500 kV超高壓輸電線路負(fù)荷交流融冰分析

何相升，羅 剛，胡龍江，張山河，張 燦

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司 超高壓公司，湖北 襄陽 441000）

0 引 言

超高壓鉸孔輸電線路覆冰是影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的因素之一，該現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致線路出現(xiàn)超載荷、不均衡覆冰以及不同時(shí)間脫冰等問題，采用輸電線路除冰技術(shù)能夠有效保障電網(wǎng)安全運(yùn)行。目前，國內(nèi)外集中研究項(xiàng)目有混合除冰、機(jī)械除冰、自然除冰以及熱力融冰。其中機(jī)械除冰是通過力學(xué)原理不斷降低覆冰承受力，使其能夠自動(dòng)脫落，主要使用手段有滑輪鏟刮和人工除冰法。自然融冰是在自然條件下集中除冰，如借助自身升溫、強(qiáng)風(fēng)等。熱力融冰技術(shù)是將融冰電流增加到輸電線路中，以此產(chǎn)生焦耳熱，促使線路覆冰融化脫落，主要包括直流短路和交流短路融冰方法。通過實(shí)踐分析和比較，熱力融冰法是目前最有效預(yù)防電網(wǎng)出現(xiàn)冰災(zāi)的方法，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到輸電線路的除冰工作中。

1 仿真模型及熱力學(xué)

仿真模型導(dǎo)線的表面覆蓋了一層冰層，集中調(diào)整覆冰層半徑后，可以就此改變冰層厚度和實(shí)際位置，同時(shí)在導(dǎo)線覆冰模型外部添加一定的空氣域[1]。針對(duì)500 kV JLHA3-425型導(dǎo)線進(jìn)行研究，一共有37股線芯，每一股線芯直徑在3.83 mm左右，導(dǎo)線截面積約為420 mm2。同時(shí)，將導(dǎo)線長(zhǎng)度設(shè)定為200 mm，空氣域和覆冰層之間的距離保持在10 mm左右。

本次仿真模型綜合考量了空氣流體、電熱耦合與冰水相變之間存在的問題，使用流體與熱電耦合進(jìn)行分析。熱傳學(xué)提出，如果存在一定溫差，其中的熱量會(huì)自動(dòng)從高溫處傳遞到低溫處，負(fù)荷交流融冰的工作原理也是如此。熱量的傳遞主要是通過熱輻射、熱對(duì)流以及熱傳導(dǎo)3種形式進(jìn)行[2]。因?yàn)榉抡婺Ｐ椭袥]有存在相應(yīng)的熱輻射現(xiàn)象，所以忽略不計(jì)。覆冰層和輸電線路之間的熱量交換形式主要為熱傳導(dǎo)，當(dāng)線路中產(chǎn)生一定的焦耳熱后，該熱量就會(huì)順著導(dǎo)線表面進(jìn)入到覆冰層中[3]。設(shè)置導(dǎo)線通過總的負(fù)荷電流提供融冰所需的焦耳熱，具體參數(shù)見表1。

表1 不同材質(zhì)的參數(shù)

按照參數(shù)預(yù)設(shè)導(dǎo)線負(fù)荷交流電流的實(shí)際數(shù)據(jù)，以此得到電流在導(dǎo)線中產(chǎn)生的焦耳熱，包括各方面之間產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)數(shù)據(jù)。

覆冰層與空氣間的熱量交換形式主要是熱對(duì)流方法，在導(dǎo)線熱傳導(dǎo)作用下，覆冰層溫度逐漸提高，整個(gè)溫度超過周邊環(huán)境溫度就會(huì)在熱對(duì)流下散熱。通過流體分析法計(jì)算風(fēng)速變化情況，得到覆冰層與空氣之間產(chǎn)生的熱量交換數(shù)據(jù)，并將其加入到熱電耦合解析中，進(jìn)而得出冰層和空氣之間的熱對(duì)流。

