胡楊昊+易靈芝+趙純

摘要：本文針對(duì)湖南電網(wǎng)研發(fā)的新型內(nèi)嵌式地線地線新型直流融冰技術(shù)，提出地線直流融冰的所涉及的兩個(gè)重要的參數(shù)（臨界融冰電流和最大融冰電流）概念和計(jì)算方法?；谟邢拊?，以GJ-70電線為模型，建立3D熱-電耦合仿真模型，仿真得出不同氣候、溫度條件下的臨界融冰電流，以及地線正常運(yùn)行所允許的最大電流，與試驗(yàn)人員得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證這種融冰技術(shù)的優(yōu)越性，并為運(yùn)行人員有效的融冰電流范圍提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：有限元;直流融冰;新型地線;臨界融冰電流;最大融冰電流

中圖分類號(hào)：TM726.3???????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???????文章編號(hào)：

Current?calculation?model?embedded?wire?melting?ice

Hu?–Yanghao，?Yi-?Lingzhi，??Zhao-Chun

（Electric?Power?Company?of?Hunan?Province?Electric?Power?Research?Institute，?Hunan，?Changsha?410007）

（Xiangtan?University，?Hunan?Xiangtan?411005）

Abstract：?In?this?paper，?novel?embedded?ground?wire?in?Hunan?power?system?research?and?development?of?new?DC?ice?melting?technology，?put?forward?two?important?parameters?involved?ground?DC?ice?melting（the?least?ice-melting?current?and?the?max?allowed?current）concept?and?calculation?method.?According?to?the?configuration?GJ-70?wire，?a?3D?thermal-electric?coupled?simulation?model?of?wire?covered?with?ice?was?constructed?based?on?finite?element?method（FEM）?using?ANSYS?software.?Simulation?of?the?ice?melting?current?critical?different?climate，?temperature，?and?maximum?current?allows?the?ground?running，?compared?with?experimental?data?obtained?by?test?personnel，?further?verify?the?superiority?of?the?ice?melting?technology，?and?for?the?operating?personnel?effective?ice?melting?current?range?offers?reference.

Key?words：?FEM?;DC?ice-melting;?earth?wire?;the?least?ice-melting?current;?the?max?allowed?current

1.?引言

在2005年和2008年兩次雨雪冰凍災(zāi)害中，出現(xiàn)了大量的輸電線路地線斷線事故。以2008年的冰災(zāi)為例，湖南省電力公司500kV線路地線斷線322處，220kV線路地線斷線432處，110kV線路地線斷線1017處。地線發(fā)生事故以后，一方面造成了電網(wǎng)通訊中斷;另一方面，由于地線斷線后跌落在導(dǎo)線上，使導(dǎo)線接地，造成線路跳閘，從而導(dǎo)致線路停運(yùn)。

針對(duì)地線的復(fù)雜情況與目前地線融冰技術(shù)的空白，為保證電力系統(tǒng)發(fā)電、變電、輸電、配電的防凍融冰工作切實(shí)有效的開展，研究地線融冰方法必然是一個(gè)戰(zhàn)略性的發(fā)展方向。為尋求一種方便、經(jīng)濟(jì)的融冰方法，湖南電網(wǎng)擬針對(duì)地線特點(diǎn)，提出一種新型的地線融冰方案-內(nèi)嵌式地線融冰。

1熱力學(xué)方程

1.1熱傳導(dǎo)方程

邊界條件設(shè)定：在本模型中，選中覆冰層最外層面，設(shè)定其對(duì)流邊界條件，對(duì)流系數(shù)為15.687W/m-℃（風(fēng)速為3m/s），環(huán)境溫度為-3℃。材料參數(shù)如表1所示。

2?導(dǎo)線覆冰仿真模型

2.1內(nèi)嵌式融冰地線的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

進(jìn)行內(nèi)嵌式地線融冰，需將地線更換為內(nèi)嵌式地線，內(nèi)嵌式地線的原理為：將普通的鋼絞線中的2股或多股鋼線替換為絕緣銅線，為了確保地線在施工中絕緣層不至于損壞，需在絕緣銅線外面加上一層鋼帶，以保護(hù)絕緣銅線。

本文模型中使用ANSYS（有限元分析軟件）的SOLID227熱-電耦合單元（三維10節(jié)點(diǎn)耦合單元），根據(jù)表2的地線參數(shù)建立3D熱-電耦合分析模型，能夠求得施加電流載荷之后的覆冰導(dǎo)線內(nèi)部的溫度分布，比其他熱分析方式更加精確、方便。圖1給出了搭建的3D覆冰導(dǎo)線仿真模型。

