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輸電線路除融冰技術(shù)探析論文
摘要：本文主要分析了影響輸電線路覆冰的因素及其危害，并系統(tǒng)介紹了除(融)冰技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了輸電線路除(融)冰技術(shù)拓展應(yīng)用研究的新思路。
關(guān)鍵詞：輸電線路；除(融)冰技術(shù)；探析
2008年1月中旬至2月初，受大面積降雪和凍雨天氣影響，我國(guó)南方地區(qū)遭遇大范圍降雨、雪天氣，經(jīng)歷了有氣象記錄以來最嚴(yán)重的持續(xù)低溫雨雪冰凍災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計(jì)：國(guó)家電網(wǎng)公司系統(tǒng)由于覆冰造成高壓線路桿塔倒塌17.2萬基，受損1.2萬基；低壓線路倒塔斷桿51.9萬基，受損15.3萬公里；各級(jí)電壓等級(jí)線路停運(yùn)15.3萬條，變電站停運(yùn)884座。南方電網(wǎng)公司系統(tǒng)桿塔損毀12萬多基，受損線路7000多條，變電站停運(yùn)859座。此次冰災(zāi)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣、覆冰強(qiáng)度高、危害巨大實(shí)屬歷史罕見。這次冰災(zāi)的直接原因是大范圍長(zhǎng)時(shí)間低溫、雨雪冰凍氣候所致。那么，如何利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)快速、安全、高效地清除輸電線路上的覆冰，是擺在我們面前的一個(gè)重要的研究課題。
1.影響輸電線路覆冰的因素
1.1氣象因素
輸電線路覆冰主要發(fā)生在11月至次年3月間，尤其在入冬和倒春寒時(shí)覆冰發(fā)生的頻率最高。當(dāng)溫度低于０℃時(shí)，大氣中的小水滴將發(fā)生過冷卻，氣流中過冷卻水滴與處于過冷卻水滴包圍的輸電線路導(dǎo)線發(fā)生碰撞，并凍結(jié)在導(dǎo)線表面而形成覆冰。
1.2海拔高程因素
就同一個(gè)地區(qū)來說，一般海拔高程愈高，愈易覆冰，覆冰也愈厚，且多為霧凇；海拔高程較低處，其冰厚雖較薄，但多為雨凇或混合凍結(jié)。
1.3線路走向及懸掛高度因素
東西走向的導(dǎo)線覆冰普遍較南北走向的導(dǎo)線覆冰嚴(yán)重。因?yàn)槎靖脖鞖獯蠖酁楸憋L(fēng)或西北風(fēng)，因此，在嚴(yán)重覆冰地段選擇線路走廊時(shí)，應(yīng)盡量避免導(dǎo)線呈東西走向。
1.4導(dǎo)線直徑因素
在常見的小于或等于８m/s的風(fēng)速下，直徑小于或等于4cm的導(dǎo)線，相對(duì)較粗的導(dǎo)線的單位長(zhǎng)度覆冰量比相對(duì)較細(xì)的導(dǎo)線重；對(duì)于直徑大于4cm的導(dǎo)線，單位長(zhǎng)度覆冰重量反比較細(xì)的導(dǎo)線輕；在大于8m/s的較大風(fēng)速下，對(duì)于任何直徑的導(dǎo)線，導(dǎo)線越粗覆冰越重，但覆冰厚度隨導(dǎo)線直徑的增加而減小。
1.5導(dǎo)線表面電場(chǎng)因素
現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及試驗(yàn)研究表明，電場(chǎng)強(qiáng)度較小時(shí)導(dǎo)線覆冰量、冰厚及密度隨電場(chǎng)強(qiáng)度增加而增加，可當(dāng)電場(chǎng)足夠高時(shí)，帶電導(dǎo)線的覆冰比不帶電導(dǎo)線覆冰少很多，覆冰量與電壓極性有明顯關(guān)系；此外，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，導(dǎo)線覆冰的密度也較無電場(chǎng)時(shí)小。
2.輸電線路覆冰的危害
2.1過負(fù)載危害
過負(fù)載危害，即導(dǎo)線覆冰超過設(shè)計(jì)抗冰厚度(覆冰后質(zhì)量、風(fēng)壓面積增加)而導(dǎo)致的事故。機(jī)械事故包括：金具損壞、導(dǎo)線斷股、桿塔損折、絕緣子串翻轉(zhuǎn)、撞裂等；電氣事故，是指覆冰使線路弧垂增大從而造成閃絡(luò)和燒傷、燒斷導(dǎo)線等。
