500 kV輸電線路冰閃故障及治理分析

李如凰

摘 要：覆冰冰閃事故是我國輸電線路建設(shè)中最常見的事故故障之一，它不但嚴(yán)重威脅了電力系統(tǒng)的安全常態(tài)運(yùn)行，也造成了不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。文章所針對的就是這種高壓直流輸電線路的主要故障，并基于某變電站500 kV輸電線路作為背景，探討了冰閃故障發(fā)生的原因、覆冰的狀態(tài)類型，并提出了直流融冰技術(shù)對冰閃故障的治理過程。

關(guān)鍵詞：冰閃故障；覆冰；500 kV輸電線路；直流融冰

中圖分類號(hào)：TM855 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）06-0078-02

冰閃故障是由于持續(xù)高幅值閃絡(luò)泄漏電流融化冰層所造成的，在此過程中閃絡(luò)頻率應(yīng)該與電壓梯度呈現(xiàn)正比關(guān)系，而且閃絡(luò)電壓也與覆冰水電導(dǎo)率、覆冰類型、冰量以及氣壓都有關(guān)系。而再看輸電線路的覆冰因素也涉及電路所處地形、地勢、氣候甚至季節(jié)等外界因素，因此冰閃故障的原理及發(fā)生狀況是相當(dāng)復(fù)雜的。

1 冰閃故障的起因解讀

冰閃故障與輸電線路上覆冰絕緣子的直流閃絡(luò)特性有關(guān)，這是因?yàn)榻?jīng)研究表明閃絡(luò)電壓可以與輸電線路覆冰絕緣子的覆冰水電導(dǎo)率、覆冰量、覆冰類型以及大氣氣壓聯(lián)系起來，而且由于直流閃絡(luò)的梯度偏短，就使得閃絡(luò)頻率與電壓梯度成正比關(guān)系，因此可以說閃絡(luò)就是由于持續(xù)高幅值電流對冰層融化所造成的。關(guān)于冰閃故障的起因，下文給出了若干種解讀。

1.1 輸電線路融冰橋接線短路

融冰橋的接線短路可以從兩方面來看，第一是由于輸電線路結(jié)冰形成天然放電通道，第二則是由于線路融冰形成放電通道。因?yàn)樵谌诒^程中出現(xiàn)水導(dǎo)致電導(dǎo)率升高，因此冰閃電壓就會(huì)呈現(xiàn)快速降低狀態(tài)。

1.2 污 染

輸電線路暴露在室外，經(jīng)歷各種氣候變化，難免受到污染。當(dāng)自然降水與絕緣子污穢相結(jié)合時(shí)，就會(huì)大幅度增加水與冰之間的電導(dǎo)率，最終導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)的發(fā)生。

1.3 絕緣子結(jié)構(gòu)

絕緣子結(jié)構(gòu)類型也能對閃絡(luò)發(fā)生產(chǎn)生影響。由于閃絡(luò)是形成于放電通道的，尤其是對目前我國比較常用的徑盤式瓷質(zhì)絕緣子或玻璃絕緣子而言，它們的結(jié)構(gòu)造型很容易形成冰雪融化或結(jié)冰時(shí)的橋接造型，它為冰閃閃絡(luò)提供了天然的放電通道[1]。

2 覆冰的狀態(tài)類型及其對冰閃的影響

覆冰是附著于超高壓直流輸電線路絕緣子串上的冰層，它主要被分為以下幾種類型。

2.1 雨 凇

雨凇還被叫做“凍雨”，因?yàn)樗羌s-2～3 ℃的過冷水構(gòu)成的，在與絕緣子直接接觸后就形成了覆冰。雨凇具有結(jié)冰密實(shí)度與透明度高的特點(diǎn)，它會(huì)為絕緣子串形成一層厚厚的“冰盔甲”，可以達(dá)到1 cm3/g的結(jié)冰量。曾有相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)顯示，雨凇所形成的覆冰可以造成低閃絡(luò)電壓，極易導(dǎo)致輸電線路由于閃絡(luò)而短路跳閘。我國在過去10年間由雨凇覆冰所導(dǎo)致的變電站輸電線路閃絡(luò)跳閘現(xiàn)象屢見不鮮，已經(jīng)成為了變電站發(fā)展進(jìn)程中的頑疾。

2.2 濕雪覆冰

如果在0 ℃以上的環(huán)境中下雪，當(dāng)雪花附著于絕緣子串上時(shí)就會(huì)融化，并沿絕緣子外部形成滴流現(xiàn)象。當(dāng)凌晨溫度下降到0 ℃以下時(shí)，滴流就會(huì)逐漸形成冰凌，這就是絕緣子的“橋接”。橋接可以為冰閃閃絡(luò)提供通道造成輸電線路跳閘。而當(dāng)日間溫度再次回升，冰凌融化，還會(huì)引起絕緣子串表面的電壓分布畸變現(xiàn)象，如此狀況下絕緣子性能就會(huì)嚴(yán)重下降，此時(shí)也會(huì)引起閃絡(luò)跳閘故障。

2.3 霧 凇

霧凇就是空氣中的水分子遇冷空氣凝結(jié)于絕緣子串上的霜結(jié)表現(xiàn)，它也是一種典型的覆冰現(xiàn)象，但這種覆冰的結(jié)冰密度相對較低，相比于雨凇覆冰厚度只有一半左右，而且不透明，是一種粉狀的覆冰現(xiàn)象，因此這種霧凇現(xiàn)象也多發(fā)于500公尺以上的高海拔地區(qū)。一般情況下由霧凇所引發(fā)的冰閃閃絡(luò)現(xiàn)象是很少見的，它的危害也遠(yuǎn)不如雨凇大[2]。

