摘要：本文介紹了輸電線路冰害特點(diǎn)及覆冰形成機(jī)理分析，重點(diǎn)介紹了美國(guó)在電脈沖除冰方面的研究情況及俄羅斯利用可控硅整流技術(shù)研制的融冰與無功靜補(bǔ)雙用途綜合裝置的情況。 　　關(guān)鍵詞：輸電線路；覆冰；融冰；技術(shù)；裝置
　　中圖分類號(hào)：TM855 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　
　　2008年1月中旬全國(guó)各地普降大雪以來，南方數(shù)省輸電線路遭遇前所未有的災(zāi)害。由于遭遇罕見覆冰，輸電線路鐵塔倒塌，線路嚴(yán)重受損斷線，湖南、湖北、福建、廣西等南方數(shù)省區(qū)的供電都大受影響，京廣線交通也因?yàn)殡娐肥軗p而受到嚴(yán)重阻礙。輸電線路冬季因受冰雪危害引起的供電中斷事故通常都是較嚴(yán)重的，其修復(fù)工作難度大，周期長(zhǎng)，停電影響面積廣，因此一直是全世界范圍內(nèi)需要解決的難點(diǎn)問題。各國(guó)的研究人員設(shè)計(jì)出不少方案，用以提前將導(dǎo)線上的積雪、覆冰去除，避免引起擊穿、斷線舞動(dòng)等事故。目前常用的方法仍然是采用增加線路電流使之發(fā)熱將冰雪融化防患于未然。另外，也有研究者提出了電脈沖除冰的方法，并做了許多試驗(yàn)工作，雖然最終未獲成功，卻也積累了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)。
　　冰害對(duì)電力系統(tǒng)來講是個(gè)季節(jié)性危害，為除冰而配置的變電站設(shè)備，其使用也是季節(jié)性的；而且，即使是在冬季，除冰裝置也不是一直在使用，而是短時(shí)使用。如果在非除冰時(shí)間將其閑置不用也是一種比較大的浪費(fèi)，因而有些研究者提出的將加熱融冰設(shè)備與無功靜止補(bǔ)償裝置合二為一的方案，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較上應(yīng)具有較大優(yōu)勢(shì)，并且獲得了一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，是值得推廣的。
　　
　　1 輸電線路覆冰分析
　　
　　線路覆冰是受微氣象、微地形及溫度、濕度、冷暖空氣對(duì)流、環(huán)流以及風(fēng)等因素影響的綜合物理現(xiàn)象。
　　1.1 線路覆冰形成機(jī)理
　　一般情況下，導(dǎo)線覆冰的基本過程是：當(dāng)氣溫下降到－5～0℃，風(fēng)速為3～15m/s時(shí)，如果遇到大霧或小雨，首先將在導(dǎo)線上形成雨��；如果天氣驟然變冷，氣溫下降，出現(xiàn)雨雪天氣，凍雨和雪則在黏結(jié)強(qiáng)度很高的雨凇冰面上迅速增長(zhǎng)，形成密度大于0.6g/cm3的較厚冰層；如果溫度繼續(xù)下降到－15～－8℃，原有冰層外則積覆霧凇。這種過程將導(dǎo)致導(dǎo)線表面形成雨凇-混合凇-霧凇的復(fù)合冰層。
　　輸電線路導(dǎo)線表面產(chǎn)生覆冰，必須達(dá)到以下氣象條件：①氣溫及導(dǎo)線表面溫度達(dá)到
　　0℃以下；②空氣相對(duì)濕度在85%以上；③風(fēng)速大于1m/s。
　　在我國(guó)的絕大部分地區(qū)都有覆冰條件，且覆冰厚度可達(dá)3mm以上，因而都有可能發(fā)生覆冰故障。
　　1.2 輸電線路冰害故障特點(diǎn)
　　覆冰對(duì)線路的危害有過負(fù)荷、覆冰舞動(dòng)和脫冰跳躍、絕緣子冰閃，會(huì)造成塔桿變形、倒塔、導(dǎo)線斷股、金具和絕緣子損壞、絕緣子閃絡(luò)等事故。
