复合光纤架空地线交流融冰法的研究

黄佩玮，王银顺，郭焕辉，李 杨，鞠 鹏，苗金亚，刘常军

(1．华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京102206; 2．华北电力大学高电压技术与电磁兼容北京市重点实验室，北京102206)

复合光纤架空地线交流融冰法的研究

黄佩玮1，2，王银顺1，2，郭焕辉1，2，李 杨1，2，鞠 鹏1，2，苗金亚1，2，刘常军1，2

(1．华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京102206; 2．华北电力大学高电压技术与电磁兼容北京市重点实验室，北京102206)

冰灾引发的输电线路覆冰事故严重危害电力系统安全稳定运行，尤其是电力通信地线的覆冰事故，可能造成供电、通信中断等危害，因此，提高地线融冰技术是关键。本文提出一种复合光纤架空地线新型交流融冰法，具有感应电压低、无功小、融冰电源设备成本低、操作方便等优点，适用于受灾的复合光纤架空地线(OPGW)耐张段间覆冰线路的融冰，局部针对性融冰确保线路耐压耐热要求，减小融冰耗能。所提出的OPGW结构采用漆包线绕制无感双绞线取代铝包钢中心线作为加热源。设计制作实验样品，并进行裸导线加热升温实验以及OPGW融冰实验。基于热路法，建立等效热路模型，进行温升计算及Matlab仿真，实验结果和计算结果基本吻合，初步验证新型OPGW结构交流融冰的可行性。

复合光纤架空地线;交流融冰;无感双绞线;热路法

1 引言

覆冰是一种特殊的自然灾害，由于空气中的过冷却水滴遇冷释放潜热凝固形成，其主要集中在我国西南及华中地区，具有持续时间久、影响范围广、危害严重等特征。电力系统覆冰事故可能引发输电线路及电气设备冰闪、倒塔、断线等事故，甚至电网瘫痪，影响电力系统的正常运行［1］。

复合光纤架空地线(Optical Fiber Composite O-verhead Ground Wire，OPGW)集通信功能与输电线路避雷功能于一体，构成输电线路上的光纤通信网，其结构如图1所示。本文基于型号为OPGW-2S1/ 36B1(85/43-131.2)的结构进行研究分析。

OPGW覆冰事故首先会影响其电气性能，同时，光纤由于线路覆冰所受拉伸力增加，导致芯线断裂，影响系统通信传输质量［2］。因此，提高OPGW融冰技术是电网研究的重要课题之一。

国内外在防冰抗冰工作上积累了丰富的经验。目前，针对导线的融冰研究较为成熟，常用的融冰方法有机械除冰法和热力融冰法［3］。热力法包括短路电流融冰法、交流融冰法和直流融冰法等，热力融冰法在导线融冰中取得一定成效。地线融冰基于导线融冰方法，融冰时改变地线接线，使地线与大地形成回路或者地线与导线形成融冰回路，通过融冰电流发热融化覆冰。目前，直流融冰法及交流融冰法均适用于地线融冰。

图1 复合光纤架空地线结构图Fig．1 Schematic cross section of OPGW

直流融冰法技术多用于高电压、长距离输电线路，已成功投运于110～500kV电压等级线路以及地线融冰，有效避免了传统交流融冰无功需求大、受电源容量制约的不足。直流融冰电源取自交流电网，通过大功率整流装置将交流电转化为直流电，加于待融冰线路［4］。实际生产中，线路覆冰多发生于偏远山区，气候条件恶劣，交通运输不便，这些都增加了融冰设备搬运工作的难度，移动式直流融冰工作量大，耗时长，不利于融冰工作及时有效地开展，难以高效应对大规模冰冻灾害［5］。

针对架空地线直流融冰存在的操作复杂、设备运输不便、耗时长、融冰时系统停运以及传统交流融冰无功消耗大、所需电源容量较大等问题，本文提出一种新型OPGW交流融冰法，该方法克服了传统架空线直流、交流融冰的不足，可全面提高电力系统的抗冰能力。

2 新型OPGW融冰样品

2.1 OPGW几何结构

本文对传统OPGW结构稍作改造，采用无感绕制双绞线［6，7］取代OPGW中心铝包钢结构作为加热源。所提出的交流融冰OPGW结构如图2所示。图3为无感双绞线结构示意图，交流电源直接接于无感双绞线上，构成电流回路，双绞线相邻回路上的电流产生的磁场大小相等，方向相反，相互抵消，有效抑制了电磁干扰，减小回路电抗系数与通流损耗。双绞线热损耗主要为阻性损耗［8，9］。这种结构适用于线路覆冰段通流融冰。实际生产应用中OPGW接地方式主要采用通过耐张塔逐基接地或分段接地［10］，线路覆冰主要集中在山区地段，数个杆塔之间的线路，一般不会出现数百公里线路覆冰现象，有针对地对覆冰段线路展开融冰工作，在确保线路耐压耐热需求的同时避免数百公里线路融冰造成电能损耗过多。

