焦 震，杜 鵬，汪 曉，沈 楊，楊乃旗，周 凱

（國網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司，合肥 230000）

超高壓架空輸電線路覆冰是影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的災(zāi)害之一，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起線路過載荷事故、不同期脫冰或不均勻覆冰事故、覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)等事故[1?2]。開展輸電線路除冰技術(shù)研究對(duì)保障電網(wǎng)正常運(yùn)行具有重要意義。

目前國內(nèi)外研究的主要除冰方法包括熱力融冰、機(jī)械除冰、自然除冰和混合除冰。其中：熱力融冰技術(shù)是指對(duì)輸電線路施加融冰電流，通過產(chǎn)生的焦?fàn)枱?，使線路覆冰加熱得以融化并脫落，主要包含交流短路融冰和直流短路融冰；機(jī)械除冰是指利用力學(xué)原理，破壞覆冰的受力平衡使其脫落，主要包括人工除冰、滑輪鏟刮除冰、機(jī)器人除冰等；自然除冰通過自然條件的變化除冰，主要包括覆冰重力、強(qiáng)風(fēng)和自然溫升等。通過分析和比較，熱力融冰方法被認(rèn)為是最為有效的防止電網(wǎng)冰災(zāi)的方法，并廣泛應(yīng)用于我國輸電線路除冰[3?6]。本文提出負(fù)荷交流融冰方法，通過增大負(fù)荷的方式，達(dá)到提升導(dǎo)線溫升而融冰的目的，負(fù)荷交流融冰方法的融冰線路處于帶電運(yùn)行狀態(tài)，不影響電廠負(fù)荷的送出。

基于ANSYS軟件，本文以JLHA3?425絞線為例建立仿真模型，從熱力學(xué)原理對(duì)負(fù)荷交流融冰進(jìn)行介紹，對(duì)施加融冰電流時(shí)的溫度分布情況進(jìn)行研究，并分析覆冰厚度、融冰電流、環(huán)境溫度和風(fēng)速等因素對(duì)融冰時(shí)間和最小融冰電流的影響[7?8]。通過安雙5375和安嶺5376線路的實(shí)例分析，驗(yàn)證了負(fù)荷交流融冰的可行性。

1 有限元仿真及熱力學(xué)分析

1.1 仿真模型建立

仿真模型如圖1所示。圖中，導(dǎo)線外表面覆蓋冰層，冰層厚度和位置可以通過調(diào)整覆冰層半徑實(shí)現(xiàn)，并在導(dǎo)線覆冰模型外施加空氣域。本文以型號(hào)為JLHA3?425的500 kV導(dǎo)線為原型建立導(dǎo)線仿真模型，導(dǎo)線的股數(shù)為37股，每股線芯的直徑為3.83 mm，導(dǎo)線的外徑為26.81 mm，導(dǎo)線截面積為425 mm2，設(shè)置導(dǎo)線長度為200 mm，空氣域與覆冰層的間隙為10 mm。

圖1 仿真模型Fig.1 Simulation model

1.2 仿真參數(shù)設(shè)置及熱力學(xué)分析

本文仿真時(shí)需要綜合考慮電熱耦合、空氣流體和冰水相變問題，因此采用流體（fluent）分析和熱?電（thermal?electric）耦合分析。

熱傳學(xué)認(rèn)為，凡有溫度差，就會(huì)有熱量自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體，負(fù)荷交流融冰正是基于此原理進(jìn)行工作的。熱量傳遞主要有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3種方式[9]。覆冰層與周圍的物體之間存在著熱輻射的熱量傳遞。由于仿真中幾乎不存在熱輻射，所以可以忽略，對(duì)整體結(jié)果影響很小。

輸電線路和覆冰層之間主要通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱量交換，線路產(chǎn)生的焦耳熱通過導(dǎo)線表面?zhèn)鬟f到覆冰層。設(shè)置導(dǎo)線通過總的負(fù)荷電流提供融冰所需焦耳熱，導(dǎo)線、冰層和空氣的材料參數(shù)如表1所示[10]。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，設(shè)置導(dǎo)線的負(fù)荷交流電流，可以得到電流通過導(dǎo)線所產(chǎn)生的焦耳熱以及各部分之間的熱傳導(dǎo)。

