探究輸電線路覆冰影響及除冰技術(shù)

江蘇中孚電力工程設(shè)計(jì)有限公司 朱 寧

近些年中，全球氣候升溫，部分區(qū)域自然環(huán)境條件出現(xiàn)明顯改變，在極端天氣的作用下，自然災(zāi)害的發(fā)生率相應(yīng)增加。架空輸電線路覆冰引起的災(zāi)害始終是威脅我國(guó)電力系統(tǒng)安全的主要因素之一[1]。

伴隨特高壓遠(yuǎn)距離輸電線路的持續(xù)建設(shè)及“西電東送”戰(zhàn)略的完善，架空輸電線路的分布范疇有不斷拓展趨勢(shì)，很多輸電走廊穿行的區(qū)域地形復(fù)雜、氣候惡劣，寒冬及早春時(shí)節(jié)容易遭受冰雪災(zāi)害的影響，導(dǎo)線上覆冰，以致線路的機(jī)械載荷顯著增加,很可能并發(fā)線路舞動(dòng)、絕緣子冰閃等情況，最后發(fā)展成大面積跳閘停電事故，使國(guó)家及人們均承受較大的經(jīng)濟(jì)損失。故而在輸電線路建設(shè)及發(fā)展階段，應(yīng)積極研究有效的除冰技術(shù)。

1 覆冰的形成過(guò)程

在多數(shù)工況下，輸電線路表層形成覆冰現(xiàn)象的物理過(guò)程可做出如下闡述：在嚴(yán)冬或早春時(shí)，如果環(huán)境溫度降到-5～0℃、風(fēng)速3～15m/s時(shí)，如果出現(xiàn)霧或毛毛雨將會(huì)在架空線路表層凝結(jié)成雨淞，如果后期溫度快速升高、雨淞變化初步融化，如果氣候條件持續(xù)改善、轉(zhuǎn)變成晴天，那么早期形成的覆冰便會(huì)不斷且消除；若天氣驟然變冷，空氣溫度急劇下降，雨雪天氣不斷，越來(lái)越多的飄雪和凍雨會(huì)陸續(xù)吸附在剛形成地雨淞表層上并迅速增長(zhǎng)，出現(xiàn)較厚冰層，如果環(huán)境氣溫持續(xù)降到-15～-18℃，那么原來(lái)的冰層上變化形成霧淞且持續(xù)聚集[2]。以上過(guò)程中，輸電線表層上雨淞一霧淞的形成量會(huì)不斷增加，如果天氣變幻無(wú)常，冰融化時(shí)將會(huì)使自身的密度持續(xù)增加。以上這種反復(fù)變化的氣候條件會(huì)引起雨淞與霧淞交替重疊生成并累積，最后產(chǎn)生混合淞。

通常情況下，輸電導(dǎo)線上的覆冰現(xiàn)象通常是均勻的，外形并不是理想的圓形，橢圓形、D形及松針狀等是常見(jiàn)的形狀。輸電線路的迎風(fēng)面是最早出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象的位置，如果風(fēng)向沒(méi)有出現(xiàn)明顯改變，會(huì)造成迎風(fēng)面上的覆冰厚度持續(xù)增加，當(dāng)面層的冰層厚度達(dá)到某一值，其質(zhì)量符合輸電線發(fā)生扭轉(zhuǎn)的基本條件時(shí)，電線上的主要覆冰面層將會(huì)出現(xiàn)顯著改變，在該面層上覆冰量持續(xù)增加，最后會(huì)在導(dǎo)線面上出現(xiàn)類似于圓形或橢圓形的覆冰，多數(shù)情況下，輸電線的直徑較小時(shí)其表層形成的的覆冰近似呈圓形狀，架空導(dǎo)線直徑較大時(shí)表面覆冰外形基本呈橢圓形；如果輸電線路沒(méi)有出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，那么其表層上的覆冰外形將會(huì)近乎D形[3]。

2 線路覆冰災(zāi)害的影響分析

2.1 機(jī)械特性

在極端的雨雪冰凍條件下，在覆冰問(wèn)題的作用下，架空線路的阻尼特性會(huì)出現(xiàn)一定改變?？陀^上講，導(dǎo)線覆冰厚度的提高是一個(gè)漸進(jìn)式過(guò)程，周圍環(huán)境溫度計(jì)低溫條件持續(xù)時(shí)間是影響覆冰厚度值的主要因素，早期線路覆冰以后其橫截面表現(xiàn)為不規(guī)則或近視橢圓形，在一定溫度作用下風(fēng)速，很容易引起一種極為特殊的低頻高幅舞動(dòng)現(xiàn)象。

