５）；云南电网公司怒江供电局职工技术创新项目（编号Ｏ５ＯＯ００ＫＫ５２１５Ｏ０Ｏ６）　收稿日期：２０１７—０２一１０　作者简介：邓亚琪（１９９２一），硕士研究生，研究方向为输电线路覆冰、电动汽车充电模型、电力系统风险评估；刘晓欣（１９８６一），工程师，局　级专家，从事电力调度与控制技术研究、系统分析等工作；姜燕波（１９７９一），高级工程师，从事输配电线路设计工作；李琰（１９７７一），博士，　副教授，研究方向为智能电网、电力系统规划、电力系统通信、无线传感器等；徐天奇（１９７８一），博士，副教授，研究方向为智能电网、新　能源发电接入、微型电网等。　２０１７　　ｌ７（Ａ）期ｌ　５５　电气设计　（２）雾凇也称为软雾凇，是由粒径较小的过冷却水滴　随气流浮动，在碰击物瞬间即冻结成的冰凌，呈干增长方　式。其冰体白色疏松，密度小于０．６０ｇ／ｃｍ＂￣，黏附力较　弱，通常在物体的迎风面冻结。　（３）混合淞也叫硬雾凇，当不同粒径的过冷却水滴随　气流浮动，在碰撞物体瞬间，部分呈干增长，部分呈湿增　流。直流电流融冰的特点是不受线路长远的限制，对直流　电源容量的要求易满足，还可利用可控硅整流与ＳＶＣ技　术相结合以提高经济效率口　。导线和架空地线虽然处于　一温度、湿度、风速下，但是输电线路上有负荷电流能产　生热能，可抵御部分冰冻，故架空地线上的覆冰厚度会远　超输电导线，而直流电流融冰法在云南电网中得以广泛运　长。其呈透明或不透明的冰体口　，比重中等，常在物体的　迎风面冻结，有一定的黏附力。其形成过程是一个复合覆　冰过程，首先是雨凇，再是雾凇，是一种交替冰的形式，　生长速度快，对导线危害特别严重。　（４）白霜是空气中湿气与０℃以下的冷物体接触，在冷　用，目的是使地线上的覆冰融化。　（２）短路电流融冰法。根据短路类型的不同，短路电　流融冰可分为三相短路融冰、两相短路融冰和单相短路融　冰。三相短路融冰指将线路的一端三相短路，对另一端供　给融冰电源，用较低电压提供较大短路电流加热导线的方　物表面凝华而成的＿８］。白霜在导线上的粘结力十分微弱，　即使轻轻振动，也可使其脱离所粘结导线的表面¨ｇ］。白霜　几乎不对导线构成严重危害。　（５）积雪是由自然降雪粘附在导线上形成的，有干、　湿雪之分口　。空气中的干雪或冰晶很难粘结到导线表面，　只有当空气中的雪为“湿雪”时，导线才会出现积雪现　象。　根据输电线路覆冰形成的机理及形成条件，输电线路　覆冰增长过程可分为干增长和湿增长。雾凇覆冰是干增长　过程，雨凇覆冰为湿增长过程，混合淞是介于干、湿增长　之间的一种覆冰过程。海拔高程对线路覆冰的影响很大，　在同一地形及天气条件下，通常海拔高程越高越易覆冰，　冰厚也越大，且多为雾凇＿】嵋；海拔高程较低处，冰厚较　小，且多为雨凇或混合冻结。　３输电线路除冰技术　重冰区线路的建设和运行采取“避、抗、融、改、　防”五种措施，使重冰区架空送电线路的设计有章可循。　对于重冰区线路的覆冰，国内外有３Ｏ余种除冰方法，根　据原理的不同，可分为热力除冰法、机械除冰法、被动除　冰法、其它除冰法。　３．１热力除冰法　热力除冰法利用相关技术增加输电线路中的电流密　度，使导线自身产生足够多的热量＿ｌ１　，以避免冰雪的覆积　或使已有的覆冰脱落。热力融冰法有直流电流融冰、短路　电流融冰、高频高压激励融冰、潮流调度融冰等。　（１）直流电流融冰。交流电流及直流电流均可用来加　热导线［１　。采用交流电流和直流电流分别对５００ｋＶ覆冰　线路进行融冰时，线路阻抗主要表现为电抗，短路功率主　要为无功功率。交流电流融冰依赖于系统提供的无功功　率，且无功功率需求在２　０００Ｍｖａｒ以上，而系统不可能提　供如此大的无功功率用于线路短路融冰；直流电流融冰只　需系统提供不超过２００ＭＷ的功率，大部分线路不超过　１００ＭＷ，即直流电流融冰是可行的。