　　過負(fù)載即線路覆冰后的實(shí)際重量超過設(shè)計(jì)值很多，從而導(dǎo)致架空輸電線路機(jī)械和電氣方面的事故。從負(fù)荷方面可分為垂直負(fù)荷、水平負(fù)荷、縱向負(fù)荷。
　　輸電線路不僅承受其自重、覆冰等靜荷載，而且還要承受風(fēng)產(chǎn)生的動(dòng)荷載。在一定條件下，覆冰導(dǎo)線受穩(wěn)態(tài)橫向風(fēng)作用，可能引起大幅低頻振動(dòng)，即舞動(dòng)。此外，導(dǎo)線脫冰跳躍也會(huì)使導(dǎo)線發(fā)生舞動(dòng)，導(dǎo)線舞動(dòng)是威脅輸電線路安全運(yùn)行的重要因素。
　　較大范圍降雪導(dǎo)致的融冰雪、霧凇、雨凇和區(qū)域性的持續(xù)大霧，是一種特殊形式的污穢，易形成大范圍的絕緣子冰閃故障。絕緣子串冰閃是220～500kV覆冰線路跳閘的主要原因。
　　2 電脈沖除冰的嘗試
　　電脈沖除冰（Electro-Impulse De-Icing，簡(jiǎn)稱EIDI）技術(shù)出現(xiàn)于第二次世界大戰(zhàn)之前，其基本原理即是采用電容器組向線圈放電，由線圈產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，在置于線圈附近的導(dǎo)電板（即目標(biāo)物）上產(chǎn)生一個(gè)幅值高、持續(xù)時(shí)間短的機(jī)械力，從而使冰破裂而脫落。此方法在飛機(jī)除冰方面有成功的經(jīng)驗(yàn)，在此情況下，導(dǎo)電極即是飛機(jī)機(jī)翼或其它部位的鋁質(zhì)表面。當(dāng)施加此脈沖時(shí)，電動(dòng)力引起鋁質(zhì)表面輕微的收縮和擴(kuò)張，使得附著在上面的冰滑落，從而達(dá)到除冰的目的。EIDI裝置的電氣原理如圖1所示。
　　
　　圖1中的目標(biāo)物可以是待除冰物體（比如飛機(jī)機(jī)翼），或者是鋁板（此鋁板與待除冰物體相連接），或者是另一個(gè)線圈（此線圈與待除冰物體相連）。對(duì)輸電線路除冰，目標(biāo)物可以是后兩種形式。
　　美國(guó)堪薩斯州的Wichita州立大學(xué)提出的輸電線路EIDI裝置示意圖如圖2所示。
　　
　　每根電線桿上安裝1個(gè)EIDI單元，其中包括了貯能電容器，可控硅及相應(yīng)的電子線路。每個(gè)柱上單元可以帶6組EIDI執(zhí)行器，每一個(gè)執(zhí)行器包括脈沖線圈和目標(biāo)物，目標(biāo)物是與導(dǎo)線直接相連的線圈。貯能電容器及EIDI單元中其它部件直接由線路上的電流互感器或電壓互感器供電。EIDI單元可以遙控，并且可以通過幾種形式的冰探測(cè)器來自動(dòng)控制其動(dòng)作：當(dāng)探測(cè)器給出指示覆冰情況的信號(hào)后，EIDI單元?jiǎng)幼�，向�?zhí)行器中的脈沖線圈發(fā)出脈沖電流，執(zhí)行器由此獲得的沖擊力將使冰雪從導(dǎo)線脫落。在對(duì)所設(shè)計(jì)的EIDI裝置進(jìn)行改進(jìn)并用于實(shí)際線路除冰之前，研究者成功地將一段3m長(zhǎng)，477MCM ACSR型導(dǎo)線上12.5mm厚的覆冰去除，說明此方法有可能在實(shí)際線路上取得成功。此試驗(yàn)中貯能電容器為600μF，充電電壓為1.75kV，估算的沖擊力約4.5kN，模擬線路檔距張力約2kN。