當(dāng)最小融冰電流處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，最后的冰層溫度可以超過0 ℃，則達(dá)到了融冰條件。針對(duì)最小融冰電流，應(yīng)使用穩(wěn)態(tài)分析法來掌握融冰條件。對(duì)于融冰具體時(shí)間，還要了解覆冰層溫度在時(shí)間變化下的狀態(tài)，使用瞬態(tài)分析法和流體分析法可以得到冰水的相對(duì)變化數(shù)據(jù)[4]。

在穩(wěn)態(tài)分析下，結(jié)合流體分析方法來調(diào)整覆冰層周邊的溫度和風(fēng)速，同時(shí)在實(shí)際運(yùn)行中得到不同風(fēng)速數(shù)據(jù)指標(biāo)下覆冰層和空氣之間的熱量交換數(shù)據(jù)，之后將流體分析法計(jì)算出的熱量交換數(shù)據(jù)作為熱電耦合模塊的數(shù)據(jù)參考，同時(shí)調(diào)整好導(dǎo)線截面的環(huán)境溫度和負(fù)荷電流，在穩(wěn)定運(yùn)行溫度中得到仿真模型運(yùn)作結(jié)果[5]。在瞬態(tài)仿真下，計(jì)算線芯電流在時(shí)間不同的情況下所產(chǎn)生的焦耳熱數(shù)據(jù)，并以此計(jì)算出覆冰層和導(dǎo)線截面熱量，將其作為流體分析熱參數(shù)，進(jìn)而調(diào)節(jié)環(huán)境溫度以及冰、水參數(shù)，之后再深入分析融化、凝固數(shù)據(jù)，啟動(dòng)仿真模型后就可以獲得瞬態(tài)溫度分布情況和冰水相對(duì)變化數(shù)據(jù)[6]。

2 解析結(jié)果數(shù)據(jù)

2.1 穩(wěn)態(tài)仿真

設(shè)置仿真模型中的負(fù)荷電流為800 A，風(fēng)速為5 m/s，覆冰厚度在8 mm左右，環(huán)境溫度控制在-5 ℃，通過改變其中一個(gè)參數(shù)來分析線路最小融冰電流的變動(dòng)情況。

在風(fēng)速作用下，觀察覆冰層表面風(fēng)速和空氣間熱量交換情況，由此得到最小融冰與熱量交換情況之間的變化關(guān)系，如圖1所示。

圖1 熱量交換速度和最小融冰電流與風(fēng)速之間的聯(lián)系

如果風(fēng)速低于20 m/s，覆冰層表面迎風(fēng)側(cè)換熱系數(shù)和風(fēng)速之間呈現(xiàn)出冪函數(shù)關(guān)系，風(fēng)速越大，冰層的熱量交換越快。最小融冰電流在風(fēng)速提升中不斷加強(qiáng)，如果風(fēng)速增大，最小融冰電流的增長(zhǎng)幅度就會(huì)變小，和風(fēng)速變化、熱量交換數(shù)據(jù)的變化具有一致性[7]。冰層表面的對(duì)流效果受風(fēng)速影響，風(fēng)速越大，熱量交換也會(huì)隨之加快[8]。

調(diào)節(jié)環(huán)境溫度后，仿真模型中最小融冰電流與冰層厚度之間的聯(lián)系如圖2所示。

圖2 環(huán)境溫度與最小融冰電流的關(guān)系

隨著溫度不斷降低，最小融冰電流逐漸增大，其增長(zhǎng)幅度逐漸變小。該現(xiàn)象主要是冰層表面的輻射熱和對(duì)流損失受到環(huán)境溫度的直接影響，如果環(huán)境溫度降低，冰層表面的輻射熱和對(duì)流損失會(huì)越大，對(duì)于融冰電流的需求也會(huì)逐漸增加[9]。

調(diào)整冰層厚度后，仿真模型中的最小融冰電流和冰層厚度變化之間的聯(lián)系如圖3所示。

圖3 覆冰厚度與最小融冰電流的關(guān)系

隨著冰層厚度不斷增加，最小融冰電流不斷提高，呈現(xiàn)線性關(guān)系。冰層厚度影響著熱傳導(dǎo)的運(yùn)行，若冰層厚度逐漸加厚，熱傳導(dǎo)時(shí)間也會(huì)逐漸拉長(zhǎng)，同時(shí)冰層融化對(duì)融冰電流的需求將會(huì)不斷增加[10]。

