输电线路融冰技术

输电线路融冰技术
输电线路上覆冰种类较多，有雨淞、雾淞、混合淞、湿雪、冻雨覆冰和冻雾覆冰等，影响导线覆冰的主要的气象因素有气温、空气湿度和风。

一般来说最易覆冰的温度为-8～0℃。

若气温太低，比如在-20～-15℃或更低时，水滴将变成雪花而不易于形成覆冰。

当有了足够冻结的温度后，覆冰的形成还必须有较高的空气湿度，一般要求空气湿度达到90％以上。

如果是凝结在电线上，就使电线覆冰。

这就是电线覆冰。

根据冰害事故类型分析, 覆冰事故可归纳为以下四类：
（1）线路覆冰的过载事故
即导线覆冰超过设计抗冰厚度(覆冰后质量、风压面积增加)而导致的事故。

机械方面，包括金具损坏、导线断股、杆塔损折、绝缘子串翻转及撞裂等；电气事故则是指覆冰使线路弧垂增大，从而造成闪络，威胁人身安全。

2008 年初，湖南处于海拔 180-350 m 之间的电网设施出现严重覆冰现象，先后有岗云、复沙和五民 3 条 500 kV 线路出现倒塔事故，共倒塔 24 基，变形 3基。

（2）不均匀覆冰或不同期脱冰事故
对于导线和地线来说, 相邻档不均匀覆冰或不同期脱冰都会产生张力差, 使导线在线夹内滑动, 严重时将使导线外层铝股在线夹出口处全断、钢芯抽动, 造成线夹另一侧的铝股发生颈缩, 拥挤在线夹附近,长达1～20m ( 悬垂线夹和耐张线夹均有此类情况发生) 。

不均匀覆冰的张力差是静荷载, 而不同期脱冰属动荷载, 这是二者的不同之处。

其次, 因邻档张力不同, 直线杆塔承受张力差, 使绝缘子串产生较大的偏移, 碰撞横担, 造成绝缘子损伤或破裂。

再次, 当张力差达到一定程度后, 会使横担转动, 导线碰撞拉线, 电气间隙减小, 使拉线烧断造成倒杆。

（3）绝缘子串冰凌闪络事故
覆冰是一种特殊形式的污秽, 其放电过程也是由表面泄漏电流引起的。

绝缘子覆冰或被冰凌桥接后, 绝缘强度降低, 泄漏距离缩短。

融冰时, 绝缘子表面将形成导电水膜, 绝缘子局部表面电阻降低, 形成闪络。

闪络发展过程中持续电弧烧伤绝缘子, 引起绝缘子绝缘强度降低。

（4）覆冰导线舞动
导线覆冰不均匀形成所谓新月形、扇形、D形等不规则形状。

当风速在4～20m/s, 且风向与线路走向的夹角≥45°时, 导线便有了比较好的空气动力性
能, 在风的激励下诱发舞动。

轻者发生闪络、跳闸, 重者发生金具及绝缘子损坏, 导线断股、断线, 杆塔螺栓松动, 甚至倒塔、导致重大电网事故。

一方面使问题变得简单，研究有所侧重。

根据戴维宁定理可知，任何一个复杂的电力系统，都以可通过等值计算，转化成一个简单的输电系统。

另一方面，可以使计算变得简单，易于理解。

如图1所示的简单电力系统，输电线L1和L2均采用LGJ-300型号的导线。

经查该导线的电阻为R=0.105Ω/km,X=0.4Ω/km;根据河南的气候特点，一月份平均气温在-2°C左右，气温维持在-7～-1 °C左右。

导线正常运行的温度是70°C左右。

图1 输电线路简化图基本参数的计算：
（1）等值电路：
图2 输电线路等值电路图
输电线路及导线覆冰模型架空线路模型建立：如图3所示
图3 架空线路模型
导线的覆冰模型如图4所示
图4 覆冰输电线等值电路
融冰数学模型
图5除冰模型方框图
热力融冰技术分析
潮流融冰
改变潮流分配融冰主要依靠科学调度，提前改变电网潮流分配，使线路电流达到临界融冰电流以上以防止覆冰，这是工程应用中针对输电线路最方便、有效、使用地除冰方法。

相同条件下，重负载线路覆冰较轻或不覆冰 ,轻载线路覆冰较重 ,而避雷线与架空地线相对于导线覆冰更多 ,这一现象与导线通过电流时的焦耳效应有关 ,当负荷电流足够大时 ,导线自身的温度超过冰点 ,则落在导体表面的雨雪就不会结冰。