图2 新型复合光纤架空地线结构示意图Fig．2 Schematic cross section of proposed OPGW

图3 无感双绞线模型Fig．3 Helical bifilar wire model

2.2 样品制作

为保证导线的稳定运行和使用寿命，无感双绞线的制作材料需要承受较大电流，具有耐高温特性。实验选取型号为 QZ-2/130的聚酯漆包铜圆线［11，12］。

样品制作时尽量缩小双绞线两线之间距离，保证导线各层结构紧凑，减小空隙，提高传热效率。表1为双绞线相关参数。双绞线理论分析，作以下假设:①忽略制作工艺上的扭绞不均匀性;② 双绞线节距远大于两线之间距离。

表1 双绞线参数表Tab．1 Parameters of twisted bifilar wire

用上述规格双绞线替换OPGW中心铝包钢支撑结构，外层仍为绞线，实验制备的OPGW样品如图4所示。

图4 无感双绞线实验样品Fig．4 Overview of helical bifilar wire sample

3OPGW热传导计算

3.1 传热计算原理

电流产生的焦耳热传递至冰层表面，提供融冰所需热量。本文运用热路法分析融冰时热量传递过程。热交换主要包括两个阶段:导线和冰套的热传导，冰表面和空气之间的热交换。

对OPGW的绞线结构进行简化，将分层的绞线结构近似为同轴电缆，即以几何中心为圆心的分层结构，OPGW等效同轴电缆结构示意图如图5所示。将电缆各层结构和外部环境简化为等效热阻，双绞线热损耗简化为等效热源［13］。忽略轴向传热的影响，仅考虑热量在径向的传导，导体温度场均匀连续变化［14］。根据图5导线分层结构及热路理论建立二维热路模型，如图6所示，电路为三组RC等效电路的串联。

图5 架空地线等效模型图Fig．5 Equivalent model of ground wire

图6 地线等效热路模型Fig．6 Equivalent thermal circuit model of ground wire

图6中Q1为双绞线发热功率;铝包钢及铝单丝绞线层导热性能较好，热损耗可忽略不计。T1为双绞线表面温度，T2为光纤不锈钢单元表面温度，T3为地线表面温度，T0为环境温度;R1为双绞线层(包含空气部分)等效热阻，R2为铝包钢及光纤单元层等效热阻(包含空气部分)，R3为铝单丝层等效热阻(包含空气部分);C1为无感双绞线层和铝包钢层等效热容之和，C2为铝单丝层等效热容，C3为周围空气等效热容，导线敷设在空气中，空气热容较小。

根据节点电流法原则，有以下方程:

将式(1)进行迭代运算，整理得到:

结合所制作样品几何参数，计算等效热路模型中的热阻和热容公式分别为［15，16］:

式中，ro为等效同轴导线第i层外径;ri为等效同轴导线第i层内径;λi为第i层介质热导系数;ρi为第i层介质密度;Vi为第i层介质体积;Cpi为第i层介质定压热容。

热路参数见表2。

表2 热路参数Tab．2 Parameters of thermal-circuit

3.2 裸导线升温仿真

基于传热原理和热路模型参数，通过Matlab编程仿真计算导线各层温度。OPGW双绞线、光纤不锈钢单元以及导线外表面的初始温度分别为14℃、14.33℃和14.43℃，40A交流作用，双绞线发热功率为11.706W。应用式(4)做热路迭代计算，得到的温升曲线如图7所示。在0～25min导线温度上升较快，45min后导线各层温度逐渐趋近平衡状态。温度达到稳态时，光纤不锈钢层温度为72℃，光单元耐温性能为80℃，导线处于安全使用范围内。

3.3 覆冰导线升温仿真

覆冰导线通流温升仿真中，双绞线发热用于导线升温以及冰层融化。研究过程重点关注导线光纤单元以及导线外表层温度变化，因此，在覆冰导线升温计算中，只计算光纤不锈钢及导线外表面温度。光纤不锈钢层和导线表面初始温度分别为1.606℃和－1.9235℃，35A交流电流作用，通过式(4)迭代计算，得到导线融冰阶段温度-时间曲线，如图8所示。

图7 裸导线仿真温度-时间曲线Fig．7 Simulation temperature-time curves for bare conductor

图8 覆冰导线仿真温度-时间曲线Fig．8 Simulation plot of temperature against time for iced conductor

