王敩青, 張厚榮, 羅望春, 蘇國磊

(中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗中心，廣東 廣州510663)

強寒潮下超高壓輸電線路直流融冰效果差異分析

王敩青, 張厚榮, 羅望春, 蘇國磊

(中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗中心，廣東 廣州510663)

針對強寒潮天氣下超高壓輸電線路各區(qū)段直流融冰效果存在差異的實際案例，根據(jù)輸電線路覆冰在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場信息，結(jié)合輸電線路運行參數(shù)以及直流融冰技術(shù)相關(guān)原理，開展了氣象環(huán)境、覆冰情況及直流融冰參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性分析。結(jié)果表明：地線等效覆冰厚度較大導(dǎo)致融冰所需時間更長，現(xiàn)場氣溫較低、風速較大導(dǎo)致覆冰完全脫落所需的融冰電流有所增加，而實際融冰電流小于所需融冰電流導(dǎo)致覆冰未完全脫落。建議在融冰電流一定的基礎(chǔ)上，若線路覆冰厚度較大，需適當延長融冰時間；若要短時間內(nèi)取得較好的融冰效果，需適當增加融冰電流；在融冰時間一定的基礎(chǔ)上，若線路環(huán)境氣溫較低或風速較大，需適當增加融冰電流。

輸電線路；覆冰；強寒潮；融冰電流；融冰時間

輸電線路覆冰事故嚴重影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行[1-3]。直流融冰作為一種有效抗冰手段，能較快消除覆冰對架空線路的威脅[4-5]。

2016年冬季，華南地區(qū)經(jīng)歷了超強寒潮，受影響區(qū)域的超高壓線路出現(xiàn)了不同程度的覆冰。在開展直流融冰過程中，由于現(xiàn)場天氣惡劣，發(fā)現(xiàn)部分線路區(qū)段融冰效果不佳。針對這種現(xiàn)象，根據(jù)輸電線路覆冰在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、現(xiàn)場特巡反饋信息，結(jié)合輸電線路運行參數(shù)以及直流融冰技術(shù)的相關(guān)原理，開展了氣象環(huán)境、覆冰情況及直流融冰參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性分析，為選擇最優(yōu)參數(shù)、有效開展直流融冰工作提供技術(shù)參考。

1 事件背景

2016年1月22—23日，對某500 kV雙回線路(下文以甲線、乙線表示)開展了多次融冰工作，圖1為對19—181號區(qū)段進行直流融冰時地線的覆冰變化情況，其中拉力倍數(shù)為導(dǎo)線拉力實時測量值與導(dǎo)線無覆冰時拉力測量值之比。下文以基準值表示導(dǎo)線無覆冰時拉力測量值。

圖1 直流融冰期間甲、乙線地線覆冰變化情況

由圖1可知：在直流融冰期間，甲線117、118+1號塔地線覆冰均完全脫落，而108、110、112、118號塔覆冰均未完全脫落；乙線113號塔地線拉力恢復(fù)至基準值的時間明顯較其他塔長，其覆冰完全脫落較112、113+1、115號塔遲約1 h。

2 線路融冰參數(shù)計算公式

以下針對上述2個案例進行分析，以明確直流融冰效果出現(xiàn)差異的原因，并研究融冰參數(shù)與氣象環(huán)境的關(guān)系。

導(dǎo)線融冰電流是指使導(dǎo)線表面覆冰融化的電流。融冰電流在導(dǎo)線電阻中產(chǎn)生的熱量以4種形式消耗[4-5]，一是使冰柱溫度上升至熔點，二是使冰柱融化，三是損失在導(dǎo)線表面到冰柱表面的傳熱途中，四是通過冰柱表面散失。計算公式為

其中：

式中：Ir為融冰電流，A；R0為0 ℃時的導(dǎo)線電阻，Ω/m；tr為融冰時間，h；g0為冰的密度，雨凇為0.9 g/cm3；b為冰層厚度，cm；D為導(dǎo)線覆冰后外徑，cm；RTO為等效冰層傳導(dǎo)熱阻， ℃·cm/W；d為導(dǎo)線直徑，cm；RT1為對流及輻射等效熱阻， ℃·cm/W；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，雨凇為0.027 W/(cm· ℃)，霧凇為0.0012 W/(cm· ℃)；v為風速，m/s；ΔT為導(dǎo)體溫度與外界氣溫之差， ℃，導(dǎo)體溫度可取0 ℃。

通過以上計算公式，可以計算出直流融冰電流和融冰時間。

3 線路融冰參數(shù)分析

3.1 融冰時間

以乙線19—181號區(qū)段地線直流融冰為例，根據(jù)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，查詢得到不同塔位氣溫、拉力值開始下降的起點、終點時刻以及覆冰厚度的變化情況，具體見表1。

表1 乙線地線110-116號區(qū)段融冰情況

桿塔號拉力變化時段拉力變化時長/min氣溫/℃覆冰厚度/mm融冰時間理論計算值/min1138：40—10：20100[-28，-25]146→0941128：50—9：2030[-27，-25]49→035113+18：40—9：2040[-17，-16]59→0391158：40—9：2040[-18，-16]50→035

