输电线路除冰技术的研究

第10卷第3期 防 灾 科 技 学 院 学 报 V ol.10 No.3
2008年9月 J.of Institute of Disaster-Prevention Science and Technology Sep. 2008
收稿日期：2008-4-28
作者简介：李 宁（1985-），男，硕士研究生，主要从事高电压技术方面的研究。

基金项目：湖南省自然科学基金项目（07JJ3101），湖南省科技计划项目（2007FJ3008）。

输电线路除冰技术的研究
李 宁，周羽生，邝江华，彭 琢
（长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙 410076）
摘 要：目前，如何对覆冰输电线路进行融冰、除冰以降低冰灾损失仍是世界性的技术难题，通常的融冰措施可分为热融冰、机械除冰及自然脱冰。

该文分别简要阐述了这三类措施，并对每一类方法中具有代表性的或较新颖的融冰方法进行了介绍，同时分析了各方案的利弊及应用范围，并介绍了国际上在此领域的一些新的研究成果。

关键词：输电线路；除冰措施；融冰机理
中图分类号：TM755 文献标识码：A 文章编号：1673-8047(2008) 03-0033-05
Research on De-icing Methods for Transmission Lines
Li Ning,Zhou Yusheng,Kuang Jianghua,Peng Zhuo
(College of Electrical Engineering and Information,
Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076, China)
Abstract: At present, how to melt the icing transmission lines to reduce the losses is still a worldwide technical problem. Common melting ice methods can be divided into three kinds: ice-melting, mechanical de-icing and natural de-icing. This paper describes each of these measures briefly, and introduces a typical and advanced method of each kind. At the same time, the advantages and disadvantages of various measures and their applications are analyzed. In addition, some of the new research results in this field have been introduced. Keywords: transmission lines; de-icing; melting mechanism
前言
电网输电线路覆冰是一种分布广泛的自然现
象，每年冬天，在山区及高寒山区，地形复杂，气候多变，在个别特殊地段形成的微地形、微气象点，因严重覆冰及大风而造成的输电线路倒杆、断线事故很多，对电力系统的安全运行构成了严重的威胁。

我国最早有记录的输电线路冰害事故出现于1954年。

2008年元月，我国南方地区遭受了50多年来最大的一次冰灾事故，据报道截至2008年2月4日，湖南省500kv 线路停运14条，220kv 线路停运56条，110kv 线路停运139条。

全省最大可供电力负荷仅为475万千瓦，其中湖南郴州成为电力 孤岛，全城停水停电达12天，给人民生活、生产
和国民经济运行构成极大的威胁。

覆冰现象对电网输电线路的危害主要体现在四个方面：过负载事故；不均匀覆冰或不同期脱冰引起的机械和电气方面的事故；绝缘子串覆冰过多或被冰凌桥接，绝缘子串电气性能降低；不均匀覆冰引起的导线舞动事故。

目前国内外除冰方法有30余种，大致可分为热力除冰法、机械除冰法和自然脱冰法三类[1-6]。

2 热力除冰方法
forte 列举了4种关于输电线路的热力 除冰方法，如表1所示：
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表1 热力融冰方法
在表1中所列的四种针对导线所采用的热力除冰方法中，前两种是利用焦耳效应加热导线使之融冰，如湖南电网使用短路电流融冰，用较低电压提供较大短路电流加热导线的方法使导线的冰融化，取得了不错的效果；带负荷融冰法所采用的是通过改变线路的潮流分配从而增大目标线路上的负荷电流，因为焦耳效应使导线自身的温度达到冰点以上，这样落在导体表明的雨雪就不会结冰。

此种方法曾被宝鸡电力局所采用。

另两种则是靠电阻性伴线或铁磁线中有交流电产生的边际电流进行的间接加热，目前应用较多的是低居里铁磁材料，这种材料在温度<0o C时，磁滞损耗大，发热可阻止积覆冰雪或融冰；当温度>0o C时，不需要融冰，损耗很小。

低居里热敏防冰套筒和低居里磁热线已投入工程实用。

在上述四种方法中，短路电流法是目前技术上较成熟的融冰方法，融冰电流既可采用交流电流，也可采用直流电流。

鉴于直流电流在融冰时的众多优点，前苏联于1972年开始使用二极管整流装置融冰，俄罗斯直流研究所(HHHflT)在此基础上，用可控硅整流装置代替了落后的二极管整流装置，而且，此装置在融冰以外的时间还承担了部分向输电线路进行无功静止补偿的任务，大大提高了设备的效率，具有良好的经济性与实用性。

俄罗斯直流研究院研制成功了2个电压等级的可控硅整流融冰装置：14kV(由11kV交流母线供电，额定功率为14MW)和50kV(由38.5kV交流母线供电，额定功率为50MW)。

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台型号为的三绕组的(115/38.5/l1.0kV)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(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T153一630)，可控硅单元如图1所示。

图1 BYПT-1000-50型可控硅单元电气接线
1-T-153-630型可控硅；2-分压与阻尼回路；
3，4-限流电抗器；5-雪崩保护；6，7-阳极保护元件；
8-控制脉冲形成回路；9-控制变压器
整流器工作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)。

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，可按用户要求选择是否安装。

实践中采用的融冰方式为：退出运行的线路，其中一相接正极(或负极)，另外二相并联接负极(或正极)。

融冰时间(包括开关倒闸操作时间在内)为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。

文献[4]介绍的这种组合装置便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
序号 方法名称 应用范围 阶段 冰类型 除冰效果使用情况 价 格
1 带负荷融冰 导线和电缆使用中各类冰 有限 已采用 中等
2 短路电流法 导线和电缆使用中各类冰 全部 已采用 高
3 电阻丝伴随加热 导线和电缆使用中各类冰 全部 已采用 中等
4 铁磁线 仅对电缆 使用中各类冰 有限 已采用 高
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器和无功调整结点(见图2)。

