OPGW临界融冰电流及其影响因素

蒋兴良　孟志高　张志劲　姚实颖

(1.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)　重庆　400030 2.国网四川省电力公司　成都　610000)



OPGW临界融冰电流及其影响因素

蒋兴良1孟志高1张志劲1姚实颖2

(1.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)重庆400030 2.国网四川省电力公司成都610000)

摘要光纤复合架空地线(OPGW)覆冰影响电网安全稳定运行，采用直流融冰是防止OPGW发生覆冰事故的有效措施之一。建立了OPGW的直流融冰模型，计算了OPGW直流融冰过程中的动态温度特性，分析了OPGW的临界融冰电流及其影响因素，并在人工气候实验室对计算结果进行了验证。结果表明：融冰过程中冰层外表面的热交换系数对融冰过程影响很大，其大小与环境温度、风速、覆冰厚度和冰层外表面温度有关；影响OPGW临界融冰电流的主要因素有环境温度、风速、覆冰厚度和OPGW型式；临界融冰电流随环境温度降低、风速增加及覆冰厚度的增加而增加，但冰厚的影响程度相对较小。因此，应根据不同环境条件选择OPGW的融冰电流。

关键词：OPGW临界融冰电流环境温度风速覆冰厚度

0引言

输电线路覆冰引起过荷载、舞动、绝缘子串闪络等事故，严重危害电网的安全运行[1]。与输电线路导线相比，光纤复合架空地线(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW)线径小且无负荷电流，覆冰更严重[2]，更易引发机械性故障，导致通信中断，影响供电的可靠性。因此，研究OPGW的融冰技术具有重要的工程实际意义。

在输电线路的除冰技术和方法中，直流融冰技术应用比较广泛，技术比较成熟[3-6]。2011年，湖南、贵州、广西、浙江和云南都采用直流融冰装置对覆冰的输电线路进行了除冰，保障了电网的安全稳定运行。2013年1月，贵州电网公司采用车载直流融冰装置对110 kV滥二线进行了融冰，耗时30 min左右。2014年，广西电网公司启动直流融冰装置对110 kV南旺Ⅱ线进行融冰，使南旺Ⅱ线的覆冰厚度由12.4 mm减少至2.09mm。然而，关于OPGW的直流融冰技术，目前还只是处于试验与研究阶段，没有形成比较完整的方案。2012年，超高压输电公司柳州局对500kV输电线路的OPGW和普通地线进行融冰改造后进行了融冰试验[7]。2014年，南方电网超高压输电公司曲靖局在覆冰初期启动融冰装置对±500 kV直流线路的802 km架空地线和395 km OPGW进行了融冰，有效地保护了输电线路的安全[8]。

直流融冰技术的关键在于融冰电流的选择，如果融冰电流过小，则导线表面的温度无法达到冰的融化温度，导线表面的冰层无法融化，即存在冰层能融化的临界融冰电流。临界融冰电流是融冰装置和融冰方案设计的基础，对于工程设计具有重要的工程应用价值和理论意义。由于输电线路的覆冰环境多种多样，通过试验对所有情况下的临界融冰电流进行研究有很大困难，所以研究临界融冰电流的数值计算方法很有必要。关于融冰技术中最小融冰电流的计算，国内外进行了很多研究。文献[9]分析了防止导线覆冰的最小电流密度。文献[10，11]分析了导线融冰的最小电流，但忽略了导线和冰层中的热损失，且未考虑融冰过程中热交换的变化。文献[12]提出了覆冰条件下导线最小融冰电流的计算公式，但计算过程比较复杂且缺乏验证。文献[13，14]根据经验公式计算覆冰导线的最小融冰电流，其准确性也有待验证。由于OPGW结构与导线存在一定的差别，使得OPGW最小融冰电流的计算也有别于输电导线，且目前针对OPGW最小融冰电流的研究和计算还鲜有报道。

基于有限元方法，本文建立了OPGW的直流融冰模型，计算了OPGW的动态温升过程，得到了通入电流后OPGW表面所能达到的最大温度。通过对最大温度进行判断和分析，得到了雨凇覆冰OPGW在不同融冰条件下所需的临界融冰电流，并对其影响因素进行了分析。最后，通过试验验证了本文计算方法的可行性和准确性。

1OPGW试品分析

本文对4种结构的OPGW(如表1所示)进行了试验和仿真分析。其中，A型和 B型为全绝缘式，C型与D型为内嵌式。表1中，r20为OPGW中融冰导线在20 ℃时的电阻率。

表1　试验分析的OPGWs技术参数

A型：由5根直径2.4 mm的27%AS线、11根直径2.75 mm的27%AS线和1根直径2.4 mm的不锈钢管光单元组成。

B型：由6根直径3.8 mm的20.3%AS线和1根直径3.8 mm的不锈钢管光单元组成。

C型：由1根直径3.4 mm的20.3%AS线、11根直径3.1 mm的20.3%AS线、1根直径2.5 mm的不锈钢管光单元和6根直径2.5 mm的漆包线组成。

D型：由1根直径2.45 mm的不锈钢管光单元、6根直径2.5 mm的漆包线、铝管和13根直径3 mm的20.3%AS线构成，其中漆包线通过聚酰亚胺膜与外层铝管保持绝缘。

2临界融冰电流的计算

2.1OPGW融冰条件分析

雨凇覆冰条件下，OPGW会发生旋转，最后形成均匀的圆柱形覆冰。融冰前OPGW中无电流，其温度与环境温度一致。当OPGW中通入电流，OPGW升温后将热量传递到冰层，并通过冰层将热量传递到冰层外表面，再通过辐射散热和对流散热的形式与周围环境进行热交换。