2.2不均勻覆冰或不同期脫冰危害
相鄰檔的不均勻覆冰或線路不同期脫冰會(huì)產(chǎn)生張力差，導(dǎo)致導(dǎo)線縮頸或斷裂、絕緣子損傷或破裂、桿塔橫擔(dān)扭轉(zhuǎn)或變形、導(dǎo)線和絕緣子閃絡(luò)及導(dǎo)線電氣間隙減少而發(fā)生閃絡(luò)等。
2.3覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)危害
導(dǎo)線有覆冰且為非對(duì)稱覆冰(迎風(fēng)側(cè)厚，背風(fēng)側(cè)薄)時(shí)，線路易發(fā)生舞動(dòng)；大截面導(dǎo)線比小截面導(dǎo)線易舞動(dòng)，分裂導(dǎo)線比單導(dǎo)線易舞動(dòng)；0℃時(shí)導(dǎo)線張力低至20～80N/mm2易發(fā)生舞動(dòng)。導(dǎo)線舞動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡順線路方向看近似橢圓形，由于舞動(dòng)的幅度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，輕則引起相間閃絡(luò)，損壞地線、導(dǎo)線、金具等部件，重則導(dǎo)致線路跳閘停電、斷線倒塔等嚴(yán)重事故。
2.4絕緣子冰閃危害
覆冰改變了絕緣子的電場(chǎng)分布，覆冰中含有污穢等導(dǎo)電雜質(zhì)時(shí)更易造成冰閃。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2003年我國(guó)500kV線路非計(jì)劃停運(yùn)原因中冰閃約占23%，在外力破壞類原因中居第二位。2004年10月到2005年1月我國(guó)華中地區(qū)連續(xù)發(fā)生了多起惡性覆冰閃絡(luò)事故。1963年11月美國(guó)西海岸一條345kV線路發(fā)生絕緣子串覆冰閃絡(luò)，在恢復(fù)送電3～4min內(nèi)，覆冰絕緣子由微弱放電迅速發(fā)展到全面閃絡(luò)。1988年加拿大魁北克省安那迪變電站連續(xù)發(fā)生6次絕緣子閃絡(luò)事故，造成該省大部分地區(qū)停電。
3.除(融)冰技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)除冰技術(shù)的開發(fā)相當(dāng)重視，提出了30余種除冰技術(shù)。根據(jù)工作原理，這些除冰技術(shù)可歸納為以下四類：熱力除（融）冰法、機(jī)械除冰法、自然被動(dòng)除冰法和其它除冰方法。
3.1熱力除（融）冰法
熱力除（融）冰法是利用附加熱源或者自身發(fā)熱，使冰雪在導(dǎo)線上無法積覆，或使已經(jīng)積覆的冰雪熔化。該策略是在20世紀(jì)30年代于參考文獻(xiàn)[3][4]中提出的。目前討論較多的熱力除冰技術(shù)有：高壓直流電流除冰技術(shù)[5]、交流電流除冰技術(shù)[6]、利用高頻高電壓激勵(lì)產(chǎn)生的介電損失除冰技術(shù)[7]等。典型應(yīng)用有：1987年日本研制的電阻性鐵磁線、1988年由武漢高壓研究所研制的低居里磁熱線（這種材料在溫度<0℃時(shí)，磁滯損耗大，發(fā)熱可阻止積覆冰雪或熔冰；當(dāng)溫度>0℃時(shí)，不需要熔冰，損耗很小。這種方法除冰的效果較明顯，但能量消耗較高、使用成本高）、短路電流融冰法（加拿大Manitoba水電局采用過，湖南電網(wǎng)也大面積采用，取得了較好的效果。這類方法只能應(yīng)用于覆冰期，且應(yīng)用費(fèi)用較高）。熱力除冰方法效果較明顯，但能量損耗大，投資成本高，不適用于遠(yuǎn)距離防護(hù)和除冰。
3.2機(jī)械除冰法