既往有資料記載[4]，該種舞動(dòng)現(xiàn)象的最大振幅能夠達(dá)到十多米，不規(guī)則覆冰引發(fā)的長(zhǎng)時(shí)間舞動(dòng)容易引起金具局部磨損、桿塔劇烈晃動(dòng)等情況。如果實(shí)測(cè)覆冰厚度抵達(dá)線路設(shè)計(jì)荷載極限，且超出導(dǎo)線的抗冰厚度時(shí)，縮頸、斷裂等不良現(xiàn)象的發(fā)生率會(huì)顯著增加，并且在覆冰過(guò)荷載作用下引起塔基自身沉降、塔架折斷導(dǎo)致倒塌。在桿塔斷線的沖擊荷載作用下形成較大的破壞力，這是造成桿塔發(fā)生串倒事故的主要原因。不勻稱覆冰、脫冰不同期或檔距形成較大差別的線路覆冰很容易引起張力差，張力差的作用是引起程度不一機(jī)械事故的主因，當(dāng)以上這種不均衡的過(guò)大時(shí)會(huì)造成懸掛絕緣子偏移量不斷增加，引起翻轉(zhuǎn)、桿塔劇烈碰撞等事故，以致絕緣子炸裂損毀。

2.2 電氣特性

站在某種角度上，可將導(dǎo)線覆冰問(wèn)題視為一種形式特別的污穢，架空輸電導(dǎo)線長(zhǎng)期裸露在自然空氣內(nèi)，絕緣子被覆冰或傘形冰凌橋接的風(fēng)險(xiǎn)明顯增加，這是引起其絕緣強(qiáng)度下滑的主要原因之一，泄漏距離相應(yīng)短縮，此時(shí)覆冰閃絡(luò)問(wèn)題的發(fā)生率相應(yīng)增加。在外界高電壓的作用下，閃絡(luò)通道上容易發(fā)生連續(xù)放電現(xiàn)象，由其引發(fā)的不良現(xiàn)象不僅是線路頻繁閃絡(luò)跳閘，形成的電弧也會(huì)燒損絕緣子，情節(jié)嚴(yán)重時(shí)造成絕緣子炸裂失效。當(dāng)覆冰自身抵達(dá)重量與體積以后，由于線路過(guò)荷載造成弧垂增加，地線垂直降至導(dǎo)線中部，在一定風(fēng)力作用下容易發(fā)生相間短路、局部線路燒傷或燒毀等事故，輕微的覆冰舞動(dòng)也可能造成線路頻繁發(fā)生閃絡(luò)跳閘情況。

3 輸電線路融除冰技術(shù)

當(dāng)下架空輸電線路的除冰技術(shù)方法有30多種處于實(shí)驗(yàn)、研究及推廣階段，歸納起來(lái)大體可分成如下幾種類型[5]：

3.1 熱力融冰法

這種除冰方法主要是采用附加熱源或?qū)Ь€自體發(fā)熱，造成導(dǎo)線上不能聚集冰雪，或者誘導(dǎo)前期積聚的冰雪逐漸融化。

可采用增加輸電導(dǎo)線內(nèi)通過(guò)的電流，應(yīng)用焦耳熱效應(yīng)去加熱導(dǎo)線，比如帶負(fù)荷融冰方法已在寶雞電業(yè)局內(nèi)應(yīng)用，湖南電網(wǎng)、固原供電局曾大范圍應(yīng)用短路電流融冰法，均取得了十分理想的除冰效果。也可利用電阻絲伴隨式加熱在交流電感應(yīng)作用下鐵絲線圈出邊際電流實(shí)現(xiàn)間接式加熱。在具體實(shí)踐中，當(dāng)輸電導(dǎo)線上沒(méi)有出現(xiàn)覆冰問(wèn)題時(shí)，可通過(guò)及時(shí)精準(zhǔn)的當(dāng)天氣預(yù)報(bào)與應(yīng)用運(yùn)行高效的覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，掌握適宜時(shí)機(jī)去開(kāi)啟熱力融冰裝備去抑制線路結(jié)冰過(guò)程，以上同樣也是一種有效的抗冰手段，但采用以上這種辦法時(shí)候?qū)μ鞖忸A(yù)報(bào)信息的精準(zhǔn)度及覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈敏度均提出較高要求。