4 实验

4.1 裸导线加热实验

对所制作的样品分别进行裸导线通流加热实验和覆冰导线融冰实验，结合仿真结果对比分析。裸导线加热实验通40A、50Hz的交流电流，实验中，在双绞线、不锈钢光纤表面以及导线外表面粘贴铂电阻温度传感器测量导线温度变化，铂电阻型号为PT100。每隔1min记录一组数据，实验时长60min，记录60个数据点。裸导线温度-时间曲线如图9所示，图中离散的点为实验记录的OPGW温度数值，实线为仿真计算温度曲线。中心无感双绞线层和光纤不锈钢层的温度计算结果与实验结果基本吻合，表层温度受环境影响，稍有误差，但误差在允许范围内。实验与仿真对比证明热路法用于计算覆冰导线融冰过程的热量传递是可行的。

4.2 覆冰导线融冰实验

导线融冰实验时间为2014年1月11日早6∶00～8∶30，实验地点为北京市昌平区，实验当天气温为－6℃～3℃，实验期间环境温度小于0℃，排除覆冰在自然环境下融冰可能性，可以认为覆冰融化是通过导线通流升温实现的。

图9 裸导线温度-时间曲线Fig．9 Curves of temperature vs．time for bare conductor

制作圆柱形套管，长度为 50cm，套管内径3.46cm。将样品立于套管中央，套管注满水，环境温度小于－5℃条件下，放置于室外，12h后形成覆冰，取出样品，样品冰厚0.93cm，覆冰长度35cm，模拟具有一定冰厚的架空地线进行融冰实验。图10为自然环境下制作的OPGW覆冰导线。

图10 实验覆冰导线图Fig．10 Picture of iced conductor in experiment

无感双绞线通35A交流，铂电阻温度传感器置于光纤不锈钢单元和导线表层进行温度实时在线监测，每隔1min记录样品测温点实验值，并观察冰层变化情况，测得导线融冰温度变化如图11所示。t =43min覆冰脱落;t=44min后，为裸导线升温阶段。由于环境因素影响，导线温度变化曲线有波动。

图11 覆冰导线温度-时间曲线Fig．11 Dependence of temperature on time in iced conductor

仿真计算和实验结果在温度变化趋势和温度变化时间常数两方面能够吻合，因此热路法可进行融冰的传热计算，估算融冰时间，分析融冰过程中光纤温度是否满足其热稳定性要求。

实际融冰过程中，融冰物理模型较为复杂。冰层形状并非均匀的圆环状变化，空气湿度等自然因素的影响，实验采用点测温法(用导体某一点温度表示同一导体面的温度)等都会引起计算误差。

5 结论

结合传统OPGW结构，本文使用耐高温漆包线绕制无感双绞线作为热源，实现OPGW覆冰段局部交流融冰。通过裸导线升温实验研究其基本传热过程，进一步的融冰实验验证这种结构交流融冰的可行性。所提出结构适用于架空地线局部覆冰线路交流不停电融冰，可有效降低交流融冰时的无功损耗，只需较小的电源即可满足融冰需求，一定程度上改善了地线融冰时感应电压和接地方式等方面的不足。融冰设备简单，操作方便，融冰电源直接通过系统提供，避免了直流融冰设备繁多、投运操作复杂等问题。

目前，这种结构的实验研究是通过低温环境人为结冰实现的，进一步的实验计划在人工气候实验室进行，人工模拟环境温度、湿度、气压等各种复杂气象环境，这样更接近自然环境下线路覆冰和融冰情况，从而完善架空地线融冰的研究。

［1］蒋兴良，易辉(Jiang Xingliang，Yi Hui)．输电线路覆冰及防护 (Transmission lines icing and protection) ［M］．北京:中国电力出版社(Beijing:China Electric Power Press)，2002.1-57．

［2］滕玲(Teng Ling)．OPGW光缆覆冰性能研究(Study on performance of ice-coating OPGW)［J］．电力系统通信 (Telecommunications for Electric Power System)，2010，31(1):8-12．

［3］常浩，石岩，殷威扬，等 (Chang Hao，Shi Yan，Yin Weiyang，et al．)．交直流线路融冰技术研究 (Icemelting technologies for HVAC and HVDC transmission line)［J］．电网技术 (Power System Technology)，2008，32(5):1-6．

［4］傅闯，许树楷，饶宏，等 (Fu Chuang，Xu Shukai，Rao Hong，et al．)．交流输电系统直流融冰装置设计及其应用 (Design and application of DC deicer for AC transmission system)［J］．高电压技术 (High Voltage Engineering)，2013，39(3):705-711．

