抗冰导线的设想

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(1.广西电网公司兴安供电公司，广西 桂林 541301； 2.贺州学院，广西 贺州 542899)

1 引言

兴安县位于桂北地区，冬季最低气温在零度左右，加上是海拔较高，处于迎风面上，空气中的水份较大。在冬季气温低于5℃时，高山(微地形)导线易结冰，每年抗冰保电工作都要花费较大的人力物力和财力。在电网运行维护管理中，笔者与同事们希望通过研制一种抗冰导线，以提升导线的除冰效率、降低每年抗冰保电的工作强度。

当前，对于导线覆冰，桂北地区主要采用的技术手段是，对重冰区、中冰区的线路按南方电网《35kV及以下架空电力线路抗冰加固技术导则》的要求进行线路抗冰加固。在冬季出现严重覆冰时，35kV及以上电压等级的线路采用直流融冰,中低压线路常用的除冰方法是麻绳除冰、用竹竿敲冰等人工除冰方法。10kV线路分布点多面广，线路上带有较多的配电变压器，采用直流融冰的方法对某条线路进行融冰时，需断开该条线路所有分支配变，且仅能对该线路的主干线进行融冰或分段进行支线融冰，在融冰准备上花的时间过长,有时甚至超过人工除冰的时间,因此很多10kV线路只能采取人工除冰。但容易结冰且覆冰最严重的地方往往是高山大岭的风口、地形复杂的河边等交通不便利之处，人力除冰效率较低，且存在较大的交通安全隐患。

2 导线结冰的形成机制

当冬季气温在±5℃之间时，雨夹雪或阴湿天气时，线路上面负荷不大的话，导线运行的发热量无法将接触到导线上面的过冷雨滴、云雾滴及水汽加热至4℃及以上，就会有部分凝结成冰粘在导线上，然后再把继续下的雨、雪粘在导线，就像“浇”蜡烛油一样，导线上面的冰最后越结越粗。随着导线上面的覆冰增加，杆塔承受的静载荷也就越来越大，同时导线因覆冰受到的风载荷也增加，导线及杆塔上承受的机械负载就远超过平时，同时由于耐张杆塔由于前后不同段导线上的覆冰不同，每端承受的导线拉力也会不一样。长时间承受超过设计强度的机械应力，最后会出现断线、倒杆塔的电力事故发生。

在覆冰时，风速也会影响到覆冰的大小。风引起导线摆动，会“甩”开部分接触到导线的过冷水滴。根据参考资料，导线上面的冰与风速有较大关系，图1是参考资料上导线在-5℃进行风洞试验时不同风速下的导线冰型。

从图1可知，环境风速低于10m/s，不利于导线产生覆冰[1]。

图1 导线冰型

3 抗冰导线的构成及工作原理

3.1 抗冰导线的结构

根据导线结冰的过程分析，要想减少导线覆冰厚度，一个方法是减少环境风速，这只能运用在设计阶段，在线路路径选择时避开山口等风速较大的地段，或对此地段的线路进行加强设计，另一方法是在于环境温度为+5℃～-5℃这个温度区间时，线路运行导线散发的热量能防止雨雪在上面凝结，本文设想的抗冰导线采用的就是这种方法。因此，在环境温度为+5℃至-5℃这个温度区间时，只需要导线的发热量足够，导线表面不利于液态及固态水停留，就能达到导线抗冰的目的。我们设想的抗冰导线结构如图2所示。

图2 抗冰导线结构图

减少覆冰的原理是通过增加导线发热量,将与导线相近的冰升温成液态水,由于导线表面为光滑的憎水基材料,冰由于自身重力从导线上面掉下来。

其中，感应线圈的材料可以采用镍铁合金等电阻率较大的导体材料，含憎水基的外绝缘层可以使用交联聚氯乙烯这类的绝缘材料。

3.2 抗冰导线电气接线原理

为使抗冰导线在环境温度处于+5℃～-5℃这个温度区间时，有足够的发热量，笔者设想的的抗冰导线电气接线原理图如图3所示。

图3 抗冰导线电气原理图

抗冰导线的感应发热线圈在线路耐张杆塔与中间的导线连接,一端是直接连接,另一端通过一大电阻与温度控制回路的并联电路连接,温控触点K1在高于+5℃时断开,温控触点K2在低于5℃时断开，其中R1的阻值远大于R2。