材??料

電導(dǎo)率（20℃）（S/m）

熱導(dǎo)率（W/m-℃）

比熱（J/KJ-℃）

密度（kg/m?）

鋼芯

2106

45

481

7872

銅

383

390

8899

交聯(lián)聚乙烯

0

0.41

2500

940

空氣

0

0.026

1007

1.1614

冰

0.01

2.26

2100

900

公稱直徑/mm

1×19

鋼絞線

銅?線

絕緣層

鋼帶

全部鋼絲

斷面面積

mm2

全部銅線

斷面面積

mm2

參考重量

Kg/100m

2.50×13

1.60×6

1

0.4

63.81

12.06

66.30

表1?材料參數(shù)????????????????????????????????????表2??內(nèi)嵌式融冰鋼絞地線參數(shù)表

3融冰電流的計(jì)算分析

3.1臨界融冰電流

能夠使覆冰導(dǎo)線在一定的外部溫度和風(fēng)速的影響下，通入能夠使覆冰開始融化的電流，我們稱之為臨界融冰電流。穩(wěn)態(tài)分析過程中，為了使導(dǎo)線外層的覆冰開始融化，一般導(dǎo)線與外層覆冰層接觸處溫度保持1℃以上即可。

電流載荷施加：6根銅線在進(jìn)行融冰時(shí)分成兩組，一側(cè)短接，另一側(cè)接入直流電流，利用通流后的熱效應(yīng)使地線升溫從而使地線覆冰融化。首先選中銅導(dǎo)線的一個(gè)斷面，施加零電位，另一端進(jìn)行電位耦合，施加13A的電流。即3根銅導(dǎo)線施加約39A電流。?經(jīng)過ANSYS軟件仿真分析后，能夠得到覆冰導(dǎo)線的溫度分布云圖如圖2所示。從圖2中可以看出鋼芯溫度最高，從鋼芯向冰層外部逐漸降低。

圖1??覆冰地線3D仿真模型???????????????????????圖2?臨界電流仿真溫度分布云圖

圖3中給出了溫度半徑的變化圖，由圖3中可以看出溫度隨著地線半徑變化的趨勢(shì)，鋼芯部分最高溫度達(dá)7.?23℃。在4mm至6mm之間為外層鋼導(dǎo)線，其溫度變化不大，基本接近3℃。6mm處為地線和覆冰層接觸界面，溫度為1℃左右。至16mm為外層覆冰，溫度逐步減低，至覆冰層最外層溫度為0.3℃左右。設(shè)定不同的覆冰厚度、環(huán)境溫度和風(fēng)速，求出一組臨界融冰電流曲線。

在一般的情況下，如果輸電線路已經(jīng)架設(shè)好，其地線的型號(hào)一般不會(huì)更改，如果需要確定覆冰地線的臨界融冰電流值，只要知道導(dǎo)線所處的氣象條件即可。

圖3???溫度隨附覆冰地線半徑的變化圖（位置/m）

從圖4的臨界電流計(jì)算結(jié)果可以看出，在覆冰厚度不變的條件下，隨著環(huán)境溫度的降低，融冰電流基本呈步進(jìn)增加。隨著風(fēng)速的增加，融冰電流呈非線性增長(zhǎng)。由于對(duì)流系數(shù)的影響，在3m/s至9m/s斜率比較大，之后的增長(zhǎng)趨于平緩。從圖5可以看出，風(fēng)速固定不變時(shí)，融冰電流隨環(huán)境溫度升高而減小，基本呈線性關(guān)系。當(dāng)環(huán)境溫度為固定值時(shí)，融冰電流隨著覆冰厚度增加而增大。

圖4??覆冰厚度為10?mm時(shí)臨界電流計(jì)算結(jié)果?????圖5風(fēng)速為3m/s臨界融冰電流的計(jì)算結(jié)果

3.2最大允許融冰電流

給覆冰導(dǎo)線通入一定電流，使其在在一定的外部環(huán)境和風(fēng)速的條件下開始融冰，但是其導(dǎo)線內(nèi)芯的最高溫度不能高于70℃的條件下，所允許的最大電流值我們稱之為最大融冰電流。國(guó)家規(guī)定地線最大融冰電流一般不超過100℃。

計(jì)算最大融冰電流的方法：導(dǎo)線在沒有覆冰的條件下，在一定的外部溫度和風(fēng)速中，給導(dǎo)線通入電流，以3A為步進(jìn)，當(dāng)導(dǎo)線的鋼芯內(nèi)部的最高溫度高于100℃，我們稱之為最大融冰電流，最大融冰電流仿真結(jié)果如圖6所示。本文參考的最高限定溫度為100℃。最大融冰電流計(jì)算結(jié)果如表3所示。

環(huán)境溫度

圖6??最大融冰電流仿真溫度分布云圖

在不同的外部條件下，最大融冰電流和臨界電流之間的可調(diào)范圍不同。為了得到融冰電流的調(diào)節(jié)范圍。本文選取覆冰厚度20mm，計(jì)算出不同環(huán)境溫度和風(fēng)速下，最大融冰電流和臨界電流的比率。

