电力系统中线路覆冰分析与融冰技术

摘要：本文介绍了输电线路冰害特点及覆冰形成机理分析，重点介绍了美国在电脉冲除冰方面的研究情况及俄罗斯利用可控硅整流技术研制的融冰与无功静补双用途综合装置的情况。

关键词：输电线路；覆冰；融冰；技术；装置

中图分类号：TM855 文献标识码：A

2008年1月中旬全国各地普降大雪以来，南方数省输电线路遭遇前所未有的灾害。由于遭遇罕见覆冰，输电线路铁塔倒塌，线路严重受损断线，湖南、湖北、福建、广西等南方数省区的供电都大受影响，京广线交通也因为电路受损而受到严重阻碍。输电线路冬季因受冰雪危害引起的供电中断事故通常都是较严重的，其修复工作难度大，周期长，停电影响面积广，因此一直是全世界范围内需要解决的难点问题。各国的研究人员设计出不少方案，用以提前将导线上的积雪、覆冰去除，避免引起击穿、断线舞动等事故。目前常用的方法仍然是采用增加线路电流使之发热将冰雪融化防患于未然。另外，也有研究者提出了电脉冲除冰的方法，并做了许多试验工作，虽然最终未获成功，却也积累了许多宝贵经验。

冰害对电力系统来讲是个季节性危害，为除冰而配置的变电站设备，其使用也是季节性的；而且，即使是在冬季，除冰装置也不是一直在使用，而是短时使用。如果在非除冰时间将其闲置不用也是一种比较大的浪费，因而有些研究者提出的将加热融冰设备与无功静止补偿装置合二为一的方案，从技术经济比较上应具有较大优势，并且获得了一定的运行经验，是值得推广的。

1 输电线路覆冰分析

线路覆冰是受微气象、微地形及温度、湿度、冷暖空气对流、环流以及风等因素影响的综合物理现象。

1.1 线路覆冰形成机理

一般情况下，导线覆冰的基本过程是：当气温下降到－5～0℃，风速为3～15m/s时，如果遇到大雾或小雨，首先将在导线上形成雨凇；如果天气骤然变冷，气温下降，出现雨雪天气，冻雨和雪则在黏结强度很高的雨凇冰面上迅速增长，形成密度大于0.6g/cm3的较厚冰层；如果温度继续下降到－15～－8℃，原有冰层外则积覆雾凇。这种过程将导致导线表面形成雨凇-混合凇-雾凇的复合冰层。

输电线路导线表面产生覆冰，必须达到以下气象条件：①气温及导线表面温度达到

0℃以下；②空气相对湿度在85%以上；③风速大于1m/s。

在我国的绝大部分地区都有覆冰条件，且覆冰厚度可达3mm以上，因而都有可能发生覆冰故障。

1.2 输电线路冰害故障特点

覆冰对线路的危害有过负荷、覆冰舞动和脱冰跳跃、绝缘子冰闪，会造成塔杆变形、倒塔、导线断股、金具和绝缘子损坏、绝缘子闪络等事故。

过负载即线路覆冰后的实际重量超过设计值很多，从而导致架空输电线路机械和电气方面的事故。从负荷方面可分为垂直负荷、水平负荷、纵向负荷。

输电线路不仅承受其自重、覆冰等静荷载，而且还要承受风产生的动荷载。在一定条件下，覆冰导线受稳态横向风作用，可能引起大幅低频振动，即舞动。此外，导线脱冰跳跃也会使导线发生舞动，导线舞动是威胁输电线路安全运行的重要因素。

较大范围降雪导致的融冰雪、雾凇、雨凇和区域性的持续大雾，是一种特殊形式的污秽，易形成大范围的绝缘子冰闪故障。绝缘子串冰闪是220～500kV覆冰线路跳闸的主要原因。