直流电流融冰是将　线路一侧变电站中线路与直流融冰母线连接，对侧变电站　中线路三相短接，线路各侧接地开关断开后，施加直流电　５６｛ＷＷＷ，ｃｈｉｎａｅｔ，ｎｅｔ　Ｉ中国电工网　式使导线上的覆冰融化，其具体接线如图１所示，融冰电　流为：　１　Ｌ，　＿＿一’ｈ　。●＿。。。。。。。。。。。　。＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ｆｒｆ　。●‘。。。。。一　√３　Ｌ￣／ｒ（）。＋　ｏ　式中，ｊ为融冰电流，Ａ；【，为融冰电源线电压，Ｖ；　、　。分别为２０％时单位长度导线的电阻及电抗，Ｄｏ／ｋｍ　Ｌ　为电源至三相短路点长度，ｋｍ；　为附加阻抗系数。　足　（　—。　（）．、　）＝±，ｉ，　图１短路电流融冰法图　（３）高频高压激励融冰法。将输电线路上的覆冰作为　有损耗电介质，在线路上施加高频电流将产生驻波，冰的　介质损耗热效应和集肤效应导致电流只在导体表面很浅的　范围内流通，造成电阻损耗发热。对于地线，可利用在相　线中施加激励时，地线中产生的感应电流和感应电场融　冰。在覆冰导线上安装高频高压激励装置时，线路两端需　安装吸收器，以控制作用范围，推荐的激励范围为２Ｏ～　１５０ｋＨｚ。高频高压激励融冰接线如图２所示。　器　图２高频鬲压激励融冰接线图　（４）潮流调度融冰法。在相同气候条件下，重载线路　覆冰较轻或不覆冰，轻载线路覆冰较重，而架空地线相对　于导线覆冰更多。当负荷电流足够大时，导线自身的温度　超过冰点，落在导体表面的雨雪就不会结冰。使线路电流　达到临界电流（也称电线防冰电流）以上，覆冰气象条件下　导线不覆冰的临界负荷电流Ｊ　为：　Ｊ　一￣／（Ｑｆ＋Ｑ１）／Ｒ　（２）　式中，Ｒ　为１℃时单位长度导体交流电阻，计算中叮近　电气设计　似取２０￣Ｃ的直流电阻；Ｑｒ为单位长度辐射散热；Ｑｄ为单　位长度对流散热。　表１不同除冰方法的优缺点对比　２２０ｋＶ及以上电压等级轻载线路防冰主要依靠科学调　度，通过微气象、微地形的分析、预报，对易覆冰段提前　改变电网潮流分配，增加轻载线路的负荷或使调峰厂提前　发电，让线路通过的电流达临界值以上。对于１１ＯｋＶ及以　下电压等级轻载线路，若属于两变电所间的联络线，则可　通过调度让联络线带负荷运行，并达到临界电流以上，其　它类型的主要轻载线路可采用增大无功电流的办法使导线　不覆冰。　３．２机械除冰法　机械除冰法通常用机械工具、自动化机器人和冲击波　等方式进行除冰。相对于热力融冰法，机械除冰法有损耗　小、价格低廉等特点。最早的机械除冰法是Ｐｏｈｌｍａｎ等提　出“ａｄ　ｈｏｃ”法，该方法要求线路操作者现场采用手工、　猎枪和直升飞机等方式除冰，但这种技术既不安全，又不　十分有效。加拿大Ｍａｎｉｔｏｂａ水电局提出一种滑轮刮铲　法，该方法是由地面人员拉动牵引绳，通过移动的滑轮铲　除电线上的覆冰，是目前唯一可行的输电线路机械除冰方　法，但其被动性强、效率低，用于多分裂导线尚存困难。　３．３被动除冰法　被动除冰法依靠风力、引力、太阳辐射和温度突变等　自然力除冰。被动除冰法除冰效果具有一定的偶然性。相　关的除冰方法有平衡锤、防冰（雪）环、可动线夹和涂刷吸　热材料等。一些被动除冰法可加速线路覆冰的脱落，但常　只在局部范围内或针对特定冰型和自然条件才起作用。　３．４其它除冰法　除热力除冰法、机械除冰法、被动除冰法外，其它除　冰法大都从改变输电导线的结构或材料人手。低居里点磁　性材料是一种具有特殊磁性能的软磁材料，采用这种磁性　材料做导体，当环境温度降到居里温度以下时，能产生磁　性，在输送交流电时，由于涡流、磁滞等作用而增加的损　耗会变为热能融化覆冰。在工程应用中，应根据气象条　件、导线直径及传输电流等计算低居里磁热线在需要防冰　线路上的安装量。　３．５对比　综上所述，不同除冰方法的优缺点对比见表１。　