整个装置的无功取自滤波装置的电容器组，而带有电感线圈的整流桥则是可调整的无功负载。

滤波装置的支路接成星形并连接到整流桥的入口。

每相滤波器由5条谐波支路组成。

通过调节可控硅阀导通角a 获得不同的直流电流分量d I ，当d I 在0～995A 内变化时，无功功率从-5.4Mvar 变化到28.0Mvar 。

俄罗斯将可控硅整流装置用于110kV 输电线路融冰取得成功，在此基础上又增加了无功静补的功能，应该说这项研究成果在技术经济比较上具有综合优势。

3 机械除冰法
利用各种机械动力使冰产生应力破坏从导线出现于第二次世界大战前，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，使冰破裂而脱落。

此方法在飞机除冰方面曾有成功的经验。

EIDI 装置的电气原理如图3所示：
图3 EIDI 装置电气原理
实际运行中，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个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
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他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:当探测器给出指示除冰情况的信号后，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，477MCMACSR型导线上的覆冰去除。

但是，当将此装置用于专门建设的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O～18mm变化，并不影响有效去除覆冰段的长度。

将充电电压加至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。

研究者们停止了他们的研究工作，一方面是因为技术上还不成熟，试验没有达到预期的目的，另一方面是考虑到每根杆上都装设EIDI设备，费用过高。

不过此技术的优点也是明显的，主要是没有运动部件，安全可靠。

4 自然脱冰方法
自然脱冰方法是不需要外界供给能量而靠自然力除冰防冰的方法。

刷涂吸热涂料利用太阳能除冰只在有足够辐射时才有效，但它难于应用到高压线上，因为在夏天它会增加导线的温度，但也许可以用于地线上。

在导线表面涂憎水性材料以达到防冰目的已引起广泛兴趣，憎水性涂料虽有好的憎水性能，但对覆冰的影响不明显，然而它可以显著的降低与导线表面之间的粘附力。

在导线上安装阻雪环、平衡锤等装置，可在导线上安装阻雪环，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。

法国电力公司及河南南阳电业局曾使用过平衡重量防冰球，具有一定效果。

日本电力系统因受雪灾影响比较严重，因此对防雪环的脱冰机理进行了比较深入的研究与实验，认为规则间隔环与防冰重球联合使用时效果较好。

表3 自然脱冰方法
序号 方法名称 应用范围 应用阶段 冰型 除冰效率 应用情况及条件 价格
1 平衡重量 导线 运行中 自然融冰 积冰减少 已采用 低
2 可动线夹 导线 运行中 自然融冰 防止 已采用 低
3 除冰环 导线 运行中 湿雪 有限 已采用 低
4 风力脱冰 导线 运行中 雾凇 非常有限 已采用 低
5 吸热器 太阳能板 样机 各类冰 冰雹后 电缆，杆塔有潜力 低
6 憎水性涂料 除冰板 运行中 湿雪 有限 电缆，杆塔有潜力 中等
5 其他除冰方法
除上述方法外，电子冻结、电晕放电和碰撞前颗粒冻结、加热、用高频波激励在60kHz到100kHz 范围内融冰等方法也正在国内外研究。

其中，高频高压激励法是发展较快的一种。

高频高压激励除冰技术研究[7-9]。

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33kV、100kHz的电压可以为1000km的线路有效融冰。

当将冰作为有损耗电介质时，覆冰输电线路的等值电路如图4所示[10]。

图4 覆冰输电线等值电路
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在输电线路上施加高频电源将产生驻波，冰的介质损耗热效应和导线的集肤效应引起的电阻热效应都是不均匀的，电压波腹处介质损耗热效应最强，电流波腹处由集肤效应引起的发热最强，如果使它们以互补的方式出现，且大小比例适当，在整个线路的合成热效应将是均匀的。

两个热效应的比值受导体类型、几何结构和覆冰厚度等诸多因素的影响。

当频率为12kHz时，由介质损耗特性就能产生足够的热能，随着频率的增加，产生足够损耗所需的电压下降，较好的运行频率范围是20-150kHz，但由于高频电磁波干扰，在很多国家受限制。

在可能发生大面积停电事故的紧急状况下，融冰可能比电磁干扰重要，否则可以使用不在管制范围内的较低的频率，如8kHz，但此时介质损耗和集肤效应很难取得平衡，可以通过移动电源激励点而使驻波移动的方法来改善[11]。

由于不能直接在地线上施加高压激励，且地线直径较小使两种热效应都加强，可以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。

覆冰较薄的地方的电晕放电会削弱高频波的传播，阻止功率到达和有效的融解覆冰较厚区域的冰，可以通过调制电压波形或增加频率解决该问题。

6 结论
导线覆冰为一热力学及流体力学问题，影响因素很多，重点应研究覆冰机理、舞动机理，建立更准确的模型及开发更有效节能的防、除冰技术及装置。

目前应用得较为广泛的是热力除冰与机械除冰两类方法，而其中又以热力除冰法效果更佳。

自然除冰法虽然效果欠佳，但具有设备投资少，简单易行等特点，在线路覆冰初期仍起到一定效果。

同时，各国科研人员从未停止继续研究，各种基于不同原理的新型除冰方法和装置层出不穷。

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