输电线路防\除冰技术分析

摘要: 为了保障输电网的安全运行，输电线路防、除冰极为重要。本文通过对2012年年底浙江电网发生的覆冰灾害的分析，对现有的防、冰方法进行了分析总结。

关键词: 输电线路；覆冰；防冰；除冰

Ant-icing and Deicing Technology Analysis

of Transmission Line

Xu Zhiyong1Hua xianhong1Zhang Zheng1Zheng Zhenhua1 Du Xingke2

(1 Jinhua Electric Power Transmission & Transformation Corporation, Jinhua, 321016,

2 Jiangxi Science & Technology Normal University Nanchang,330013 )

Abstract In order to ensure the safe operation of transmission network.It is very important of ant-icing and deicing of transmission Line. In this paper, through the analysis of ice disasterof Zhejiang power grid happened at the end of 2012, analyzed and summarized the existing methods of icing protection and deicing.

Keywords: Transmission Line;Icing; Ant-icing; Deicing

中图分类号：TM421 文献标识码：A

一 前言

2013年1月3日~8日，受雨雪冰冻天气影响，浙江电网发生较大范围输电线路冰冻灾害，涉及宁波、台州、丽水、金华四个地区，总造成24条110kV及以上线路发生故障调查，其中500kV线路3条，220kV线路20条，110kV线路1条。从地域分布看，宁波地区电网受灾最严重，共计18条线路发生故障跳闸，其中500kV线路2条，220kV线路15条，110kV线路1条。具体受灾情况见表1、表2。

表1、输电线路事故统计表

表2、输电线路事故统计表

二、线路覆冰灾害原因分析

覆冰形成原因：根据浙江省气象探空站资料显示，从1月4日至8日，全省相对湿度在90%以上，气温-1℃~2℃,极易形成覆冰。以宁波地区为例，受北方冷空气与西南暖湿气流共同影响，2013年1月3日下午，宁波全市出现降雪天气。1月4日冷空气略有减弱，地面气温回升到零度以上，但海拔300m以上山区气温一直在零度以下。地面的湿度很大的冷空气上升，遇到温度冰点以下的输电线，因此形成覆冰。设计规程中针对15毫米以下覆冰，导地线之间的间距按照年平均气温配合，但实际情况为地线覆冰厚度比导线，覆冰情况下导地线间距的配合规程上未做要求，实际覆冰情况下地线的弧垂增量比导线大，导致导地线之间的距离不足引起放电。

三、输电线路防、除冰技术分析

基于输电线覆冰带来的危害，输电线的防除冰技术就显得格外重要。但是防冰除冰是目前国际上的没有完全解决的技术难题。国内外虽然进行了几十年的研究，提出了几十种方法，但目前还没有一种方法可有效解决各种覆冰灾害。仍在继续研究和探讨之中。

3.1、输电线路防冰技术讨论

防冰方法：在覆冰导线覆冰前采取各种有效技术措施，使各种形式的冰在导线上无法积覆，或即使积覆，其总的覆冰荷载也能控制在导线可承受的范围内。

国内外研究、探索和应用的防冰、除冰方法主要有：低居里材料防冰技术，憎水性、蔬水性涂料防冰方法等。

3.1.1、低居里磁热线在输电线路导线防冰中的应用

1）低居里铁磁材料是一种由铁(Fe)、镍(Ni)、铬(Cr)及硅(Si)等按一定比例组成的，具有较低居里温度的合金材料。

2）低居里铁磁材料防冰器件，包括铁磁线、预绞丝或防冰套筒等。

3）无论是哪种形式的防冰器件，均由磁芯和覆层两部分组成。

4）低居里铁磁线缠绕在导线上，交流传输电流产生交变磁场，磁芯磁化。

5）当温度高于居里点时，磁感应强度(B)的值很小；而境温度低于居里点时，产生很强的磁感应强度(B)。

6）发热的基本形式：磁滞损耗和涡流损耗(或二次电流损耗)。

7）低居里铁磁线在弱磁场下，即线路传输电流较小时，磁滞和涡流损失能满足防覆冰要求；而在导线传输电流较大时并不产生过剩的能量消耗。

8）主要形式：LC防冰套筒和LC磁热线。

3.1.2、憎水性或憎冰行涂料在输电线路导线防冰中的应用

液体对固体的浸润程度以接触角表示，接触角大于90°为疏水涂层，大于150°为超疏水涂层。当达到超疏水能力且接触角在160°以上时，材料对水的粘着力则很小。当疏水角接近170°时，材料仅倾斜1°，水珠在重力的作用下就会滚动。水与表面的接触角越大，即表面的疏水性越好，则水珠越晚开始冻结。