表1 材料參數(shù)[10]Tab.1 Material parameters[10]

覆冰層和空氣之間主要是通過熱對(duì)流進(jìn)行熱量交換，當(dāng)覆冰層因?yàn)閷?dǎo)線熱傳導(dǎo)引起覆冰層溫度上升后，覆冰層溫度高于環(huán)境溫度會(huì)通過熱對(duì)流進(jìn)行散熱。因此，通過流體分析，獲取風(fēng)速變化時(shí)覆冰層與空氣之間的換熱系數(shù)，用于熱?電耦合分析，可以獲得冰層和空氣之間的熱對(duì)流。

因?yàn)樽钚∪诒娏魇切枰€(wěn)態(tài)時(shí)最終冰層溫度能夠達(dá)到0℃以上即認(rèn)為達(dá)到融冰條件，此時(shí)電流即為最小融冰電流，所以采用穩(wěn)態(tài)分析。融冰時(shí)間是需要獲得覆冰層溫度隨時(shí)間變化的情況，所以采用瞬態(tài)分析，通過流體分析并考慮冰水的相變。

當(dāng)穩(wěn)態(tài)分析時(shí)，通過流體分析設(shè)置環(huán)境溫度和風(fēng)速，運(yùn)行求解得到不同風(fēng)速下的覆冰層與空氣的換熱系數(shù)，然后將流體分析求解的換熱系數(shù)結(jié)果作為熱?電耦合模塊分析的參數(shù)，并在導(dǎo)線的截面設(shè)置負(fù)荷電流和環(huán)境溫度，運(yùn)行即可得到穩(wěn)態(tài)溫度的仿真結(jié)果。當(dāng)瞬態(tài)仿真時(shí)，通過電分析模塊分析得到不同時(shí)間線芯電流產(chǎn)生的焦耳熱，以其求解得到的覆冰層與導(dǎo)線界面熱量作為流體分析的熱參數(shù)，并設(shè)置冰、水參數(shù)和環(huán)境溫度，進(jìn)行凝固&融化（so?lidification&melting）分析，運(yùn)行仿真得到瞬態(tài)溫度分布和冰水相變結(jié)果。

2 結(jié)果分析

2.1 穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果分析

以負(fù)荷電流800 A、風(fēng)速5 m/s、覆冰厚度8 mm、環(huán)境溫度?5℃為例，覆冰導(dǎo)線截面的溫度分布如圖2所示。由于是穩(wěn)態(tài)最終結(jié)果，所以是換熱平衡之后的結(jié)果。由圖可見，導(dǎo)線線芯的溫度最高，外層溫度逐漸降低，符合實(shí)際線路融冰情況，并且電流為800 A時(shí)穩(wěn)態(tài)溫度較大，此時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于融冰條件。

圖2 溫度分布結(jié)果Fig.2 Distribution results of temperature

設(shè)置初始風(fēng)速為5 m/s，覆冰厚度為8 mm，環(huán)境溫度為?5℃，分析只改變1個(gè)因素時(shí)線路的最小融冰電流的變化情況。

覆冰層外表面迎風(fēng)側(cè)與空氣之間的換熱系數(shù)與最小融冰電流隨風(fēng)速的變化如圖3所示。當(dāng)風(fēng)速不超過20 m/s時(shí)，隨著風(fēng)速的增加換熱系數(shù)的增加逐漸變小，并且覆冰層外表面迎風(fēng)側(cè)換熱系數(shù)與風(fēng)速幾乎呈冪函數(shù)關(guān)系，可見風(fēng)速越大冰層表面的換熱越強(qiáng)；最小融冰電流隨風(fēng)速的增大而逐漸變大，且隨著風(fēng)速的增大最小融冰電流的增幅逐漸減小，與換熱系數(shù)和風(fēng)速的變化關(guān)系基本保持一致。這是因?yàn)轱L(fēng)速會(huì)影響冰層表面的對(duì)流，風(fēng)速越大換熱越快。

圖3 換熱系數(shù)和最小融冰電流與風(fēng)速的關(guān)系Fig.3 Relationship of heat transfer coefficient and minimum ice melting current with wind speed

