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        架空地線的絕緣化改造及融冰方法

        2012-12-05 03:24:02陳義剛范松海
        四川電力技術(shù) 2012年3期
        關(guān)鍵詞:融冰斷線短路

        陳義剛,范松海

        (1.四川省電力公司,四川 成都 610041;2.四川電力科學(xué)研究院,四川成都 610072)

        0 概述

        最近幾年,輸電線路冰災(zāi)事故頻發(fā),給電力系統(tǒng)帶來巨大的經(jīng)濟損失。2008年冰災(zāi),造成全國范圍內(nèi)電網(wǎng)因冰災(zāi)停運的電力線路計39 033條,造成了數(shù)以千億的經(jīng)濟損失[1-3]。2011年年初,連續(xù)的冰雪災(zāi)害造成四川電網(wǎng)500 kV布坡高壓線倒塔兩基,使二灘、瀑布溝等重要水電送出通道癱瘓。2011年12月10日,四川月普一、二線發(fā)生了因冰災(zāi)斷線倒塔的事故。2012年年初,布坡線又發(fā)生了倒塔斷線事故。

        2008年年初中國南方大面積冰災(zāi)后,通過分析和比較,國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司均把短路融冰作為防治電網(wǎng)冰災(zāi)的主要方法,相繼投入了大量的人力、財力和物力研究以及開發(fā)短路融冰方法和裝備[5]。四川省電力公司于2011年在普提站和東坡站裝設(shè)了兩套直流融冰裝置,2012年又計劃新安裝3套直流融冰裝置。

        但是,由于架空地線沿線分布接地特性,不能直接采用短路融冰,這導(dǎo)致架空地路除冰成為難點。而架空地線處在輸電線路的上方,其覆冰往往比輸電線路更嚴重。2011年年底,普洪三線實施直流融冰之后,無法恢復(fù)送電,后在巡線時發(fā)現(xiàn),該輸電線路的某一段地線出現(xiàn)斷線,折斷的地線搭在輸電線路上,從而導(dǎo)致輸電線路無法恢復(fù)供電。在2012年年初,又出現(xiàn)了兩次地線斷股斷線事故。地線除冰已成為當(dāng)前輸電線路防冰減災(zāi)的緊迫課題。下面提出了通過對架空地線絕緣化改造,使架空地線具備融冰條件,采用交流電源提供融冰電流,可以實現(xiàn)輸電線路帶負荷除去架空地線的覆冰。

        1 架空地線覆冰的危害性

        1.1 架空地線在冰荷載的作用下出現(xiàn)斷股、斷線

        如果冰荷載超過了架空地線的機械強度,架空地線就會出現(xiàn)斷股、斷線[6]。折斷的地線可能懸空或直接搭在輸電線路上,易造成輸電線路對地線放電或直接短路故障,使輸電線路無法正常輸電。此外,架空地線的斷線也會造成輸電線路力學(xué)體系失衡,為桿塔傾斜甚至倒塌埋下隱患。

        1.2 架空地線在冰荷載的重力作用下弧垂過低

        由于冰荷載的重力作用,架空地線將比無覆冰時的弧垂要低,弧垂降低的程度取決于冰荷載的重力和架空地線本身的彈性模量。一般來說,架空地線與同走廊的導(dǎo)線的彈性模量不會有太大差別。同一地段的導(dǎo)地線覆冰也相差不會太大,故在一般情況下,可以粗略地認為地線和導(dǎo)線的弧垂近似一致,二者之間的間距也基本恒定。但是,弧垂過大,再加上覆冰導(dǎo)線特殊的空氣動力特性,容易導(dǎo)致導(dǎo)地線發(fā)生舞動,因而增加了導(dǎo)地線之間放電的風(fēng)險。此外,當(dāng)導(dǎo)線實施融冰之后,導(dǎo)線因冰荷載的釋放而恢復(fù)正?;〈?,而地線由于無法實施除冰,其與導(dǎo)線之間的距離可能會小于安全距離,這將會導(dǎo)致導(dǎo)地線之間的放電甚至直接放電,如圖1所示。

        圖1 架空地線因弧垂過低與輸電線路放電

        2 架空地線的融冰方案

        由于架空地線與塔直接連接,沿線分布接地,因而不能通過融冰電流。要對架空地線實施融冰的前提條件是要對其進行絕緣化改造[7-8]。改造的目標(biāo)是讓塔與地線之間相互絕緣。改造的方式是在塔與地線之間安裝絕緣子,使架空地線與塔之間通過絕緣子相連,從而隔斷了塔與地線之間的電氣連接(如圖2所示)。在地線兩端的變電站,架空地線通過一個開閘后接地。在正常運行的時候,隔離開關(guān)處在合閘位置,使架空線在變電站內(nèi)接地。而在融冰狀態(tài),使隔離開關(guān)處在斷開狀態(tài),電源端變電站對架空地線通融冰電流,在對側(cè)變電站使兩地線直接短接,融冰電流通過兩架空地線形成回路,從而達到融冰的目的。