2.2 瞬態(tài)仿真

在瞬態(tài)仿真模型下，設(shè)置負(fù)荷電流為800 A，風(fēng)速控制在5 m/s，覆冰厚度在8 mm左右，環(huán)境溫度調(diào)節(jié)為-5 ℃。為了滿足冰層融化條件，瞬態(tài)仿真的初始數(shù)據(jù)與穩(wěn)態(tài)仿真的數(shù)據(jù)相同。當(dāng)其中一個(gè)條件發(fā)生變化后，全面解析融冰時(shí)間的變動(dòng)。

如果風(fēng)速逐漸增大，環(huán)境溫度也隨之下降，則融冰時(shí)間就會(huì)不斷延長(zhǎng)，與指數(shù)關(guān)系相近。如果風(fēng)速和溫度都接近最大數(shù)值后，冰層并不會(huì)融化。其主要是因?yàn)楸鶎颖砻娴膶?duì)流效果受到環(huán)境溫度和風(fēng)速的干擾，如果冰層表面損失熱度大于焦耳熱，則冰層不會(huì)融化[11]。

如果冰層厚度變大后，融冰時(shí)間隨之變長(zhǎng)，那么2者之間接近于線性關(guān)系。熱傳導(dǎo)受冰層厚度影響，冰層越厚，熱量傳輸時(shí)間就會(huì)更長(zhǎng)，而融冰時(shí)間也會(huì)隨之延長(zhǎng)[12]。

將負(fù)荷電流大小做出相應(yīng)調(diào)整，仿真模型中的負(fù)荷電流和融冰時(shí)間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，負(fù)荷電流增大，融冰時(shí)間就會(huì)變小。如果負(fù)荷電流低于臨界標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，則冰層將不會(huì)融化。負(fù)荷電流增大時(shí)，需要更多的導(dǎo)線產(chǎn)熱，在此情況下的冰層融化速度加快。如果負(fù)荷電流產(chǎn)生的熱量小于冰層散熱量，則冰層不會(huì)融化[13]。

3 實(shí)踐證明分析

基于上述分析，在安雙5375線路上運(yùn)用負(fù)荷交流融冰法來驗(yàn)證其可操作性和有效性。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2021年12月28日，早晨進(jìn)行安雙5375線路巡查時(shí)發(fā)現(xiàn)線路產(chǎn)生了覆冰問題，且情況比較嚴(yán)重，必須要及時(shí)融冰處理。該日中午巡查該線路的覆冰路段發(fā)現(xiàn)絕緣子、桿塔以及導(dǎo)地線的覆冰厚度在1～2 mm，線路局部冰層厚度達(dá)到10 mm左右，線路周邊溫度為0.2 ℃，風(fēng)速為1.62 m/s。為了提高融冰效果，選擇1 700 A的負(fù)荷電流線路進(jìn)行融冰。在91 min融冰工作中，最終讓導(dǎo)線覆冰全部脫落，成功證明了負(fù)荷交流融冰具有可操作性。具體應(yīng)用時(shí)，考慮到影響融冰效果的各種因素，需要設(shè)定合適的負(fù)荷電流。因?yàn)閷?shí)際操作流程比較復(fù)雜，所以在仿真模型中其負(fù)荷電流可以設(shè)置得更大[14]。

4 結(jié) 論

綜合考量高壓輸電線路負(fù)荷交流融冰的干擾系數(shù)來構(gòu)建仿真模型，仿真結(jié)果表明最小融冰電流和風(fēng)速、環(huán)境溫度之間呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，和覆冰厚度呈現(xiàn)線性關(guān)系。此外，融冰時(shí)間和環(huán)境溫度、風(fēng)速以及負(fù)荷電流之間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，和冰層厚度呈現(xiàn)線性關(guān)系。通過500 kV安雙5375線路證實(shí)了負(fù)荷交流融冰的可操作性，值得推廣。