改變環(huán)境溫度時(shí)，仿真得到環(huán)境溫度與最小融冰電流的關(guān)系如圖4所示。最小融冰電流隨環(huán)境溫度的降低而逐漸變大，且隨著溫度降低最小融冰電流的增幅變小，近似呈冪函數(shù)的關(guān)系。這是因?yàn)榄h(huán)境溫度會(huì)影響到冰層表面的對(duì)流和輻射熱損失，環(huán)境溫度越低，冰層表面的對(duì)流和輻射熱損失就越大，所需要的融冰電流就越大。

圖4 環(huán)境溫度與最小融冰電流的關(guān)系Fig.4 Relationship between ambient temperature and minimum ice melting current

改變冰層厚度時(shí)，仿真得到冰層厚度與最小融冰電流的關(guān)系如圖5所示。最小融冰電流隨冰層厚度的增大而逐漸變大，并且近似呈線性關(guān)系。這是因?yàn)楸鶎雍穸葧?huì)影響熱傳導(dǎo)，冰層越厚熱傳導(dǎo)所需時(shí)間越長，冰層融化所需的融冰電流也就越大。

圖5 覆冰厚度與最小融冰電流的關(guān)系Fig.5 Relationship between ice thickness and minimum ice melting current

由上述分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)線路的負(fù)荷交流大于最小融冰電流時(shí)，導(dǎo)線覆冰層開始融化。

2.2 瞬態(tài)仿真結(jié)果分析

以負(fù)荷電流800 A、風(fēng)速5m/s、覆冰厚度8 mm、環(huán)境溫度?5℃為例，運(yùn)行10 min時(shí)覆冰相變和溫度分布如圖6所示。對(duì)于冰水相變，設(shè)置結(jié)果為0時(shí)表示形態(tài)為冰，結(jié)果為1.00時(shí)表示融化為水。由圖6可見：此情況下10 min時(shí)覆冰層開始融化，并且與線芯接觸的覆冰層首先融化。運(yùn)行60 min時(shí)覆冰相變和溫度分布如圖7所示。由圖7可見，覆冰層溫度大部分高于0℃，冰水相變結(jié)果與溫度分布結(jié)果一致，內(nèi)層幾乎完全融化。

圖6 10 min瞬態(tài)仿真結(jié)果Fig.6 Transient simulation results at 10 min

圖7 60 min瞬態(tài)仿真結(jié)果Fig.7 Transient simulation results at 60 min

為了保證冰層融化，設(shè)置瞬態(tài)仿真初始負(fù)荷電流為1 000 A，風(fēng)速為5 m/s，覆冰厚度為8 mm，環(huán)境溫度為?5℃，只改變其中1個(gè)因素，分析融冰時(shí)間的變化情況。

風(fēng)速和環(huán)境溫度與融冰時(shí)間的關(guān)系如圖8所示?？梢姡喝诒鶗r(shí)間隨風(fēng)速的增大和環(huán)境溫度的降低逐漸變長，并且近似呈指數(shù)關(guān)系；當(dāng)達(dá)到臨界風(fēng)速和臨界溫度的時(shí)候，冰層不會(huì)融化。這是因?yàn)轱L(fēng)速和環(huán)境溫度會(huì)影響冰層表面的對(duì)流，當(dāng)冰層表面損失的熱量大于或等于導(dǎo)線的焦耳熱時(shí)，冰層不會(huì)發(fā)生融化。

改變冰層厚度時(shí)，仿真得到冰層厚度與融冰時(shí)間的關(guān)系如圖9所示。如融冰時(shí)間隨冰層厚度的增大逐漸變長，并且近似呈線性關(guān)系。這是因?yàn)楸鶎雍穸葧?huì)影響熱傳導(dǎo)的進(jìn)行，冰層越厚熱量傳導(dǎo)所需時(shí)間越長，冰層融化所需時(shí)間也越長。

圖8 風(fēng)速、溫度與融冰時(shí)間的關(guān)系Fig.8 Relationship of wind speed and temperature with ice melting time

圖9 覆冰厚度與融冰時(shí)間的關(guān)系Fig.9 Relationship between ice thickness and ice melting time