3.2 直流短路融冰

這種方法應(yīng)用時(shí)，將由電網(wǎng)內(nèi)斷離覆冰的線路。以兩相電路為實(shí)例進(jìn)行分析，短接線路內(nèi)的一個(gè)側(cè)端，把另一端接進(jìn)融冰電源形成通路，等同于把覆冰導(dǎo)線作為作用電負(fù)載，能否選擇適宜的電源直接關(guān)系著以上這種方法的應(yīng)用效果。在和500kV覆冰線路直流融冰法相關(guān)的研究中，測(cè)算得出該電路系統(tǒng)需要提供的功率是200MW，故而可判斷出其在實(shí)踐中具有一定可行性，而在實(shí)際中提供以上這種大電源容量并不是一件簡(jiǎn)單的事。對(duì)于一些220kV線路，除冰時(shí)可嘗試應(yīng)用直流短路融冰技術(shù)方法，這種方法不會(huì)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)形成較大影響，既往大量實(shí)驗(yàn)表明其融冰、除冰效果較好。

3.3 交流短路融冰法

這種除冰方法和直流短路法之間有很多相似點(diǎn)。對(duì)于一些電壓等級(jí)為220kV并且融冰距離相對(duì)較短的架空導(dǎo)線，利用交流短路方法進(jìn)行除冰能取得較好效果。交流短路融冰法和直流短路融冰法在應(yīng)用階段，均會(huì)同時(shí)遭受導(dǎo)線電壓級(jí)別及電源選擇情況的限制[5]。在實(shí)踐中，可選擇220～500kV交流電作為融冰電源，其所生成的短路電流能夠較好地滿足最小融冰電流，但以上過(guò)程中分需要電力系統(tǒng)外供1000～2000MVar無(wú)功功率，否則這種導(dǎo)線除冰方案將會(huì)很難實(shí)施。另外，不管是采用直流還是交流短路融冰技術(shù)，均要由電網(wǎng)內(nèi)斷離需要進(jìn)行融冰處理的目標(biāo)對(duì)象，干擾了正常的供電活動(dòng)，并且如果遭遇連續(xù)低溫、雨雪天氣時(shí)很可能再次發(fā)生覆冰問(wèn)題。

3.4 機(jī)械除冰法

當(dāng)架空線路發(fā)生覆冰災(zāi)害后，如果相關(guān)部門(mén)在較短時(shí)間內(nèi)不能編制有效的融冰除冰方案，則通常會(huì)嘗試應(yīng)用機(jī)械除冰方法。機(jī)械除冰法主要是利用機(jī)械外力、人工手動(dòng)或者自動(dòng)強(qiáng)制等形式去使輸電線路上的覆冰掉落，“ad hoe”、強(qiáng)力振動(dòng)及滑輪鏟刮等均是常用的方法?？砂选癮d hoe”法分成多種形式，如果導(dǎo)線覆冰容易脫落，可應(yīng)用起重機(jī)、絕緣工具車或直接帶電作業(yè)法實(shí)現(xiàn)手工除冰；如果覆冰很難脫落，則可應(yīng)用直升飛機(jī)或獵槍等進(jìn)行處理。以上方法需要指派線路操作者在現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行處理，可采用多種方法，過(guò)程安全性不足，很難取得十分理想的效果。

強(qiáng)力振動(dòng)法是利用電磁力或電脈沖使輸電線路在控制范疇中形成劇烈振動(dòng)，進(jìn)而誘導(dǎo)覆冰掉落。這種方法在處理霧凇時(shí)能取得良好效果，但處理雨凇的效果欠佳；滑輪鏟刮法應(yīng)用時(shí)，要指派地面操作人員牽拉一個(gè)可在線路上運(yùn)行的滑輪去鏟除輸電線路上的覆冰。這是當(dāng)下可執(zhí)行度較高的輸電導(dǎo)線機(jī)械式除冰技術(shù)方法?；嗙P刮方法有反應(yīng)靈敏、行動(dòng)高、能耗低、成本偏低等諸多優(yōu)勢(shì)，但這種方法應(yīng)用階段會(huì)耗用較多的時(shí)間成本，對(duì)1km長(zhǎng)輸電線路進(jìn)行滾壓除冰處理時(shí)大概歷時(shí)l～2h，并且環(huán)境、地理?xiàng)l件等客觀環(huán)境條件會(huì)對(duì)其形成較大限制[6]。