2 电脉冲除冰的尝试

电脉冲除冰（Electro-Impulse De-Icing，简称EIDI）技术出现于第二次世界大战之前，其基本原理即是采用电容器组向线圈放电，由线圈产生强磁场，在置于线圈附近的导电板（即目标物）上产生一个幅值高、持续时间短的机械力，从而使冰破裂而脱落。此方法在飞机除冰方面有成功的经验，在此情况下，导电极即是飞机机翼或其它部位的铝质表面。当施加此脉冲时，电动力引起铝质表面轻微的收缩和扩张，使得附着在上面的冰滑落，从而达到除冰的目的。EIDI装置的电气原理如图1所示。

图1中的目标物可以是待除冰物体（比如飞机机翼），或者是铝板（此铝板与待除冰物体相连接），或者是另一个线圈（此线圈与待除冰物体相连）。对输电线路除冰，目标物可以是后两种形式。

美国堪萨斯州的Wichita州立大学提出的输电线路EIDI装置示意图如图2所示。

每根电线杆上安装1个EIDI单元，其中包括了贮能电容器，可控硅及相应的电子线路。每个柱上单元可以带6组EIDI执行器，每一个执行器包括脉冲线圈和目标物，目标物是与导线直接相连的线圈。贮能电容器及EIDI单元中其它部件直接由线路上的电流互感器或电压互感器供电。EIDI单元可以遥控，并且可以通过几种形式的冰探测器来自动控制其动作：当探测器给出指示覆冰情况的信号后，EIDI单元动作，向执行器中的脉冲线圈发出脉冲电流，执行器由此获得的冲击力将使冰雪从导线脱落。在对所设计的EIDI装置进行改进并用于实际线路除冰之前，研究者成功地将一段3m长，477MCM ACSR型导线上12.5mm厚的覆冰去除，说明此方法有可能在实际线路上取得成功。此试验中贮能电容器为600μF，充电电压为1.75kV，估算的冲击力约4.5kN，模拟线路档距张力约2kN。

但是，当将此装置（仍使用600μF，1.75kV）用于专门建设的100m长档距的试验线段上时，它仅能去除约3～5m长的一段上的覆冰，脉冲振动虽然能继续沿导线向档距中部传播，但空间陡度已不足以使覆冰脱落。试验中覆冰厚度从0～18mm变化，并不影响有效去除覆冰段的长度。将充电电压增加至2.2kV可以明显改善除冰能力，但由于此时导线运动过分剧烈，因此试验没有继续往下进行。

3 加热融冰技术――用于加热融冰与无功静补的双用途可控硅整流装置

目前技术上较成熟的高压输电线路自动除冰技术是采用增加导线中的电流，使之超过工作电流，引起导线发热，从而使附着在导线上的冰、雪、雾凇等融化脱落，达到去除它们的目的。加热融冰技术既可采用交流电流，也可采用直流电流。冰害较严重的前苏联自1972年开始使用二极管整流装置融冰，现在则采用可控硅整流装置。

可控硅技术发展到今天，建造融冰用的各种电压、电流可控整流装置已不成问题，主要还是对具体工程而言其技术经济比较上是否满足要求。考虑到融冰装置每年只工作有限的天数，在其余时间就可以将其整流部分用于其它的功能，比如其可控硅整流器用作无功静止补偿。这样，从综合的技术经济比较上采用可控硅整流融冰就是合算的了。

根据这种思路，俄罗斯直流研究院（НИИПТ）研制成功了两个电压等级的可控硅整流融冰装置：14kV（由11kV交流母线供电）和50kV（由38.5kV交流母线供电）。14kV装置的额定功率为14MW（型号ВУПГ-1000-14），50kV装置的额定功率为50MW（型号ВУПГ-1000-50）。50MW装置于1994年在变电站投运，用于一条315km长的110kV输电线路的除冰。

这种融冰装置包括1台型号为ТДТН-40000/40000/40000的三绕组（115/38.5/11.0kV）变压器、具有典型保护的高低压侧开关和刀闸、可控硅整流器ВУПГ-1000-50（包括控制系统、调节系统、保护系统、自动化系统、整流阀强迫空冷系统等）、连接110kV线路和融冰装置的母线及开关装置。

