輸電線路融冰過程的仿真分析

岳永剛,段長君,韓高飛

（內(nèi)蒙古超高壓供電局，呼和浩特 010080）

0 引言

近幾年，由于異常氣候的影響，我國東南和西南地區(qū)出現(xiàn)了大面積冰雪災(zāi)害。受冰雪天氣影響，大量500kV線路的受損，如安徽、浙江、福建等省都出現(xiàn)了500kV線路倒塔事件，自2008年1月15日桐鳳5419線發(fā)現(xiàn)覆冰倒塔開始，浙江500kV交流輸電線路共停役23條，其中共有167基桿塔發(fā)生倒塔，28基受損。有4條500kV線路自2008年1月15～19日共發(fā)生冰閃跳閘23次，冰閃均發(fā)生在玻璃絕緣子串上[1-3]。

融冰機(jī)理研究作為覆冰災(zāi)害體系的一個(gè)重要組成部分，對(duì)構(gòu)建防冰減災(zāi)體系、及早采取措施、防患于未然。電流融冰效果的估算難度很大，取決于線路參數(shù)、覆冰參數(shù)、外部環(huán)境等多種因素，涉及復(fù)雜的熱力學(xué)過程，對(duì)于500kV輸電線路融冰的經(jīng)驗(yàn)則更少，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行有目的專題研究。

1 輸電線路融冰的基本方案

在大范圍惡劣天氣的作用下，即使采用了多種防冰措施往往也難以避免出現(xiàn)覆冰情況。對(duì)于運(yùn)行線路當(dāng)覆冰情況發(fā)展到比較嚴(yán)重的情況時(shí)，需要采取除冰措施。目前已經(jīng)提出的除冰方法有很多，總體上可以分為熱力融冰、機(jī)械除冰和被動(dòng)除冰三大類方法[4-5]。

根據(jù)研究分析的結(jié)果，機(jī)械除冰法使用的范圍小，且具有一定危險(xiǎn)性，被動(dòng)除冰的方法效率較低，在實(shí)際運(yùn)用中除冰效果不明顯。所以，目前國內(nèi)外線路除冰方面應(yīng)用比較廣泛的主要是熱力融冰方法。而熱力融冰的具體方案也有很多，如過電流密度、短路融冰、熱吸收裝置，鐵磁材料線等，其中最簡單、有效且易于實(shí)施的是依靠電流發(fā)熱的方法。

電流發(fā)熱融冰方法中又包括交流融冰和直流融冰兩種方案，交流融冰又分為短路融冰和轉(zhuǎn)移負(fù)荷融冰的方案。依靠電流發(fā)熱融冰的技術(shù)各有優(yōu)劣，在國內(nèi)、外的電力系統(tǒng)中均有成功試使用的案例，首先需要對(duì)這些方案的應(yīng)用可行性及效果進(jìn)行分析。

1.1 交流融冰的技術(shù)方案

（1）轉(zhuǎn)移負(fù)荷融冰

通過調(diào)整系統(tǒng)方式，是覆冰區(qū)域的輸電線路的負(fù)荷電流加大，以確保線路不結(jié)冰或線路上的覆冰融化，稱為轉(zhuǎn)移負(fù)荷融冰。這種融冰方式的思路是在確保線路處于運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行融冰，在我國的陜西和湖南兩省曾有實(shí)踐。陜西省將此技術(shù)應(yīng)用于跨越秦嶺的兩條110kV輸電線路上，該線路是電氣化鐵路的專供線，每年都會(huì)發(fā)生較為嚴(yán)重的覆冰，利用專門設(shè)計(jì)的開關(guān)回路，可以實(shí)現(xiàn)利用負(fù)荷電流融冰，并一直使用至今。湖南省也曾對(duì)35kV和110kV的線路進(jìn)行過類似試驗(yàn)。

雖然轉(zhuǎn)移負(fù)荷融冰的技術(shù)方案有其優(yōu)勢，但是受到的限制也很多，如對(duì)于220kV及以上線路，需要融冰電流較大轉(zhuǎn)移負(fù)荷比較困難；實(shí)踐成功的轉(zhuǎn)移負(fù)荷融冰技術(shù)需要專門的開關(guān)回路和特殊的導(dǎo)線設(shè)計(jì)，目前的輸電線路不可能直接應(yīng)用；轉(zhuǎn)移負(fù)荷融冰會(huì)給電網(wǎng)穩(wěn)定造成較大威脅。