        圖2 架空地線的絕緣化改造

        2.1 架空地線融冰電流的選擇

        架空地線融冰與導(dǎo)線融冰原理是一致的。如圖3所示,架空地線通融冰電流后,將產(chǎn)生焦耳熱。焦耳熱一部分用于加熱地線,使其溫度升高。焦耳熱的另一部分則傳遞至冰層內(nèi)表面。在冰層內(nèi)表面上,一部分熱量用于融冰所吸收的潛熱,另一部分則傳導(dǎo)至冰層外表面,使冰層外表面的溫度上升至Ti。由于冰層外表面的溫度Ti大于環(huán)境溫度Ta,所以,冰表面將以對流傳熱和輻射散熱的方式向周邊的空氣中散失熱量。而對流傳熱和輻射傳熱是由風(fēng)速和環(huán)境溫度控制的,所以,導(dǎo)地線融冰也受風(fēng)速和環(huán)境溫度的影響。根據(jù)融冰過程中熱傳遞過程,可以得到式(1)~(4)的融冰電流計算公式[1-5]。

        圖3 融冰的熱平衡示意圖

        表1 幾種型號地線的融冰電流及電源容量va=5 m/s;Ta=-5℃ ;di(覆冰厚度)=10 mm;t=60 min

        對于交流,由于存在趨膚效應(yīng),地線的線電阻率計算式為

        式中,rdc為地線的直流電阻率,Ω/m;rac為地線的交流電阻率,Ω/m;ys的計算式為

        式中,f為電流的頻率,Hz;ks為導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)系數(shù),對于地線,ks=1。

        將地線的直流電阻率rdc和交流電阻率rac分別代入式(1)~(4),即可分別得到地線的直流融冰電流Idc和交流融冰電流Iac。

        直流融冰電源的容量(Sdc)可由以下公式確定。

        式中,Sdc為直流融冰的電源容量,V·A;rT為地線在溫度T℃時的電阻率,Ω/m;Lc為融冰導(dǎo)線的長度,m。

        交流短路融冰電源容量為

        式中,l為單位長導(dǎo)線電感,H/m。

        根據(jù)以上計算方法,可得到幾種型號地線的融冰電流及電源容量,如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可知,由于地線的電阻較大,采用交流融冰時,有功消耗為主,無功消耗相對較小。故從成本和方便的角度考慮,架空地線融冰宜采用交流融冰。

        3 架空地線融冰改造的實施方法及其影響

        3.1 架空線路絕緣化改造的方法

        由表1數(shù)據(jù)可知,對于架空地線融冰,線路壓降不大,100 km線路壓降小于20 kV,故線路改裝相對較為容易,可以考慮采用輸電線路不停電改造。

        但是,帶電改造過程中,要考慮到地線可能會折斷并與輸電線路短路。在短路瞬間,地線會有短路電流通過。大短路電流可能會使地線瞬間溫度上升,從而可能會燒傷操作人員,故線路改造技術(shù)人員一定要帶防燒傷手套。

        3.2 架空線路絕緣化改造后對防雷的影響

        架空線路絕緣化改造后,除在兩端變電站接地外,中間塔位處不再接地,當(dāng)雷落在輸電線路中間斷的地線上時,會增加線路反擊雷的概率。因此,為防止落在地線上的雷反擊導(dǎo)線,在不覆冰的季節(jié),建議將雷區(qū)地線恢復(fù)接地。

        4 結(jié)語

        (1)要對地線進行融冰,要對其進行絕緣化改造,改變其沿線分布式接地特性,使地線具備通融冰電流的條件;

        (2)由于地線電阻遠大于同走廊導(dǎo)線電阻,故在通融冰電流的情況下,電源容量主要提供有功消耗。考慮到經(jīng)濟成本和方便性等因素,建議采用交流融冰方法;

        (3)地線絕緣化改造后對防雷有一定的影響,因此在雷季的多雷區(qū)線路,建議將絕緣化改造的線路恢復(fù)接地。

        [1]Songhai Fan,Xingliang Jiang,Caixin Sun,et al.Temperature Characteristic of DC Ice-melting Conductor[J].Cold Regions Science and Technology,2011,65(1):29-38.

        [2]Songhai Fan,Xingliang Jiang,Lichun Shu,et al.DC Ice-melting Model for Wet-growth Icing Conductor and Its Experimental Investigation[J].Science in China Series E:Technological Sciences,2010,53(12):3248 -3257.

        [3]Songhai Fan,Xingliang Jiang,Lichun Shu,et al.DC Ice- Melting model for Elliptic Glaze Iced Conductor[J].IEEE Transactions on Power Delivery,26(4):2697-2704.

        [4]Xingliang Jiang,Songhai Fan,Zhi jin Zhang,et al.Simulation and Experimental Investigation of DC Ice-Melting Process on an Iced Conductor[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2010,25(2):919-929.

        [5]蔣興良,范松海,胡建林,等.輸電線路直流短路融冰的臨界電流分析[J].中國電機工程學(xué)報,2010,30(1):111-116.

        [6]文聰.輸電線路導(dǎo)線覆冰斷股分析[J].云南電力技術(shù),2009,37(5):24-25.

        [7]周鵬,李光輝.架空地線的融冰方法及改進措施[J].湖南電力,2008,28(4):47-48.

        [8]許樹楷,趙杰.電網(wǎng)冰災(zāi)案例及抗冰融冰技術(shù)綜述[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2008,2(2):1-2.

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