由表1可見：112、113+1、115號塔等效覆冰厚度[6-7]接近，覆冰完全脫落時間基本在30 min左右；而113號塔等效覆冰厚度較大，覆冰完全脫落時間在100 min左右。

根據(jù)相鄰檔內(nèi)各桿塔所處地形(如圖2所示)，結(jié)合當?shù)靥鞖忸A(yù)報及現(xiàn)場巡視信息，113號塔風速約8 m/s、112號塔風速約7 m/s、113+1號塔風速約6 m/s、115號塔風速約5 m/s，氣溫為終端測量值。根據(jù)直流融冰操作信息，融冰電流為200 A。通過以上參數(shù)計算得出融冰時間理論計算值，見表1。

圖2 乙線111—115號桿塔區(qū)段地形

對比表1的融冰時間理論計算值、拉力變化時長可知，實際情況與理論計算值基本吻合。

為進一步分析融冰時間的影響因素，以等效覆冰厚度及融冰電流為變量，在其他參數(shù)均確定的基礎(chǔ)上，分析融冰時間的變化趨勢[8-11]，結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3可知，融冰時間與導(dǎo)線覆冰厚度基本呈線性關(guān)系，即導(dǎo)線覆冰越厚，融冰時間越長。由圖4可知，融冰時間與融冰電流呈負相關(guān)關(guān)系，即融冰電流越大則融冰時間越短。但需要指出的是，當融冰電流小于一定值(此例為130 A)時，直流融冰將無法獲得融冰效果。

地線型號JLB23-120，氣溫-3 ℃，風速5 m/s，融冰電流200 A。圖3 融冰時間與等效覆冰厚度的關(guān)系

地線型號JLB23-120，氣溫-3 ℃，風速5 m/s，覆冰厚度10 mm。圖4 融冰時間與融冰電流的關(guān)系

綜上所述，因等效覆冰厚度較大，融冰所需時間更長，導(dǎo)致乙線113號塔地線拉力恢復(fù)至基準值的時間明顯較長。在直流融冰過程中，在融冰電流一定的基礎(chǔ)上，若線路覆冰厚度較大，需適當延長融冰時間；若要短時間內(nèi)取得較好的融冰效果，需適當增加融冰電流。

3.2 融冰電流

以甲線19—188號區(qū)段地線直流融冰為例，根據(jù)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，查詢得到不同塔位氣溫、拉力值開始下降的起點和終點時刻、覆冰厚度的變化情況，表2為107—119號區(qū)段的融冰情況。

表2 甲線地線107—119號區(qū)段融冰情況

桿塔號拉力變化時間拉力變化時長/min氣溫/℃覆冰厚度/mm2h融冰電流理論計算值/A10823：00—次日1：00120[-51，-4]66→6321311022：50—次日1：00140[-51，-41]90→722011223：00—次日0：3090[-43，-35]88→3320211723：00—次日0：1070[-45，-39]80→019211823：00—次日1：00120[-39，-32]130→55205118+123：00—23：5050[-39，-32]105→0179

由表2可見：117、118+1號塔達到融冰效果，在1 h左右覆冰完全脫落；而108、110、112、118號塔在2 h左右的直流融冰操作過程中未完全達到融冰效果，甚至部分桿塔覆冰厚度未出現(xiàn)明顯變化。

根據(jù)相鄰檔內(nèi)各桿塔所處地形(如圖5所示)，結(jié)合當?shù)靥鞖忸A(yù)報及現(xiàn)場巡視信息，110、118號塔風速約12 m/s，108、112、117號塔風速約10 m/s，118+1號塔風速約8 m/s，氣溫取終端測量值。根據(jù)直流融冰操作信息，融冰電流為200 A。通過以上參數(shù)計算得出直流融冰持續(xù)2 h的前提下覆冰完全脫落所需的融冰電流理論計算值，見表2。

圖5 甲線108—120號區(qū)段桿塔地形

對比表2的覆冰厚度變化、2 h融冰電流理論計算值可知，2 h融冰電流理論計算值小于200 A的桿塔均達到完全融冰效果，而2 h融冰電流理論計算值超過200 A的桿塔均未完全達到融冰效果。實際情況與理論計算值基本吻合，對于融冰效果不佳的桿塔，要達到覆冰完全脫落的效果且融冰電流必須控制在200 A，則需延長融冰時間，或者在2 h的融冰時間內(nèi)增加融冰電流。

為進一步分析融冰電流的影響因素，以氣象環(huán)境參數(shù)為變量，在其他參數(shù)均確定的基礎(chǔ)上，分析融冰電流的變化趨勢[8-11]，如圖6、圖7所示。