可見，轉(zhuǎn)移負(fù)荷融冰僅陷于一些特殊的情況下進(jìn)行，無法在電網(wǎng)中大范圍推廣進(jìn)行。

1.2 短路融冰

短路融冰的基本技術(shù)方案是將輸電線路的導(dǎo)線短路，并利用專用裝置使導(dǎo)線上產(chǎn)生較大電流進(jìn)行融冰的技術(shù)方案。該方案最早于1954年在湖南省的兩條跨江線路上應(yīng)用，取得了成功并沿用至今，基本的融冰方式有兩種，一種的發(fā)電機(jī)零起升壓，另一種是沖擊合閘方式，如圖1所示。

在融冰操作需要根據(jù)現(xiàn)場氣象條件確定融冰電流，進(jìn)而根據(jù)不同融冰方式確定與融冰操作配合的一次、二次方案。

短路電流融冰技術(shù)雖然取得了一定的成功經(jīng)驗(yàn)，但是這種技術(shù)自身也存在著一些不利因素，第一，短路融冰時(shí)需將包括融冰線路在內(nèi)的所有融冰回路中架空輸電線停下來；第二，融冰電源采取零起升壓和沖擊合閘兩種方式中，零起升壓對(duì)系統(tǒng)影響不是很大，但應(yīng)用的范圍有局限，而沖擊合閘在系統(tǒng)電壓較低、無功備用不足情形下，就有可能造成系統(tǒng)穩(wěn)定破壞事故；第三，三相短路融冰需要耗費(fèi)巨大電量不僅在經(jīng)濟(jì)上造成損失，同時(shí)在冬季負(fù)荷高峰期間很難有冗余的電源用來融冰；第四，融冰時(shí)需要多個(gè)部門通力配合，線路沿線要有人員實(shí)時(shí)監(jiān)視，確保線路狀態(tài)，融冰準(zhǔn)備時(shí)間較長，無法應(yīng)對(duì)大范圍的覆冰情況；第五，短路融冰需要巨大的電流通過導(dǎo)線，由于500kV導(dǎo)線截面大，融冰電源難于選取，因而無法應(yīng)用該技術(shù)。

1.3 直流融冰的技術(shù)方案

受險(xiǎn)于交流輸電系統(tǒng)自身的容量，500kV及以上交流輸電線路的的導(dǎo)線無法實(shí)現(xiàn)交流融冰，所以可以考慮應(yīng)用直流融冰技術(shù)。

直流融冰裝置可以分為移動(dòng)式和固定式兩種類型，移動(dòng)式直流融冰裝置一般應(yīng)用于較短線路，這類裝置一般由發(fā)電車或系統(tǒng)電源經(jīng)整流裝置后帶線路融冰，可實(shí)現(xiàn)零起升流，在融冰的過程中隨時(shí)監(jiān)視線路的脫冰情況。固定式直流融冰裝置，一般安裝在出線集中的樞紐變電站，一般容量較大，價(jià)格昂貴，不進(jìn)行融冰操作時(shí)，可考慮設(shè)計(jì)為動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置（SVC），融冰時(shí)進(jìn)行功能切換。

目前國外已經(jīng)研究了基于HVDC技術(shù)的融冰整流裝置，加拿大魁北克水電局與AREVA公司合作開發(fā)了250MW直流融冰裝置，該裝置在通常條件下可以作為SVC使用，充分提高了使用率，可用于735kV特高壓線路的融冰操作，直流融冰工作時(shí)可以輸出電流7200A，狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間1小時(shí)，直流電壓17.4kV，瞬時(shí)過負(fù)荷300MW（1.5小時(shí)），過負(fù)荷電壓20.8kV。

我國在2008年冰災(zāi)后開始直流融冰技術(shù)的研究，目前湖南、浙江等省已經(jīng)研制成功了應(yīng)用于500kV交流線路的固定式和移動(dòng)式直流融冰裝置，并已經(jīng)開始試運(yùn)行。

2 輸電線路融冰的物理模型

研究輸電線路融冰物理模型的主要目的有兩個(gè)，一個(gè)是確定輸電線路的最小不結(jié)冰電流，也就是俗稱的“保線電流”；另一個(gè)是確定不同氣象條件，不同需求情況下，實(shí)現(xiàn)線路融冰的最小電流。這兩個(gè)方面是類似的熱力學(xué)平衡問題，卻有不同的熱平衡條件，通過對(duì)融冰時(shí)物理過程的研究，就能夠?yàn)檩旊娋€路在覆冰季節(jié)的安全運(yùn)行和融冰操作提供必要的支持[6-7]。