從表4中可以看出，當(dāng)覆冰厚度為20mm時(shí)，外部環(huán)境溫度不變，隨著風(fēng)速的增大，最大電流與臨界電流比率增大，最大可達(dá)2.582，可調(diào)節(jié)范圍大。當(dāng)風(fēng)速固定不變，其比率隨著外部環(huán)境溫度降低而減小。最小為1.347，可調(diào)節(jié)范圍小。

環(huán)境溫度

表4最大電流和臨界電流比率

4試驗(yàn)數(shù)值與計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

本文在低溫氣候?qū)嶒?yàn)室進(jìn)行了融冰試驗(yàn)，模擬風(fēng)速3m/s，環(huán)境溫度-3℃;以及風(fēng)速5m/s，環(huán)境溫度-5℃等覆冰氣象條件。對(duì)覆冰導(dǎo)線通入融冰電流，并逐漸增大，記錄覆冰開始融化時(shí)的電流，即為臨界融冰電流試驗(yàn)值。并與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比如表5所示。

從表5中可以看出，計(jì)算值往往要大于試驗(yàn)值，并且有一定誤差。這是由于本文中假定導(dǎo)線外部覆冰是均勻的、邊界條件以及對(duì)流系數(shù)的設(shè)定采用經(jīng)驗(yàn)值，而且忽略了輻射散熱對(duì)融冰過程的影響。這些因素都造成仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差距，但兩者之間相差不大。能夠比較好的驗(yàn)證臨界融冰電流的可靠性。實(shí)際融冰過程中，如銅導(dǎo)線的電流大于上述表中值，即可實(shí)現(xiàn)融冰。

參???數(shù)

試驗(yàn)值

計(jì)算值

試驗(yàn)值

計(jì)算值

表5???GJ-70地線融冰導(dǎo)線臨界電流對(duì)比表

5結(jié)論

對(duì)于地線的融冰電流的仿真分析設(shè)計(jì)到多個(gè)學(xué)科的綜合知識(shí)運(yùn)用，不僅包括電氣，還需要一定的熱學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)。本文通過對(duì)GJ-70地線進(jìn)行建模和仿真。運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，在不同的覆冰厚度前提下，設(shè)置不同溫度和風(fēng)速條件，對(duì)架空地線融冰的臨界電流和最大融冰電流進(jìn)行分析和對(duì)比，可以得出以下結(jié)論。

（1）?臨界和最大融冰電流隨著環(huán)境溫度的降低而呈單調(diào)增加趨勢(shì)，電流與環(huán)境溫度的變化基本呈線性關(guān)系。

（2）?當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，所需要的融冰電流也增大;當(dāng)外部環(huán)境的溫度降低時(shí)，所需要的融冰電流也會(huì)增大。臨界和最大融冰電流與風(fēng)速變化呈現(xiàn)出非線性關(guān)系。

（3）隨著覆冰導(dǎo)線外部環(huán)境越惡劣，最大融冰電流和臨界電流可調(diào)范圍逐漸減小。

本文針對(duì)地線的融冰電流計(jì)算，通過ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析是合理的，仿真和試驗(yàn)得出的結(jié)果相差不大，具有一定的參考價(jià)值和可信度。但本文的仿真結(jié)果及計(jì)算數(shù)據(jù)還需要更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比和改進(jìn)。為了獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，還需要更進(jìn)一步的改進(jìn)數(shù)值計(jì)算方法。

參考文獻(xiàn)

[1]?范松海，劉磐，等.輸電線路直流融冰時(shí)間計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證[J].四川電力技術(shù)：2013，36（2）15-17

[2]?楊立軍，周菊華.基于3D有限元模型的架空輸電線路融冰電流計(jì)算[J].?華中電力：2010，3：10-14

[3]?吳瑞華.輸電線路直流融冰的臨界電流和融冰時(shí)間分析[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)：2010，22（5）：87-91

[4]?杜志葉，阮江軍，?肖微?基于有限元法的架空輸電線路融冰電流計(jì)算[J].電機(jī)電力工程：2008（79）：79-84

[5]?顧小松，王漢青，劉和云.覆冰導(dǎo)線融冰計(jì)算模型[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)：2010，41（5）：63-69

[6]?傅闖，饒宏，等.直流融冰裝置的研究與應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化：2009，33（11）：53-56

[7]?滕玲，OPGW光纜覆冰性能研究[J].電力系統(tǒng)通信：2010，31（2））：8-12

[8]?周鵬，李光輝.??架空地線的融冰方法及改進(jìn)措施[J].湖南電力：2008，28（4）：54-59