利用憎水、冰性涂料防覆冰是被动方法之一。在涂料输电线路导(地)线、杆塔结构或绝缘子等上覆涂憎水性能涂料，降低冰与衬垫表面的附着力，虽不能防止冰的形成，但可使冻雨或雪等在冻结或粘结到导线或绝缘子之前就可以在自然力，如风或者导线及绝缘子摆动时的作用下即能滑落，或者使冰或雪在导线或绝缘子的附着力明显降低，达到防止覆冰、减少线路出现冰害事故的目的。

有些涂料具有很强的憎水、憎冰性。涂料防冰的关键是降低冰和衬底的附着力，即降低其反应性和表面力，使其更具惰性，更不渗水。由此产生的高接触角θ更有可能在交界面吸留空气，吸留空气可以阻止跨越界面交换吸力，减小附着结合力，造成不均衡的应力集中，使之发生裂纹并扩大，导致附着力失效，产生防冰效果。防冰涂料目前有：有机氟、有机硅、烷烃及烯烃等类化合物，如丙烯酸烘漆、聚四氟乙烯及有机硅漆等。

3.2、输电线路除冰技术讨论

3.2.1、机械除冰方法

机械法(震冰)即直接使用刮刀、棍子、滚筒、切割机、远距离使用抛射物、自动化机器人、冲击波机械法，采用爆炸、弯曲、拧绞等方式进行除冰，机械方法破碎一块给定大小的冰所需要的能量只是融化这块冰所需能量的1/100 000∼1/2000 000，实际上各种机械除冰技术的能量效率范围在3%~4%之间，总体来看，机械方法只需热力方法所需能量的1/200 左右。输电线路的机械除冰法主要有三种：“adhoe”方法、滑轮铲刮法和强力振动法。

3.2.2、 热力除冰方法

热力法是世界公认的最有效的除冰技术，采用焦耳效应融冰原理，利用电流加热覆冰导线进行除冰。加拿大魁北克水电研究院的研究人员建立了用于估算不同电流、温度、风速条件下融冰时间的数学模型，即Ec + Ecg + Efg = (I R + Ps − Pr − Pc )t

下面介绍几种较为有效的热力法除冰技术。

（1）转移负载法。这种方法不需要增加任何设备，通过改变电网的结构(配置)，利用负载电流的热效应来防止导线结冰或除冰。然而高压线路的电流通常不能产生足够的热量来防止结冰或将冰融化，因此必须改变正常运行方式，在同样2 个变电站间从别的连接线给特定线路传输或转移负载。但用户的负荷需求难以控制，因此融冰失败的风险非常高。该方法最适合单分裂导线，对于多分裂导线和735kV 线路，由于所需融冰电流大(高达7200A)以及对电网稳定性可能造成影响，该方法不适用。加拿大魁北克水电局采用该法进行融冰。

（2）短路法。短路法是指由一端供电而另一端短路，从而使线路负载增加进行融冰。国内外许多电力公司都有一些短路加热经验。采用这种融冰方法需要在原有电网中增加一些设备，在短路侧加装开关(常开)以实现三相短路；在电源侧加装隔离开关和架空线或电缆(如是电缆还需加装一组避雷器)，以实现电源和融冰线路的连接。在20 世纪70年代初期，马尼托巴水电局就开始进行三相短路融冰的试验步骤，目前已具有数千公里线路的融冰能力。焦耳效应除冰法不能轻易用于315kV 及735kV额定电压的分裂导线束。为了抗击严重冰负载，人们通过使输电线路在额定电压下短路，利用短路电流产生的电磁力来使导线互相撞击达到 除冰目的。