地線型號JLB23-120，風速5 m/s，覆冰厚度10 mm，融冰時間2 h。圖6 融冰電流與氣溫的關(guān)系

地線型號JLB23-120，氣溫-3 ℃，覆冰厚度10 mm，融冰時間2 h。圖7 融冰電流與風速的關(guān)系

由圖6可知：融冰電流與氣溫基本呈負線性相關(guān)關(guān)系，即氣溫越低，所需融冰電流越大；氣溫對融冰電流影響較大，針對本算例，氣溫由0 ℃降至-10 ℃，融冰電流需增加約150 A。由圖7可知：融冰電流與風速呈正相關(guān)關(guān)系，即風速越大，所需融冰電流越大，但風速對融冰電流的影響較氣溫明顯偏小。需要指出的是，正是由于現(xiàn)場風速較大(巡視人員反饋現(xiàn)場風速較大以及氣象預(yù)報附近地區(qū)局部有6級大風)，且不同塔位因地形原因風速存在較大區(qū)別，使得部分桿塔覆冰完全脫落所需的融冰電流超過了實際融冰電流值，從而導(dǎo)致不同桿塔出現(xiàn)明顯不同的融冰效果。

綜上所述，現(xiàn)場氣溫較低、風速較大導(dǎo)致所需融冰電流有所增加，由于實際融冰電流略小于覆冰完全脫落所需融冰電流，甲線108、110、112、118號塔覆冰均未完全脫落。在直流融冰過程中，在融冰時間一定的基礎(chǔ)上，若線路環(huán)境氣溫較低或風速較大，需適當增加融冰電流。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

a)因地線等效覆冰厚度較大，融冰所需時間更長，使得乙線113號塔地線拉力恢復(fù)至基準值的時間明顯較長?，F(xiàn)場氣溫較低、風速較大導(dǎo)致覆冰完全脫落所需融冰電流有所增加，因?qū)嶋H融冰電流略小于所需融冰電流，甲線108、110、112、118號塔覆冰均未完全脫落。

b)融冰時間與導(dǎo)線覆冰厚度基本呈線性關(guān)系，即導(dǎo)線覆冰越厚，融冰時間越長；融冰時間與融冰電流呈負相關(guān)關(guān)系，即融冰電流越大，融冰時間越短。

c)融冰電流與氣溫基本呈負線性相關(guān)關(guān)系，即氣溫越低，所需融冰電流越大；氣溫對融冰電流影響較大。融冰電流與風速呈正相關(guān)關(guān)系，即風速越大，所需融冰電流越大；風速對融冰電流的影響較氣溫明顯偏小。

4.2 建議

a)在直流融冰過程中，在融冰電流一定的基礎(chǔ)上，若線路覆冰厚度較大，需適當延長融冰時間；若要短時間內(nèi)取得較好的融冰效果，需適當增加融冰電流。在融冰時間一定的基礎(chǔ)上，若線路環(huán)境氣溫較低或風速較大，需適當增加融冰電流。

b)在實際融冰過程中，根據(jù)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲取融冰區(qū)段不同塔位的等值覆冰厚度、氣溫及風速測量值，結(jié)合現(xiàn)場巡視人員反饋的線路覆冰、氣象環(huán)境情況，開展以融冰電流、融冰時間為主的直流融冰參數(shù)分析，再綜合考慮系統(tǒng)運行要求，制定針對性更強的直流融冰方案，以獲得最好的融冰效果。

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(編輯 李麗娟)

Analysis on Differences in DC De-icing Effects on EHV Power Transmission Lines Under Strong Cold Wave Weather

WANG Xiaoqing, ZHANG Hourong, LUO Wangchun, SU Guolei

(Maintenance and Test Center of Extra High Voltage Power Transmission Company of China Southern Power Grid, Guangzhou, Guangdong 510663, China)

In allusion to actual cases of differences in DC de-icing effects on EHV power transmission lines under strong cold wave weather, this paper analyzes relevance among weather environment, icing situations and DC de-icing parameters according to online monitoring data of icing of power transmission lines and field information combining with operational parameters of power transmission lines and relevant principles of DC de-icing technology. Results indicate that equivalent icing thickness of earth wire is quite big which causes more longer de-icing time, and low field temperature and larger wind speed cause required de-icing current for icing fall-off increase while actual de-icing current is less which causes icing not fully cleared. It suggests to properly delay de-icing time if icing thickness of the line is big on the basis of certain de-icing current, or increase de-icing current in order to acquire better de-icing effect in short time. In addition, on the basis of certain de-icing time, it is suggested to properly increase de-icing current if environmental temperature of the line is lower or wind speed is larger.

power transmission line; icing; strong cold wave; de-icing current; de-icing time

2016-09-07

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.12.020

TM852

B

1007-290X(2016)12-0110-05

王敩青(1987)，男，江西吉安人。工程師，工學碩士，主要研究方向為輸電設(shè)備外絕緣、輸電設(shè)備在線監(jiān)測。

張厚榮(1989)，男，福建龍巖人。工程師，工學學士，主要研究方向為輸電設(shè)備在線監(jiān)測。

羅望春(1987)，男，湖北天門人。工程師，工學學士，主要研究方向為輸電設(shè)備在線監(jiān)測。