通过对导线在通流情况下的覆冰过程进行有效的传热分析可得覆冰气象条件下导线不覆冰的临界负荷电流 Ic 为:
工作原理：变电站内设在线除冰装臵 (以移相变压器为基础 )，覆冰发生后，选定目标线路进行除冰作业时:
(1) ONDI中移相变压器偏角设为0；
(2)闭合开关C1B、C2B,打开CB3和CB4, 使装臵与右边的线路串联;
(3) 调节偏角，直至线路上的电流达到要求。

目标线路上的电流包括负载电流和调度电流。

在融冰过程中，其余线路1、2、3都能保持继续运行。

通过改变几个开关过程，就能达到除冰的目的，方法简单实用，对操作人员比较易懂易学。

短路融冰
三相短路融冰是指将线路的一端三相短路，另一端供给融冰电源，用较低电压提供较大短电路电流加热导线的方法使导线上的覆冰融化。

人为地将两相或三相短路，形成短路电流（控制在导线热稳定允许最大电流之内）加热导线来达到
融冰的目的。

短路电流只要满足Ic Ik Im，（其中Ic为融冰临界电流， Ik为短路电流，Im为线路最大允许电流），就可以达到融冰效果。

直流融冰
由于500kV线路采用分裂导线，线路的分布电容很大，而直流电阻只有交流阻抗的10%左右。

交流短路融冰方式，融冰电源需要提供很大的无功功率用于线路的充电，作用于线路发热的部分很少，而直流没有这种情况。

因此要得到相同的融冰功率，采用直流融冰方式所需的容量要小得多。

经过实践研究可知，对于500kV及以上系统，采用直流融冰是很值得考虑的方案。

电脉冲除冰
电磁脉冲除冰是利用电容器冲击放电和电流通过线圈产生脉冲磁场，从而在导线中产生涡流，涡流的磁场与线圈磁场产生斥力使导线产生扩张，脉冲消失后导线收缩到原状态，反复的扩张和收缩使导线表面的覆冰胀裂掉落。

滑轮刮铲除冰
滑轮辗压铲刮法（icing rolling）已在加拿大的Manitoba 使用了50 多年，是目前唯一可行的输电线路除冰的机械方法。

它由滑轮、牵引绳及涂漆的胶合板或环氧树脂板等器件构成，加在滑轮上的力要足够让导线产生弯曲，这样，产生的应力才能使冰破裂，脱落。

但拉扯时注意不要损伤线缆、避雷线和绝缘子。

滑轮铲刮法的最大优点是效果不错，且不需要特别的设备和专家，简便易操作，耗能小，价格低廉，较为实用，但它也有缺点，那就是费时，安全性能不完善，且受地形限制。

据统计，要对一公里长导线进行滚压除冰约需1-2h。

低居里点材料除冰
对于经常出现的覆冰的线路，其导线可以采用特殊的材料。

利用的是一些合金材料在低温或低磁场强度时磁滞和涡流现象明显、发热量增大的物理特性。

Fe-Ni-Cr-Si四合金材料制成的导线已经在英国等国家和地区应用。

但在夏秋季节 ,导线没有覆冰现象 ,低居里点的材料产生大量能耗。

化学涂料防冰
即在导线表面涂上有较高的热传导性 ,且具有较低的表面张力的憎水憎冰性涂料 ,降低冰和导线之间的附着力 ,使覆冰容易脱落。

但直到目前 ,世界上还没有一种可以阻止冰形成的材料 ,现有的涂料都会随时间逐渐失去效力 ,需要在每次冰雪来之前重新涂刷，而且最好的憎冰涂料对冰的黏合力仍是冰与冰结合力
的 20～40倍。

现有的防冰涂料并不能从根本上防止冰的形成，而只有在足够的辐射下才能生效，在气温低，水雾呈过冷却的情况下，防冰效果较差。

自然除冰法
自然除冰法不能阻止冰的形成，但有助于限制冰灾。

例如：Admirat、Yasui 等人使用的平衡锤技术可防止导线旋转；Goia 和Chirita 采用的在给定过负载条件下允许导线升降技术可减小倒杆塔的几率或防止倒杆塔事故发生，并有助于确保冰灾事故后线路迅速恢复送电。

在导线上安装阻雪环、平衡锤等装臵的自然除冰
法，可在导线上安阻雪环，平衡锤使导线上的覆冰堆积到一定程度时，依靠风力、地球引力、辐射以及温度突变等作用自行脱落。

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，不能保证可靠除冰，具有一定的偶然性。

用高频高压激励除冰
Charles R S等提出了用8k~200 kHz的高频激励融冰的方法。

机理是高频时冰是一种有损耗电介质，能直接引起发热，且集肤效应导致电流只在导体表面很浅范围内流通，造成电阻损耗发热。

试验表明33 kV、100 kHz的电压可以为
1 000 km的线路有效融冰。