3.5 自然脫冰法

自然脫冰，即將足雪環(huán)、平衡錘等裝置安裝在架空導(dǎo)線上，當(dāng)線路上的覆冰聚集到一定程度時(shí)，在風(fēng)力、氣溫改變、地球引力等作用下能夠使冰雪自行掉落。和以上導(dǎo)線除冰方法相比較，自然脫冰法有操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性較高等優(yōu)勢(shì)，但這種方法脫冰時(shí)容易出現(xiàn)不均勻或不同期脫冰等情況，增加了導(dǎo)線跳躍等事故的發(fā)生率。

3.6 超聲波除冰法

近些年中，國(guó)內(nèi)有關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者做出把超聲波技術(shù)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳葉、飛機(jī)機(jī)翼的除冰領(lǐng)域中，并對(duì)其進(jìn)行較深刻的理論專研與試驗(yàn)分析，從中取得了較理想的成績(jī)。分析輸電線路除冰科技，發(fā)現(xiàn)超聲波能量的激勵(lì)位移不會(huì)導(dǎo)致輸電線路出現(xiàn)較大的振動(dòng)幅度，有助于提升除冰操作過(guò)程的安全性、穩(wěn)定性[7]。

超聲波屬于一種聲波形式，是指頻率超出20000Hz的機(jī)械振動(dòng)波，其有傳播方向性好、能量高、穿透力強(qiáng)及能引發(fā)空化作用等特征，有十分廣闊的應(yīng)用空間。超聲波除冰技術(shù)，主要是應(yīng)用超聲波自身的機(jī)械、空化及熱效應(yīng)去進(jìn)行除冰操作。機(jī)械效應(yīng)即超聲波在介質(zhì)內(nèi)傳播會(huì)生成應(yīng)力，對(duì)導(dǎo)線覆冰起到破碎、剝離作用，進(jìn)而取得清冰效果；超聲波的機(jī)械振動(dòng)將會(huì)誘導(dǎo)冰介質(zhì)粒子出現(xiàn)高頻振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)超出某一限值時(shí)，其作用的冰物質(zhì)將會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)疲勞斷裂。

空化效應(yīng)最顯著的表現(xiàn)是超聲波作用在固液混合物上時(shí)能持續(xù)生成空穴現(xiàn)象，空化階段生成的氣泡自身會(huì)持續(xù)出現(xiàn)非線性振動(dòng)、生長(zhǎng)、收縮與崩潰，在這樣的情境下生成的巨大壓力會(huì)破壞冰介質(zhì)，起到除冰的作用；熱效應(yīng)，即隨著超聲波的高頻振動(dòng)與空化過(guò)程對(duì)外釋放大量熱，冰介質(zhì)能持續(xù)將其吸收，自身溫度相應(yīng)增高，進(jìn)而對(duì)冰融化過(guò)程起到一定促進(jìn)作用。

在實(shí)際工作中，架空輸電線路的除冰工作要求短時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效，疲勞失效斷裂的歷時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，無(wú)法滿足輸電線路除冰工作的現(xiàn)實(shí)要求，但其也能較明顯的優(yōu)化線路除冰工作成效。另外，在超聲波空化階段，液體內(nèi)的氣泡出現(xiàn)振動(dòng)以后的破潰率并不能達(dá)到100%。只有在符合其共振頻率超出超聲波頻率的條件、或氣泡共振半徑大于其原始半徑的條件時(shí)，空化氣泡方會(huì)破潰。如果不能滿足以上這幾個(gè)基本條件時(shí)，將會(huì)引起液體內(nèi)的空化氣泡出現(xiàn)非線性復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，但不會(huì)在后期發(fā)生崩潰再生情況。

可采用下式計(jì)算氣泡諧振頻率[8]：fr=1/2πR0式中，R0代表的是空化氣泡的原始半徑；γ是絕熱系數(shù)，P0是介質(zhì)內(nèi)的靜壓強(qiáng)；σ是介質(zhì)的表面張力；ρ是介質(zhì)密度。

4 結(jié)語(yǔ)

架空線路一旦發(fā)生覆冰事故，將會(huì)給電網(wǎng)系統(tǒng)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，相關(guān)部門(mén)應(yīng)加大對(duì)覆冰災(zāi)害的抵御能力，確保輸電線路運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性，在規(guī)劃及建設(shè)輸電線路時(shí)，應(yīng)盡量規(guī)避覆冰區(qū)域；加大對(duì)融冰電源的開(kāi)發(fā)力度，提出更新穎的除冰方案；盡量早從多個(gè)方面著手，進(jìn)而在輸電線路除冰工作中創(chuàng)造更理想的成績(jī)。