2.1 導(dǎo)線融冰時(shí)的傳熱模型

導(dǎo)線融冰的過程是一個(gè)較為復(fù)雜的傳熱過程，很難用準(zhǔn)確的理論模型進(jìn)行描述，但是可以依賴有限元工具，對(duì)其過程進(jìn)行數(shù)值仿真，如圖2所示為架空導(dǎo)線在進(jìn)行融冰時(shí)的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2中給出了融冰過程中的架空線斷面結(jié)構(gòu)，可以想象最外層為冰層、導(dǎo)線附近為融化層，內(nèi)部為發(fā)熱的導(dǎo)線。進(jìn)行導(dǎo)線融冰時(shí)，環(huán)境溫度較低，冰層本身的熱導(dǎo)率不大（一般為2.3W/m×℃），因此具有一定的保溫作用；當(dāng)導(dǎo)線溫度升高時(shí)，導(dǎo)線表面附近的冰會(huì)融化，形成冰水混合狀態(tài)，根據(jù)融解的物理原理，冰融解時(shí)會(huì)大量吸熱而混合物的溫度保持為恒定值0℃；導(dǎo)線的為發(fā)熱源，其溫度與加熱功率散熱條件共同決定，由于導(dǎo)線外部包裹著冰所以導(dǎo)線電阻損耗產(chǎn)生的熱量均作用于融化過程，所以表面溫度附近的溫度較低。

圖2 導(dǎo)線融冰時(shí)的斷面結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 導(dǎo)線融冰的過程模擬

（1）均勻覆冰條件下的導(dǎo)線融冰模擬

根據(jù)上述物理過程，可以對(duì)LGJ-400/50型單根架空線覆冰20mm以上的條件下的融冰過程進(jìn)行模擬，設(shè)置環(huán)境溫度-5℃，外界風(fēng)速考慮為5m/s，如圖3所示為單根子導(dǎo)線施加500A時(shí)的情況。

圖3 單根子導(dǎo)線施加500A融冰時(shí)的模擬

從圖3的仿真圖中能夠注意導(dǎo)，導(dǎo)線與冰的交界處（蘭色線）溫度接近0°C，導(dǎo)線內(nèi)部大約為0.4°C，融化層兩側(cè)的溫差大約0.1°C，所以這種情況應(yīng)當(dāng)是導(dǎo)線處于臨界可融冰的狀態(tài)。

如果在相同條件下設(shè)置單根子導(dǎo)線的電流為100A，則模擬的情況如圖4所示。

圖4 單根子導(dǎo)線施加100A融冰時(shí)的模擬

從圖4的仿真圖中能夠注意到，導(dǎo)線與冰的交界處（蘭色線）溫度接近 0°C，導(dǎo)線內(nèi)部為也接近 0°C，融化層兩側(cè)的溫差幾乎為0，意味著幾乎沒有熱量從導(dǎo)線向冰層傳遞，也就意味著這種情況下無法實(shí)現(xiàn)融冰。

如果在相同條件下設(shè)置單根子導(dǎo)線的電流為1000A，則模擬的情況如圖5所示。

圖5 單根子導(dǎo)線施加1000A融冰時(shí)的模擬

從圖5的仿真圖中能夠注意到，導(dǎo)線內(nèi)部的溫度能達(dá)到1.5°C，融化層兩側(cè)溫差約為1.0°C，由于融化層為流體、且較薄，所以會(huì)有較大的熱量向冰層傳遞，所以電流達(dá)到1000A時(shí)，覆冰導(dǎo)線的溫度會(huì)迅速上升，在模擬設(shè)置的條件下無法達(dá)到熱平衡，意味著這是一個(gè)快速融冰過程。

將相同環(huán)境條件下，100A、500A和1000A模擬結(jié)果中，沿軸向的溫度數(shù)據(jù)繪制出來能夠清楚看出，不同電流條件下融化層的溫差情況，如圖6所示。

（2）均勻覆冰條件下的導(dǎo)線融冰模擬

實(shí)際當(dāng)中導(dǎo)線的覆冰是不均勻的，所以導(dǎo)線中的溫度分布和散熱方向也將是不均勻的，不均勻覆冰情況的融冰模擬如圖7所示。

圖6 不同電流條件下覆冰導(dǎo)線內(nèi)部的溫度分布

圖7 不均勻覆冰情況下導(dǎo)線截面的溫度分布

當(dāng)導(dǎo)線中通過1000A的電流，且覆冰不均勻情況下，導(dǎo)線表面附近會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的融化層，隨著導(dǎo)線頂部的冰不斷融化，導(dǎo)線外的冰會(huì)在重力作用下逐漸下降，最終脫冰。脫冰的過程很難精確模擬，但是仿真數(shù)據(jù)表明，在覆冰不均勻時(shí)，冰層內(nèi)的溫度分布是不均勻的，如圖8所示。