４防冰对策与措施　当线路不可避免地会通过重覆冰地区时，应力求“避　重就轻”，即进行线路路径选择时ｌ６］，尽量做到避开最严　重的覆冰地段，线路宜沿起伏不大的地形走线。设计部门　在选择新建线路的气象条件时，除了收集气象部门的历史　观测资料外，还必须对沿线现有输电线路及通信线路的覆　冰及运行情况进行深入调查。对于确定为重覆冰地段的输　电线路，可根据其具体情况采取预防抗冰措施。　４．１划分冰区措施　冰区划分以气象部门、线路覆冰观测站实测雨凇、雾　凇资料为主要依据，同时参考地形、地物情况、地理环　境、海拔高程以及电力部门多年实际工作中积累的经验和　调查资料，可将覆冰区域划分为无冰区、轻冰区（０～　１０ｍｍ）、中冰区（１０～２０ｍｍ）、重冰区（２０ｍｍ及以上）。　正确划分冰区，对合理设计架空输电线路和保证线路安全　可靠运行有重要的指导意义，同时也为输电线路设计标准　化打下基础。　４．２防倒塔断线措施　在海拔较高、湿度较大、雨凇和雾凇易形成的山顶、　风口、垭口地带，对于较长的耐张段，宜在中间适当位置　设立耐张塔或加强型直线塔，以避免一基倒塌引起连环破　坏，且独立耐张段应根据地形、地物等条件合理确定跨越　方案，可采用“耐一直一直一耐”、“耐一直～耐”、　“耐一直一直一直一耐”或“耐一耐”方案，其中直线塔　不应超过３基。对于档距较大的重覆冰地段，采取增加杆　塔、缩小档距的措施，以增加导地线的过载能力，减轻杆　塔荷载，减小不均匀脱冰时导地线相碰撞的几率。对于重　覆冰地区新建线路，应尽量避免大档距，使重覆冰区线路　档距较为均匀。　４．３防绝缘子串冰闪措施　覆冰电导率较高的绝缘子串及覆冰过厚形成冰柱的绝　缘子串发生冰闪较多，同一电压等级线路中绝缘子片数较　少的发生冰闪较多。在横档侧加装大盘径绝缘子和小盘径　绝缘子，并采用大小盘径相间的插花串布置，可防止冰凌　直接桥接伞间间隙，增大覆冰时的爬电距离。为防止杆塔　横档上积水，冰水不致淌落在绝缘子串上，可在绝缘子串　悬挂点处增设一块防水板。绝缘子串Ｖ型及倒Ｖ型悬挂　均可提高冰闪电压。　４．４防导线舞动措施　通过改变舞动系统的固有扭转振动或横向振动频率、　质量分布和元件连接方式等动力学特性，以达到防止导线　舞动的目的。国内外常用的防导线舞动措施有：安装扭转　（下转第８８页）　２０１７Ｉ　７（Ａ）期ｆ　５７　运行维护　此需进行更换，但原开关柜厂家无法提供满足现场尺寸要　求的零序电流互感器。　定时，继保装置合成的二次电流较小，会增加误动发生　率。　由于１０ｋＶ线路保护测控装置零序保护为动作于信　３解决措施　检测零序电流的方法包括互感器检测与三相电流合成　检测，其中互感器检测较为常用。　（１）互感器检测方式下，三相电流线路均应穿过互感　器。用Ｋ表示零序电流互感器变化量，向量ｆ　表示Ａ相　电流，向量Ｊ　表示Ｂ相电流，向量，。表示Ｃ相电流，那　号，再结合两种检测方式的优缺点，因此决定采用继保装　置合成的零序电流。由于消弧系统配置的小电流接地选线　装置用于１０ｋＶ系统的接地选线跳闸，对零序电流的准确　性和可靠性要求较高，因此可选用零序电流互感器。又由　于零序电流互感器的二次电流仅用于小电流接地选线装　置，因此建议开关柜零序电流互感器二次电流选ｌＡ，小　么二次零序电流就可用ｉ—ｊ／Ｋ一（，　＋　＋ｊ　）／Ｋ来表　示。这种方法的优点在于能对三相电流中零序电流进行直　接检测，具有较高的准确性。另外，互感器变化量相对较　少，可忽略不计。当允许的一次零序电流一定时，二次零　序电流大，其抗干扰能力就强（干扰主要来自于电磁干扰　造成的零漂）。但这种检测方式也存在缺点，即制造工　电流接地选线装置更换电流插件为１Ａ，则二次所需容量　Ｓ　为０．８２ＶＡ。与开关柜和消弧系统厂家沟通后，决定更　换１ＯｋＶ开关柜零序电流互感器为ｌ２０／１Ａ，３ＶＡ。　