（3）交直流电流法。交流电及直流电均可用来使导线加热。使用交流电不需要高额附加费用，因其直接使用现有网络进行融冰。如果融冰线路的长度以及所需融冰电流和电压较小，则可使用交流电。前苏联曾大规模采用交流短路法进行500kV 分裂导线束的长距离线路融冰。但由于735kV 线路长度很长，导线为4 分裂导线，采用交流短路法融冰需要的电源功率和电压将分别超过1 000 MVA、1 000 kV，无法采用交流短路法。此时，应采用直流短路法， 对于上述线路所需电源功率仅为285MVA。取决于线路特点，三相导线的融冰需要隔离线路、保护交流和直流系统、投入除冰换流器、将线路转换回交流系统等过程才能完成。

3.2.3、被动除冰方法

被动除冰方法利用风、地球引力、随即散射或温度变化等自然条件脱冰，虽不能保证可靠除冰，但无需附加能量，是工程上的首选方法。被动除冰技术不能阻止冰的形成，但有助于限制冰灾。该法简单易行,但可能因不均匀或不同期脱冰产生的导线跳跃的线路事故。另外目前有多种阻止导线过量覆冰的方法，如阻雪环，平衡锤，抗冰雪环等。被动除冰法不受杆塔高度的影响，不需额外的能量，成本低廉。

四、防、除冰技术术发展方向建议

4.1、防冰技术发展方向建议

对于过电流密度法、短路电流法、铁磁法虽然已在输电线上得到了成功的应用，而且防冰效果显著，但是缺点也是很明显的：

（1）需要较高的能量消耗，一般需要1— 10kw/m2的功率；

（2）即使其效率达到100%，这种措施仅在覆冰初期或对局部导线产生有效防冰效果；

（3）使用成本高。

因此，除了在局部重覆冰线段采用外，这四种防覆冰技术目前仍未大面积推广应用，但是我们相信随着研究的深入，这四种方法会得到推广应用。

对于热气法、热力除冰器法、电磁波微波法、热吸收法这四种方法目前虽然在其它领域得到了应用，还能目前还未能应用于输电线路防冰，我们得得继续研究，争取把这几种方法应用于输电线路防冰。

对于涂料防冰法，虽然目前未见有成功用于防冰成功的报道，但实际上，在飞机、汽车、火车的防冰防雪上已有类似的涂料应用。此种方法在工程上简单易行，方便控制，成本较低，对使用效果有良好的预期前景，值得认真关注，也引起了研究者的广泛兴趣。

4.2 除冰技术发展方向建议

对于“ adhoe”方法、强力振动法这类技术固然能除掉冰块，但是效果非常有限，不能大范围的使用，甚至伤及导线和绝缘子，因此很少有人推荐使用。

对于热力除冰的各种方法是世界公用的最有效的除冰技术，但只是处于试验阶段，并没有应用于实际输电线路除冰，非常值得我们继续研究。

对于被动除冰中的各种方法中有些被动技术虽可加速导线覆冰的脱落，但它常常只在局部有效，并针对一定的冰型和在特殊条件下起作用，不能保证可靠除冰，所以一般不宜采用。

对于除冰新方法的各种方法，都还很不成熟，有待我们进一步研究，比如，激光除冰法已经被实验证明具有一定的除冰效果，其除冰效果和激光的能量密度有直接关系，然而在任何一个激光除冰实验中都不能除掉大面积的冰。而且在目前阶段，采用激光除冰在总费用上太高。

4.3输电工区线路除冰措施

对于上述除冰方法，本项目组参考大量文献后，建议电力公司输电工区采用滑轮铲刮法除冰，该方法是目前唯一得到实际应用的输电线路除冰的机械方法。

五、参考文献

[1] 蒋兴权.输电线路覆冰机理与防冰新技术研究.中国科学技术协会首届青年学术年会论文集，工科分册（上册）.北京：学技术出版社.1992:110～15

[25] 贵州省电力工业局，贵州省气象科学研究所编著.覆冰文集.贵州电力技术，1992.

[26] 云南省电力设计院，云南省气象科学研究所编著.云南高海拔地区电线覆冰研究.云南：云南科技出版社,1993

[27] 藤中林.电线结冰强度随高度变化.天气月报，1959

[28] 武汉高压研究所.输电线路导线除冰方法综合研究(第三集).高电压技术，1990，1

徐志勇（1983-）. 男，金华送变电工程有限公司员工.主要从事线路安装工作。