　　但是，當(dāng)將此裝置（仍使用600μF，1.75kV）用于專門建設(shè)的100m長(zhǎng)檔距的試驗(yàn)線段上時(shí)，它僅能去除約3～5m長(zhǎng)的一段上的覆冰，脈沖振動(dòng)雖然能繼續(xù)沿導(dǎo)線向檔距中部傳播，但空間陡度已不足以使覆冰脫落。試驗(yàn)中覆冰厚度從0～18mm變化，并不影響有效去除覆冰段的長(zhǎng)度。將充電電壓增加至2.2kV可以明顯改善除冰能力，但由于此時(shí)導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)過分劇烈，因此試驗(yàn)沒有繼續(xù)往下進(jìn)行。
　　
　　3 加熱融冰技術(shù)――用于加熱融冰與無功靜補(bǔ)的雙用途可控硅整流裝置
　　
　　目前技術(shù)上較成熟的高壓輸電線路自動(dòng)除冰技術(shù)是采用增加導(dǎo)線中的電流，使之超過工作電流，引起導(dǎo)線發(fā)熱，從而使附著在導(dǎo)線上的冰、雪、霧凇等融化脫落，達(dá)到去除它們的目的。加熱融冰技術(shù)既可采用交流電流，也可采用直流電流。冰害較嚴(yán)重的前蘇聯(lián)自1972年開始使用二極管整流裝置融冰，現(xiàn)在則采用可控硅整流裝置。
　　可控硅技術(shù)發(fā)展到今天，建造融冰用的各種電壓、電流可控整流裝置已不成問題，主要還是對(duì)具體工程而言其技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較上是否滿足要求。考慮到融冰裝置每年只工作有限的天數(shù)，在其余時(shí)間就可以將其整流部分用于其它的功能，比如其可控硅整流器用作無功靜止補(bǔ)償。這樣，從綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較上采用可控硅整流融冰就是合算的了。
　　根據(jù)這種思路，俄羅斯直流研究院（НИИПТ）研制成功了兩個(gè)電壓等級(jí)的可控硅整流融冰裝置：14kV（由11kV交流母線供電）和50kV（由38.5kV交流母線供電）。14kV裝置的額定功率為14MW（型號(hào)ВУПГ-1000-14），50kV裝置的額定功率為50MW（型號(hào)ВУПГ-1000-50）。50MW裝置于1994年在變電站投運(yùn)，用于一條315km長(zhǎng)的110kV輸電線路的除冰。
　　這種融冰裝置包括1臺(tái)型號(hào)為ТДТН-40000/40000/40000的三繞組（115/38.5/11.0kV）變壓器、具有典型保護(hù)的高低壓側(cè)開關(guān)和刀閘、可控硅整流器ВУПГ-1000-50（包括控制系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)、整流閥強(qiáng)迫空冷系統(tǒng)等）、連接110kV線路和融冰裝置的母線及開關(guān)裝置。
　　通過計(jì)算選定采用板狀可控硅（型號(hào)Т153-630）。每個(gè)閥包含40個(gè)串聯(lián)的單元（預(yù)留10?裕度），每個(gè)單元都具有分壓和阻尼回路、控制脈沖形成回路和可控硅陽(yáng)極保護(hù)回路，可控硅的控制采用電纜――變壓器系統(tǒng)。
　　整流器置于配電裝置區(qū)專門的小間內(nèi)，此小間的墻壁為發(fā)泡聚胺酯制作，其中安裝有三相交流和直流正、負(fù)極絕緣子（套管）。循環(huán)冷卻空氣由位于零電位的風(fēng)扇供給。為了保證在長(zhǎng)期閑置后的安全投運(yùn)，專門設(shè)計(jì)了空氣加熱器，用于對(duì)可控硅閥的元件進(jìn)行預(yù)熱干燥。
　　可控硅整流融冰裝置工作時(shí)要在電網(wǎng)中產(chǎn)生電流和電壓諧波，應(yīng)該在交、直流兩側(cè)安裝濾波器�？紤]到濾波裝置造價(jià)較高，用戶同意不安裝濾波器裝置。
　　實(shí)踐中采用的融冰方式為：退出運(yùn)行的線路，其中一相導(dǎo)線接正極（或負(fù)極），另外兩相導(dǎo)線并聯(lián)接負(fù)極（或正極）。融冰時(shí)間為（包括開關(guān)倒閘操作時(shí)間在內(nèi)）2～2.5h。