在目前的技术水平下，类似于电饭锅上面的温控触点开关技术上已经成熟，此类开关的价格也比较便宜。线路在运行时，导线有工频电流流过，在感应线圈产生一个感应电压，当气温在非凝冻温度时，即高于+5℃或低于-5℃时，上述电路的虚线部分总有一个温控触是断开的，感应线圈、大电阻R1与导线形成回路，由于此时R1的阻值很大，因而感应线圈回路电流的很小，发热量也很小；当气温在+5℃～-5℃之间时，温控触点K1、K2均闭合，由于温控回路的电阻远小于大电阻R1的阻值，R2通过K1、K2与R1并联后，与感应线圈、导线形成回路，回路流过的电流较大，发热量也较大，将有效的防止产生覆冰。

对于采用抗冰导线引起的电感及电容效应，主要通过减少感应发热线圈匝数，尽量将电感与电容带来的影响抵消，并使线路整体保持在容性状态。

4 抗冰导线的设计和运维要点

为了适应各种长度耐张段及各地区温度、湿度的差异，抗冰导线在使用时，R2应该通过计算验证，合理确定R2的阻值。

由于感应线圈不能开路，否则会如同开路的电流互感器样会产生较大的感应电压，所以该应线圈必须与电阻R1可靠连接。为防止温度在高+5℃或低于-5℃时，过高电压击穿断开状态的温控触点，必要时可在R2、K1、K2回路中增加一个并联电容。

温控触点组成的电路，也就是图中虚线所圈的部分，应制成一个整体，以便使用绝缘操作棒对其进行带电安拆。每年冬季来临前带电将其拆除，并进行检修，确保部件运行的可靠性。

为提高控制的可靠性，防止出现感应电流烧坏温控触点事故的产生，此回路也可以用晶闸管来代替，触发器可以是用555集成电路组成的大占空比触发电路，如有智能信息化的要求，也可以通过单片机组成的控制电路，在电路动作时向后台监控电脑发信息。不过，我认为控制电路在能满足控制要求的前提下，应该越简单越好，因为这样可以降低造价、提高运行可靠性，方便检修与维护。

5 抗冰导线的应用范围

南方电网公司的《35kV及以下架空电力线路抗冰加固技术导则》指出在以下几种微地型地段更易形成线路覆冰[2]：

(1)高出当地凝冰高度的地区；

(2)促使覆冰增速的垭口、风道地段；

(3)迫使覆冰气流抬升、过冷却水滴增多的长缓坡地段；

(4)使覆冰增长期加长的地段；

(5)冬季水汽充足的河流、湖泊等潮湿地区；

(6)形成局部沉积型覆冰小气候的封闭低洼的盆形地区。

建议在上述易覆冰的微地形优先进行应用，主要安装在负荷较少的分支线路上面。

6 结论和建议

由于抗冰导线构成也就比目前的10kV架空绝缘导线多一层发热线路圈和憎水基绝缘涂层，造价增加不多，而温度导通控制器与线夹相对线路工程来说造价也不高，故对于抗冰导线线路相对普通导线路增加工程造价很微小。

由于抗冰导线仅在零度低温时消耗电能进行防冰，故在全年运行中，抗冰导线增加的线损率依然很低，且日常并不需要过多维护，因此增加的运行费用也很少。但通过采用抗冰导线，将不需要进行人工除冰，也减少了由于覆冰引起的断线断杆事故，降低了维护和修理费用。综上所述，采用此类抗冰导线的工程一次投资造价虽比采用普通导线的造价略有上升,且会引起线损率的轻微升高，但却可以降低每年冰冻期间的除冰成本，并取得良好的除冰效果，且平时运行维护简单,运维费用较低。若抗冰导线能够研制成功并在冰冻区域的中低压线路上得到广泛使用，必然会取得较大的经济效益和社会效益。

由于条件限制，我们只能提出设想，尚无法制造出实际的抗冰导线，因此仅在提出抗冰导线的设想，希望能为中低压线路冬季运行维护提供一些方法和思路。由于在导线上增加感应线圈所带来的电容和电感效应对电能质量等方面造成的影响尚无法通过试验得出结论，故需要在试验和运行过程中进一步验证和改进，以便达到设想的要求。

[1] 肖正直,晏致涛,李正良,等.八分裂输电导线结冰风洞及气动力特性试验[J],电网技术,2009,5(33):90-94.

[2]Q/CSG11501-2008,35kV及以下架空电力线路抗冰加固技术导则[S].