［5］申屠刚(Shen Tugang)．电力系统输电线路抗冰除冰技术研究进展综述 (Review of development of de-icing methods on transmission lines)［J］．机电工程(Journal of Mechanical＆ Electrical Engineering)，2008，25 (7):72-75．

［6］Tominaka T．Self-and mutual inductances of long coaxial helical conductors［J］．Superconductor Science and Technology，2008，21(1):11-15．

［7］Tominaka T．Inductance calculation for helical conductors ［J］．Superconductor Science and Technology，2005，18 (3):214-222．

［8］Armenta R B，Sarris C D．Modeling the terminal response of a bundle of twisted-wire pairs excited by a plane wave ［J］．IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2007，49(4):901-913．

［9］Taylor C D，Castillo J P．On the response of a terminated twisted-wire cable excited by a plane-wave electromagnetic field［J］．IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，1980，EMC-22(1):16-19．

［10］陈彦州，王奇，蔡延雷，等 (Chen Yanzhou，Wang Qi，Cai Yanlei，et al．)．南方电网主网架直流融冰工作流程与融冰效率研究 (Analysis on DC deicing process and efficiency in China southern power grid) ［J］．高压电器 (High Voltage Apparatus)，2013，49 (6):86-92．

［11］GB 6109.1-90，漆包圆绕组第一部分:一般规定(Enamelled round winding wires-Part 1:General)［S］．

［12］GB 6109.1-90，漆包圆绕组第七部分:130级聚酯漆包铜圆线(Enamelled round winding wires-Part 7:Polyester enamelled round copper wires，class130)［S］．

［13］郑肇，王焜明(Zheng Zhao，Wang Kunming)．高压电缆线路(High voltage cable line)［M］．北京:水利电力出版社 (Beijing:Hydraulic and Electric Press)，1983．

［14］刘刚，雷成华，刘毅刚(Liu Gang，Lei Chenghua，Liu Yigang)．根据电缆表面温度推算导体温度的热路简化模型暂态误差分析 (Analysis on transient error of simplified thermal circuit model for calculation conductor temperature by cable surface temperature)［J］．电网技术(Power System Technology)，2011，35(4):212-217．

［15］刘毅刚，罗俊华(Liu Yigang，Luo Junhua)．电缆导体温度实时计算的数学方法 (Mathematical method of temperature calculation of power cable conductor in time) ［J］．高电压技术 (High Voltage Engineering)，2005，31(5):52-54．

(，cont．on p.75)(，cont．from p.43)

［16］张尧，周鑫，牛海清，等 (Zhang Yao，Zhou Xin，Niu Haiqing，et al．)．单芯电缆热时间常数的理论计算与试验研究 (Theoretical calculation and experimental research on thermal time constant of single-core cables) ［J］．高电压技术 (High Voltage Engineering)，2009，35(11):2801-2806．

Research on AC ice-melting method for OPGW

HUANG Pei-wei1，2，WANG Yin-shun1，2，GUO Huan-hui1，2，LI Yang1，2，JU Peng1，2，MIAO Jin-ya1，2，LIU Chang-jun1，2
(1．State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，North China Electric Power University，Beijing 102206，China; 2．Beijing Key Laboratory of High Voltage and Electromagnetic Compatibility，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

Ice depositing on transmission lines is of great danger to the security and stability of electrical power system．Especially the ice accidents of the electric power communication ground wires may cause power outage and communication interruption．So，to improve the melting technology of ground wire is of great significance．A new AC ice-melting method for Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire(OPGW)is proposed，which has advantages of low induced voltage，small reactive power and low cost supply power as well as convenient operation．It is applied to partial line ice-melting，which can ensure the voltage and heat requirements and reduce the energy consumption．The new structure of the new OPGW chose a twisted bifilar wire fabricated by enameled wire as a heater for de-icing by replacing the aluminum-clad steel wire in the central layer．After a sample was fabricated，temperature rise of bare conductor and de-icing tests with ice depositing on its surface were performed respectively．On the other hand，an equivalent thermal circuit was established according to the simplified thermal resistance model by which the temperature rise of conductor was separately calculated and simulated by Matlab software．The simulated results are in good agreement with the experimental ones，which preliminarily validates the feasibility of the new structure for de-icing．

Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire(OPGW);AC de-icing;twisted bifilar wire;thermal circuit method

TM726.3

A

1003-3076(2015)10-0039-05

2014-06-16

国家自然科学基金(51477053)、中央高校基本科研业务费专项基金(2014ZD02)资助项目

黄佩玮(1990-)，女，福建籍，硕士研究生，研究方向为架空地线、输电线路融冰研究;王银顺(1965-)，男，河北籍，教授，博士生导师，博士，研究方向为超导电工及电力技术等。