　　在上述融冰裝置的基礎(chǔ)上，很容易通過增加一些元件構(gòu)成無功靜止補(bǔ)償裝置，從而提高整個(gè)裝置的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。這種組合裝置是在可控硅整流融冰裝置的基礎(chǔ)上增加了L-C濾波支路、電抗器和無功調(diào)整結(jié)點(diǎn)。
　　
　　4 防凍融冰存在的問題及分析
　　
　　輸電線路的融冰操作性質(zhì)屬于事故處理。值班調(diào)度員臨時(shí)擬寫操作指令票，安排電網(wǎng)運(yùn)行方式，臨時(shí)將輸電線路上的用戶轉(zhuǎn)移到其他線路上供電，操作任務(wù)多且很復(fù)雜，往往一條輸電線路融完冰要幾個(gè)小時(shí)到十幾個(gè)小時(shí)，如果這期間線路不堪重負(fù)發(fā)生倒桿斷線，則將前功盡棄，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全和停止廣大用戶的供電。融冰準(zhǔn)備的倉(cāng)促性、操作的復(fù)雜性、耗時(shí)的長(zhǎng)期性、供電的可靠性等等這些問題直接制約著輸電線路的融冰工作。如果能有效提高融冰操作時(shí)間，那以上的威脅就大大減少了。
　　我國(guó)最常用的是人工除冰方法。輸電線路覆冰最嚴(yán)重的區(qū)段一般只是一條線路中的幾檔或十幾檔，最長(zhǎng)也只有幾十公里至100公里左右，所以用木棍、竹竿等最原始的工具對(duì)最嚴(yán)重的覆冰線路段進(jìn)行敲擊，就可除去線路上的覆冰。另一種方法是利用起重機(jī)、絕緣作業(yè)工具車或帶電直接作業(yè)方式除冰。由人力在地面操作拉動(dòng)滑輪在線路上滑動(dòng)來鏟除線路覆冰的方法，在我國(guó)并不經(jīng)常采用。
　　此外，還有熱力融冰技術(shù)、過電流融冰技術(shù)、短路融冰技術(shù)等。短路融冰技術(shù)包括不帶負(fù)荷的三相短路融冰技術(shù)、導(dǎo)線對(duì)導(dǎo)線兩相短路融冰技術(shù)、導(dǎo)線對(duì)地線單相短路融冰技術(shù)，以及傳統(tǒng)的帶負(fù)荷融冰技術(shù)、利用介質(zhì)損耗除冰技術(shù)、利用短路電磁力除冰技術(shù)等。其中利用短路電磁力除冰技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較大影響，不適用于超高壓輸電線路；不帶負(fù)荷短路加熱導(dǎo)線融冰方法最為完善，在我國(guó)應(yīng)用較為廣泛；傳統(tǒng)的帶負(fù)荷融冰方法只適用于局部覆冰嚴(yán)重地段的線路，對(duì)大面積覆冰地區(qū)線路的融冰或較長(zhǎng)線路的全線融冰還做不到；利用介質(zhì)損耗除冰技術(shù)，把電介質(zhì)加熱和趨膚效應(yīng)加熱結(jié)合起來，可以均勻除冰，能耗較低，移動(dòng)靈活方便，但有待于解決電磁干擾問題。
　　
　　5 結(jié)束語
　　
　　輸電線路覆冰故障嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。為防止線路發(fā)生覆冰故障，首先在設(shè)計(jì)輸電線路階段采用合適抗冰設(shè)計(jì)設(shè)施；在設(shè)計(jì)階段無法做到有效抗冰時(shí)，應(yīng)該考慮采用合適的防冰和除冰技術(shù)設(shè)施。
　　
　　參考文獻(xiàn)
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