改變負(fù)荷電流時(shí)，仿真得到負(fù)荷電流與融冰時(shí)間的關(guān)系如圖10所示。可見：融冰時(shí)間隨負(fù)荷電流的增大而逐漸變小，近似呈指數(shù)關(guān)系；并且存在臨界負(fù)荷電流，當(dāng)負(fù)荷電流小于該臨界電流時(shí)，冰層不會(huì)發(fā)生融化。這是因?yàn)樨?fù)荷電流越大，導(dǎo)線產(chǎn)熱越多，冰層融化越快，當(dāng)負(fù)荷電流產(chǎn)熱小于冰層散熱時(shí)，冰層不會(huì)發(fā)生融化。

圖10 負(fù)荷電流與融冰時(shí)間的關(guān)系Fig.10 Relationship between load current and ice melting time

3 實(shí)例驗(yàn)證分析

根據(jù)上述結(jié)果，對(duì)500 kV安雙5375和安嶺5376線路進(jìn)行負(fù)荷交流融冰，驗(yàn)證負(fù)荷交流融冰的可靠性。

在2020?01?16T07：00對(duì)安雙5375和安嶺5376線路進(jìn)行巡視，發(fā)現(xiàn)線路出現(xiàn)覆冰情況，覆冰情況比較嚴(yán)重，需要進(jìn)行融冰。2020?01?16T15：00，對(duì)安嶺5376線路58號(hào)—59號(hào)覆冰區(qū)段巡視，導(dǎo)地線、絕緣子及桿塔覆冰厚度1～2mm，線路局部覆冰厚度達(dá)10mm，現(xiàn)場溫度0.2℃，風(fēng)速1.62 m/s。為了達(dá)到快速融冰的效果，選擇調(diào)整線路總負(fù)荷電流為1 700 A進(jìn)行線路融冰，安嶺5376負(fù)荷如圖11示，截止2020?01?16T16：31，經(jīng)過91 min，導(dǎo)線覆冰全部脫落。

圖11 安嶺5376負(fù)荷Fig.11 Load of Anling 5376 line

2020?01?16T23：00對(duì)安雙5375線路58號(hào)—59號(hào)覆冰區(qū)段巡視，導(dǎo)地線、絕緣子及桿塔有1～2 mm覆冰，線路局部覆冰厚度達(dá)13 mm，現(xiàn)場溫度0.1℃，風(fēng)速1.11 m/s。為了達(dá)到快速融冰的效果，選擇調(diào)整線路總負(fù)荷電流為1 700 A進(jìn)行線路融冰，安雙5375負(fù)荷如圖12所示。至2020?01?16T01：30，經(jīng)過150 min，導(dǎo)線覆冰全部脫落。融冰前后的導(dǎo)線如圖13所示。

圖12 安雙5375負(fù)荷Fig.12 Load of Anshuang 5375 line

圖13 融冰前后的導(dǎo)線Fig.13 Wire before and after ice melting

因?yàn)榘搽p5375覆冰厚度更大，所以在同樣負(fù)荷電流情況下融冰時(shí)間更長，并且現(xiàn)場環(huán)境因素更復(fù)雜，融冰時(shí)間要略長于仿真所得數(shù)據(jù)。500 kV安雙5375和安嶺5376線路融冰實(shí)例驗(yàn)證了負(fù)荷交流融冰的可行性，并且為了快速融冰需要綜合考慮覆冰厚度、溫度和風(fēng)速因素，設(shè)置負(fù)荷電流時(shí)由于實(shí)際運(yùn)行線路工況的復(fù)雜性，可以基于仿真結(jié)果選擇更大的負(fù)荷電流進(jìn)行融冰。

4 結(jié)論

本文建模分析了高壓輸電線路負(fù)荷交流融冰的影響因素，主要結(jié)論如下。

（1）最小融冰電流與風(fēng)速和環(huán)境溫度近似呈冪函數(shù)關(guān)系，與覆冰厚度呈線性關(guān)系。

（2）融冰時(shí)間與風(fēng)速、環(huán)境溫度和負(fù)荷電流呈指數(shù)關(guān)系，并且存在臨界風(fēng)速、溫度和電流，當(dāng)越過臨界線時(shí)冰層不會(huì)發(fā)生融化。

（3）融冰時(shí)間隨冰層厚度的增大逐漸變長，并且近似呈線性關(guān)系。

（4）通過500kV安雙5375和安嶺5376線路的應(yīng)用，驗(yàn)證了負(fù)荷交流融冰的可行性。