3 500 kV輸電線路冰山故障的治理方法——直流 融冰

3.1 直流融冰技術(shù)原理

直流融冰要通過相關(guān)裝置并從變電站系統(tǒng)中獲得交流電支援，將交流電能轉(zhuǎn)化為直流電能，并將直流電能輸入到待融化覆冰線路的導(dǎo)線之中。在直流電流的作用下，導(dǎo)線會(huì)發(fā)熱將輸電線路絕緣子串上的覆冰融化。直流融冰裝置可以按結(jié)構(gòu)分為兩類，帶整流變式與不帶整流變式。

3.2 直流融冰方法

直流融冰的方法操作是將輸電線路中的三相導(dǎo)線與三根直流覆冰融冰母線相接，通過裝置自動(dòng)切換實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線的融冰過程。本文提出了兩種直流融冰方法。

方法一：假設(shè)有A、B、C三根導(dǎo)線，將它們分3次完成覆冰融化，這其中融冰的回路電阻應(yīng)該為單相直流的2R電阻，融冰時(shí)間記為T/2。

方法二：同樣分3次完成三相導(dǎo)線融冰過程，但是將其中兩相導(dǎo)線并聯(lián)再接入到融冰電源的另一個(gè)輸出端。如此通過三相導(dǎo)線線路的自動(dòng)切換裝置功能就能分3次完成導(dǎo)線融冰過程?？傮w來說該方法就是兩相并聯(lián)后再與另一相串聯(lián)，它的融冰回路電阻可以達(dá)到1.5 ？贅。方法二的融冰時(shí)間相對方法一偏長為3/2 T，但是它也消耗了更高的電源容量（約高出30%）。

3.3 直流融冰裝置冰閃治理相關(guān)計(jì)算

在直流融冰裝置中，保險(xiǎn)電流與導(dǎo)線最大允許電流是決定它是否能夠穩(wěn)定治理冰閃的最關(guān)鍵參數(shù)。

在構(gòu)建輸電線路在覆冰狀態(tài)下的熱平衡模型之前，要首先計(jì)算輸電線路的不覆冰臨界負(fù)荷電流為：

式中，ic就表示了臨界負(fù)荷電流，而R表示導(dǎo)線半徑，v表示風(fēng)速，Ta表示環(huán)境溫度，w表示空氣中液態(tài)水的含量，ca表示覆冰融化后水滴與導(dǎo)線上的碰撞系數(shù)。在一定的氣象條件下，Ta、v以及w都應(yīng)該為已知條件。從上述公式可以看出，對輸電線路不覆冰的臨界負(fù)荷電流產(chǎn)生影響的因素還是很多的，而且它們都會(huì)隨著環(huán)境的變化而變化，尤其是風(fēng)速表現(xiàn)最為明顯。

直流融冰裝置所產(chǎn)生的導(dǎo)線融冰電流讓導(dǎo)線產(chǎn)生熱量主要可以分解為4個(gè)部分進(jìn)行分析。①它讓冰層溫度上升到融點(diǎn)；②使得冰層在融點(diǎn)作用下逐漸融化；③部分熱量損失于導(dǎo)線表明到冰層表面的熱傳遞過程中；④基于冰層表面的熱量散失，這里采用了布格道爾經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，Ir就是融冰電流，而A和R0是在0 ℃狀態(tài)下的導(dǎo)線電阻，Tr表示融冰時(shí)間，△t表示導(dǎo)體溫度與外界氣溫之差，g0表示冰的比重，它的取值通常為0.9，b表示覆冰冰層的厚度，而D表示導(dǎo)體覆冰后的外徑，RT0表示在等效冰層傳到熱阻下的具體溫度，V表示風(fēng)速。

以某500 kV輸電線路為例，它有A、B、C、D共4個(gè)變電站，它在經(jīng)歷雨凇時(shí)輸電線路導(dǎo)線的導(dǎo)熱系數(shù)為2.27x10-2，而在經(jīng)歷霧凇時(shí)輸電線路導(dǎo)線的導(dǎo)熱系數(shù)λ為0.12x10-2，此時(shí)就可以推導(dǎo)出兩種覆冰狀況下的直流融冰對導(dǎo)線輻射的等效熱阻應(yīng)該為：

在該500 kV輸電線路中，發(fā)現(xiàn)它的出現(xiàn)共有6回，依據(jù)上文所描述的直流融冰方法，測量該地當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度為-10 ℃，風(fēng)速為5 m/s，按照覆冰厚度為15 mm計(jì)算，則將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到公式中可計(jì)算得出它在融冰1小時(shí)時(shí)間內(nèi)的最小融冰電流。

直流融冰可以不拘束于線路的感抗影響，它比較適合于那些諸如500 kV或更高電壓等級(jí)，且跨度較長的架空輸電線路中[3]。

4 結(jié) 語

除直流融冰技術(shù)之外，治理冰閃故障的方法還有很多，例如采用具有防冰效果或防覆冰布置的絕緣子、為輸電線路設(shè)計(jì)抗冰方案、機(jī)械除冰等等。總體而言，高壓輸電線路的冰閃還是要從預(yù)防做起，在面對不同氣候狀態(tài)與突發(fā)情況，應(yīng)該采取不同的應(yīng)對方法，做到及時(shí)防護(hù)、及時(shí)治理，將冰閃故障給高壓輸電線路帶來的損失降到最低。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃觀學(xué).淺析輸電線路運(yùn)行故障分析與防治方法[J].時(shí)代報(bào)告，2012，（1）.