圖8 不均勻覆冰情況冰層內(nèi)的溫度分布

從圖8能夠看出不均勻覆冰融冰時(shí)，冰層較薄的部分熱阻較小，熱量會(huì)向薄的部分傳播，導(dǎo)致該部分的溫度上升較快，所以導(dǎo)線通過大電流融冰時(shí)，冰厚較小的部分會(huì)先融化，造成脫冰。所以，實(shí)際操作中導(dǎo)線融冰所需要的時(shí)間是不易確定的。整條線路的電流進(jìn)行融冰時(shí)，各區(qū)段不會(huì)同時(shí)脫冰，這都給融冰操作造成了困難。

2.3 最小不結(jié)冰電流的計(jì)算

雖然對(duì)架空導(dǎo)線進(jìn)行融冰需要較大的電流，但是在輸電線路運(yùn)行期間能夠?qū)Σ糠纸孛孑^小的導(dǎo)線采取集中負(fù)荷的辦法抑制覆冰的增長。當(dāng)線路負(fù)荷足夠使導(dǎo)線表面的溫度高于0°C時(shí)，即便有過冷水滴撞擊在導(dǎo)線表面上也會(huì)立即融化，不會(huì)形成積累。

這個(gè)能夠確保導(dǎo)線表面溫度大于0°C的最小電流被稱為最小不結(jié)冰電流或預(yù)防結(jié)冰電流。前蘇聯(lián)工程師波×波×布爾格斯托夫曾利用熱力學(xué)平衡原理并結(jié)合實(shí)際情況，推導(dǎo)出了預(yù)防結(jié)冰的最小不結(jié)冰電流計(jì)算公式。

其中εn為導(dǎo)線的輻射系數(shù)，d為導(dǎo)線直徑，v為風(fēng)速，t1和t2分別為導(dǎo)線溫度和空氣溫度，I預(yù)為最小不結(jié)冰電流，R0為0°C時(shí)導(dǎo)線每米的電阻。觀察公式（1）可以看出公式中確定最小不結(jié)冰電流的主要是環(huán)境參數(shù)，如風(fēng)速和環(huán)境溫度。根據(jù)式（1）可以計(jì)算典型500kV導(dǎo)線的最小不結(jié)冰電流，如圖9所示為環(huán)境溫度-5°C，導(dǎo)線溫度 0°C，時(shí) LGJ-400/35 和 LGJ-630/45型導(dǎo)線的最小不結(jié)冰電流變化關(guān)系。

圖9 最小不結(jié)冰電流與風(fēng)速的關(guān)系

根據(jù)有關(guān)覆冰條件的討論可以知道[5-7]，在環(huán)境溫度-3°C，風(fēng)速5m/s條件下，如果有降雨將很容易形成覆冰。這時(shí)要確保500kV線路不發(fā)生覆冰（使導(dǎo)線保持為1°C），按圖9的計(jì)算結(jié)果，單根子導(dǎo)線通過的電流在 600A（LGJ400）～800A（LGJ630）以上，此時(shí)的線路負(fù)荷大約應(yīng)當(dāng)2400MW左右。很顯然，當(dāng)出現(xiàn)大范圍覆冰時(shí)，使電網(wǎng)中所有500kV線路都達(dá)到這樣的負(fù)荷水平是比較困難，但是對(duì)于導(dǎo)線截面較小的220kV導(dǎo)線，有可能在短時(shí)間內(nèi)發(fā)揮一定的作用。

但是當(dāng)導(dǎo)線已經(jīng)出現(xiàn)了覆冰時(shí)，再將導(dǎo)線電流升高到防冰電流的大小，就無法起到預(yù)防導(dǎo)線結(jié)冰的效果了，更不能使已經(jīng)覆在導(dǎo)線上的冰層融化。

3 結(jié)語

結(jié)合建立的輸電線路融冰的物理模型，對(duì)輸電線路融冰過程進(jìn)行仿真計(jì)算分析。根據(jù)融冰物理過程，對(duì)LGJ-400/50型單根架空線覆冰20mm以上的條件下的融冰過程進(jìn)行模擬，單根子導(dǎo)線施加100A、500A、1000A時(shí)，隨著電流的增加，融冰效果從“無法實(shí)現(xiàn)融冰”到導(dǎo)線內(nèi)部的溫度逐步升高，有較大的熱量向冰層傳遞，在電流達(dá)到1000A時(shí)，覆冰導(dǎo)線的溫度會(huì)迅速上升，在模擬設(shè)置的條件下達(dá)到一個(gè)快速融冰過程。

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