通过计算选定采用板状可控硅（型号Т153-630）。每个阀包含40个串联的单元（预留10裕度），每个单元都具有分压和阻尼回路、控制脉冲形成回路和可控硅阳极保护回路，可控硅的控制采用电缆――变压器系统。

整流器置于配电装置区专门的小间内，此小间的墙壁为发泡聚胺酯制作，其中安装有三相交流和直流正、负极绝缘子（套管）。循环冷却空气由位于零电位的风扇供给。为了保证在长期闲置后的安全投运，专门设计了空气加热器，用于对可控硅阀的元件进行预热干燥。

可控硅整流融冰装置工作时要在电网中产生电流和电压谐波，应该在交、直流两侧安装滤波器。考虑到滤波装置造价较高，用户同意不安装滤波器装置。

实践中采用的融冰方式为：退出运行的线路，其中一相导线接正极（或负极），另外两相导线并联接负极（或正极）。融冰时间为（包括开关倒闸操作时间在内）2～2.5h。

在上述融冰装置的基础上，很容易通过增加一些元件构成无功静止补偿装置，从而提高整个装置的综合技术经济性能。这种组合装置是在可控硅整流融冰装置的基础上增加了L-C滤波支路、电抗器和无功调整结点。

4 防冻融冰存在的问题及分析

输电线路的融冰操作性质属于事故处理。值班调度员临时拟写操作指令票，安排电网运行方式，临时将输电线路上的用户转移到其他线路上供电，操作任务多且很复杂，往往一条输电线路融完冰要几个小时到十几个小时，如果这期间线路不堪重负发生倒杆断线，则将前功尽弃，严重影响电网安全和停止广大用户的供电。融冰准备的仓促性、操作的复杂性、耗时的长期性、供电的可靠性等等这些问题直接制约着输电线路的融冰工作。如果能有效提高融冰操作时间，那以上的威胁就大大减少了。

我国最常用的是人工除冰方法。输电线路覆冰最严重的区段一般只是一条线路中的几档或十几档，最长也只有几十公里至100公里左右，所以用木棍、竹竿等最原始的工具对最严重的覆冰线路段进行敲击，就可除去线路上的覆冰。另一种方法是利用起重机、绝缘作业工具车或带电直接作业方式除冰。由人力在地面操作拉动滑轮在线路上滑动来铲除线路覆冰的方法，在我国并不经常采用。

此外，还有热力融冰技术、过电流融冰技术、短路融冰技术等。短路融冰技术包括不带负荷的三相短路融冰技术、导线对导线两相短路融冰技术、导线对地线单相短路融冰技术，以及传统的带负荷融冰技术、利用介质损耗除冰技术、利用短路电磁力除冰技术等。其中利用短路电磁力除冰技术对电力系统的稳定性有较大影响，不适用于超高压输电线路；不带负荷短路加热导线融冰方法最为完善，在我国应用较为广泛；传统的带负荷融冰方法只适用于局部覆冰严重地段的线路，对大面积覆冰地区线路的融冰或较长线路的全线融冰还做不到；利用介质损耗除冰技术，把电介质加热和趋肤效应加热结合起来，可以均匀除冰，能耗较低，移动灵活方便，但有待于解决电磁干扰问题。

5 结束语

输电线路覆冰故障严重威胁着电力系统的安全可靠运行。为防止线路发生覆冰故障，首先在设计输电线路阶段采用合适抗冰设计设施；在设计阶段无法做到有效抗冰时，应该考虑采用合适的防冰和除冰技术设施。

参考文献

[1]蒋兴良，张丽华.输电线路除冰防冰技术综述[J].高电压技术，1997，（1）.

[2]刘和云.架空导线覆冰防冰的理论与应用[M].北京：中国铁道出版社，2001.

[3]乔义禄.电力线路技术手册[M].北京：兵器工业出版社，1991.