機(jī)械除冰法，最早的有“ADHOC”法、滑輪鏟刮法和強(qiáng)力振動(dòng)法。“ADHOC”法，就是用起重機(jī)、絕緣作業(yè)工具車或采取帶電直接作業(yè)方式機(jī)械除冰，有時(shí)也采用手工除冰或直升飛機(jī)除冰，它耗能小，價(jià)格低廉，但操作困難，安全性比較差�；嗙P刮法，是一種由地面操作人員拉動(dòng)一個(gè)可在線路上行走的滑輪達(dá)到鏟除導(dǎo)線覆冰的方法，此種方法是目前唯一得到實(shí)際應(yīng)用的輸電線路除冰的機(jī)械方法，但其被動(dòng)性強(qiáng)，無防冰效果，工作強(qiáng)度大，效率低，易受地形限制。強(qiáng)力振動(dòng)法，采用電磁力或電脈沖使導(dǎo)線產(chǎn)生強(qiáng)烈而又在控制范圍內(nèi)的振動(dòng)來除冰，對(duì)雨淞效果有限，除冰效果不佳。由于機(jī)械除冰法在輸電線路上使用時(shí)具有操作困難、安全性能不完善等缺點(diǎn)，在我國(guó)輸電線路應(yīng)用較少。
3.3自然被動(dòng)除冰法
自然被動(dòng)除冰法是利用風(fēng)或其它自然力的作用，再輔以恰當(dāng)?shù)娜斯ぴO(shè)備，例如在導(dǎo)線上安裝阻雪環(huán)、平衡錘等裝置[8]，使冰雪不易在導(dǎo)線上聚結(jié)而自行脫落，從而起到防、除冰作用。此類方法簡(jiǎn)便易行，成本低，但通常只在特定時(shí)間和地域(如多風(fēng)季節(jié)的山脊、風(fēng)口)有效，不能全面徹底地防止輸電線路覆冰災(zāi)害。而正在研究中的輸電線路防覆冰涂料，也是一種被動(dòng)除冰方法。被動(dòng)除冰法雖不能保證可靠除冰，但無需附加能量；雖不能阻止冰的形成，但有助于限制冰災(zāi)。
3.4其它除冰方法
除上述方法外，電子凍結(jié)、電暈放電和碰撞前顆粒凍結(jié)、加熱等方法也正在國(guó)內(nèi)外研究。電子凍結(jié)技術(shù)只在負(fù)極性下有效，這將大大降低其使用性。電暈放電技術(shù)已證明對(duì)除冰無效。利用微波加熱霧滴技術(shù)，需要大量能源。
4.初步研究結(jié)論及拓展應(yīng)用研究思路
4.1初步研究結(jié)論
通過對(duì)以上各種除冰方法的比較分析可以得出以下結(jié)論：
�。�1）主動(dòng)除冰技術(shù)占除冰技術(shù)的主導(dǎo)地位，但需要外界提供能量或者附加機(jī)械力。
�。�2）各種方法中，加熱導(dǎo)線的熱力除冰法最為完善。機(jī)械法，除滑輪鏟刮法在實(shí)際中已得到應(yīng)用外，其余均未得到足夠重視。由于熱力融冰法和滑輪鏟刮法價(jià)格昂貴，通常被經(jīng)濟(jì)實(shí)用的機(jī)械除冰法所替代。
�。�3）被動(dòng)方法不需基本投入，且運(yùn)作價(jià)格低廉，但這種方法效率低，受自然條件制約，且局限于一定類型的冰，因此也不夠理想。但研制低結(jié)合力和吸收隨機(jī)熱輻射型涂料仍具有巨大潛力。
�。�4）有潛力并期望在中短期內(nèi)得到突破的是：電磁脈沖法和“ADHOC”法。為確保每次冰害后使用這種技術(shù)的操作人員的安全，“ADHOC”法需制定標(biāo)準(zhǔn)的使用規(guī)則。
4.2拓展應(yīng)用研究的思路
4.2.1從輸電線路的物理、電氣特性出發(fā)，加強(qiáng)熱力除冰技術(shù)的理論研究。如：研究導(dǎo)線覆冰厚度與融冰電流和融冰時(shí)間的定量關(guān)系；短路融冰方法的線路有效長(zhǎng)度以及線路均流技術(shù)；基于調(diào)相變壓器的雙回和多回輸電線路循環(huán)電流帶負(fù)荷過電流融冰方法；短路導(dǎo)線磁力特性以及對(duì)導(dǎo)線覆冰的破壞機(jī)理；變電站固定式和車載式輸電線路覆冰高壓直流融冰系統(tǒng)。
4.2.2加強(qiáng)對(duì)節(jié)能的防、除冰技術(shù)裝置的研究，如高能除冰機(jī)器人的研究等。
4.2.3由導(dǎo)線結(jié)冰的基理入手，從防結(jié)冰的角度出發(fā)，盡可能將冰粘現(xiàn)象及其機(jī)理研究清楚。通過與相關(guān)學(xué)科(如：材料科學(xué)、表面科學(xué)、制造工藝等)有機(jī)結(jié)合，逐步研究開發(fā)新的防冰覆蓋的方法和材料，并結(jié)合各種除冰方法的研究和應(yīng)用，從多方面入手認(rèn)真解決線路覆冰和除冰的技術(shù)難題。
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