４结束语　该变电站进行综自改造时，由于不更换一次设备，因　此忽略了零序电流互感器的容量校核，导致未能及时发现　艺、现场环境等都可能对检测的结果造成影响。　（２）对于三相电流合成检测，设ｋ为Ａ、Ｂ、Ｃ三相电　流互感器的变比，向量Ｌ表示Ａ相电流，向量Ｊ　表示Ｂ　问题。在以后的变电站综自改造工程中，在可研设计阶段　就需对不更换的设备进行校核，以便及时发现和解决问　题。　参考文献　相电流，向量ｊ。表示Ｃ相电流，则继保装置合成的零序　电流ｉ—Ｉａ／ｋ＋Ｊ　＋Ｊ　／走。三相电流合成检测方式的优点　在于可忽视互感器造成的影响，能用于大截面回路零序电　流检测；但缺点是需要结合三相电流来运算，并非直接检　测，准确性较互感器检测法差。由于回路上的电流互感器　［１］邱关源．电路［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１　９８９　［２３ａ水清，李凤荣．电力系统继电保护［Ｍ］．北京：中国电力出　版社，２００５　相对零序电流互感器的变比大，当允许的一次零序电流一　（上接第５７页）　明：云南科技出版社，１９９３　阻尼器、失谐摆、抑扭环等；安装压重防舞装置，包括档　内集中安装防震锤，在间隔棒上加挂重锤等，使压重部位　产生局部稳定成为舞动节点，以降低舞动幅值；安装相间　问隔棒，以改变系统结构方式，能抑制舞动的同时还可防　止脱冰跳跃引起故障。　［３］段晓丽．输电线路覆冰量计算模型研究［Ｉ）］．太原：太原理工　大学，２０１０　Ｅ４］罗春雷．黔秀２２０ｋＶ输电线路覆冰机理及冰害事故防治措施　的研究ＥＤ］．重庆：重庆大学，２００６　Ｅ５］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　５结束语　本文在介绍输电线路覆冰机理及除冰防冰技术的基础　［６］龙立宏，胡毅，李景禄，等．输电线路冰害事故统计分析及防　治措施研究［Ｊ］．电力设备，２００６，７（１２）：２６　２８　Ｅ７］常泽．输电线路覆冰力学性能试验与超声波除冰技术研究　［Ｄ］．北京：华北电力大学，２ｏ１４　上，分析了不同除冰防冰方法的特点。在气象方面，气象　部门应与电网部门紧密合作并及时向电网部门预警，让电　网部门启动应急机制并适当采取融冰除冰决策；在除冰方　面，可在线路覆冰监测基础上，从输电线路的物理、电气　Ｅ８３申强．基于旋转多导体覆冰量的覆冰参数预测［Ｉ）］．重庆：重　庆大学，２ＯｌＯ　Ｅ９］李宁．覆冰输电线路高频高压除冰技术研究［Ｄ］．长沙：长沙　理工大学，２Ｏｌｏ　特性出发，探索新的不受电压等级限制的融冰方法。今　后，应将线路覆冰监测作为研究重点，采用全面、准确、　灵敏的覆冰监测系统以有效指导线路防冰除冰工作；应深　入研究杆塔导线破坏特性、绝缘设备冰闪特性、防冰材料　等，为抵御覆冰灾害及维持电网安全稳定运行提供保障。　参考文献　［１］卢明．输电线路运行典型故障分析ＥＭ］．北京：中国电力出版　社．２００２　ＥｌＯ］苑吉河，蒋兴良，易辉，等．输电线路导线覆冰的国内外研究　现状ＥＪ］．高电压技术，２００４，３０（１）：６－９　［１１］赵全江，黄欲成，李翔．超高压、特高压线路防凝冻灾害的分　析［Ｊ］．电力建设，２０１０，３１（２）：２５—２８　Ｅ１２］申屠刚．电力系统输电线路抗冰除冰技术研究进展综述　［Ｊ］．机电工程，２００８，２５（７）：７２—７５　［１３］黄新波，刘家兵，蔡伟，等．电力架空线路覆冰雪的国内外研　究现状［Ｊ］．电网技术，２００８，３２（４）：２３—２８　（编辑丘石）　Ｅ２；．ｚ守礼，李家垣．云南高海拔地区电线覆冰问题研究［Ｍ］．昆　８８　ｆ　ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｅｔ．ｎｅｔ　ｆ中国电工网