要使OPGW表面的冰层融化，则OPGW表面的温度必须达到冰层的融化温度。假设冰层表面温度为Tc，则冰层融化的条件可表示为

Tc≥0

(1)

临界融冰电流是能使OPGW表面温度达到0℃所需要的最小电流。对于OPGW的直流融冰技术，融冰过程中选择的融冰电流应大于临界融冰电流。在OPGW中所加电流为临界融冰电流时，OPGW表面所能达到的最大温度维持在冰的融点温度，冰层将处于融与不融的临界状态。故可以使用固体传热学的方法对OPGW融冰过程中的温度分布进行计算和分析，从而得到临界融冰电流。

2.2OPGW的融冰计算模型

假设OPGW无限长且覆冰均匀，则可采用二位场来建立计算模型。在如图1所示的求解区域中，根据传热学原理[15]，通入电流后OPGW的升温过程满足导热微分方程

(2)

式中，T为温度分布函数；θ既可以是体积微元，也可以是根据材料划分的区域；λθ为区域θ的热传导率，W/(m·℃)；ρθ为区域θ的密度，kg/m3；Cθ为区域θ的比热容，J/(kg·℃)；qθ为区域θ上单位面积的焦耳热，W/m3。

图1　求解区域图Fig.1　The diagram of solution area

对于A型和B型全绝缘式OPGW，融冰过程中的通流部分为铝包钢线，故qθ可以表示为

(3)

式中，I为融冰电流；ralT、rfeT分别为铝包钢线中铝部分和钢部分在温度T时的电阻；Sal、Sfe分别为横截面中铝和钢的面积；θal、θfe分别表示铝包钢线中的铝部分和钢部分。

对于C型和D型内嵌式OPGW，融冰过程中的通流部分为漆包线，qθ可以表示为

(4)

式中，rcuT为漆包线在温度T时的电阻；θcu为漆包线中的铜导体部分；Scu为铜导体部分的面积。

在OPGW通入融冰电流之前，OPGW内部无电流，OPGW的温度应与环境温度保持一致。即温度分布的初始值可以表示为

{T}0=(TaTa…Ta)T

(5)

式中，Ta为环境的温度。

OPGW升温过程中，冰层外表面通过对流传热和辐射传热与周围环境存在热交换。假设冰层与外界环境的边界为Г01(如图1所示)，则边界Г01上满足

(6)

h=hc+hr

(7)

式中，hc和hr分别为冰层外表面对流热交换系数和辐射热交换系数，W/(m2·℃)，其分别可以表示为[15]

(8)

式中，ε为冰表面发射率，ε=0.9；σ为辐射常数，5.67×10-8W/(m2·℃4)；λa为空气的热传导率，W/(m·℃)；Ri为OPGW覆冰后的半径；Nun、Nuf分别表示覆冰导线的自然对流和强制对流特性的Nusselt数，其计算式分别为[11，15，16]

(9)

式中，B、b分别为由Gr决定的系数；C、n是为由Reynolds数(Re)决定的系数，其值如文献[16]中所示；Pr、Gr、Re分别为Prandlt数、Grashof数和Reynolds数，其计算式分别为

(10)

式中，g为重力常数，g=9.8 m/s2；ν为空气的运动粘度，ν=1.328×10-5m2/s；μ为空气的动粘滞系数，μ=1.72×10-5kg/(m·s)；Ca为空气的比热容，Ca=1 005 J/(kg·℃)；ρa为空气的密度，ρa=1.293 kg/m3；Va为风速，m/s。

根据式(7)～式(10)可以看出，热交换系数h与环境温度、风速、覆冰厚度以及冰层外表面温度有关，在融冰过程中会不断变化。由于融冰过程中冰层外表面温度将会分布不均匀，在计算过程中可取冰层外表面温度的平均值来计算热交换系数。

2.3OPGW临界融冰电流的计算过程

根据前面的分析，假设OPGW表面冰层不融化，使用软件COMSOL4.3和Matlab R2012a计算一定大小的电流流入OPGW后其表面所能达到的最大温度。如果最大温度值为冰的融化温度，则此时的电流即为融冰过程中所需的最小融冰电流，即临界融冰电流。最小融冰电流的计算流程如图2所示，其中Tc为OPGW表面温度值。仿真过程输入数据为：风速Va，环境温度Ta和覆冰厚度d。

图2　模型计算流程图Fig.2　General flow-chart of the modeling

3计算结果与分析

3.1数值计算结果

通过前面的计算方法，得到了覆冰OPGW在临界融冰状态下的温度变化过程，其中OPGW表面温度、冰层外表面温度及冰层外表面的热交换系数的变化如图3所示。可以看到，临界融冰状态下OPGW表面温度、冰层外表面温度都逐渐升高，但上升的速度逐渐变慢。冰层表面温度上升后，冰层表面的热交换系数和冰层与环境之间的温度差都会增加，导致热交换损失的能量增加，从而使温度上升的速度变慢。在冰层不融化的情况下，OPGW表面温度在30 min内会达到最大值。

图3　升温过程中温度Tc、Ti和热交换系数h的变化Fig.3　The variations of Tc，Ti and h during the ice-melting process

3.2热交换系数的影响因素分析

冰层与环境之间的热交换将会对融冰过程有很大的影响，因此有必要对冰层外表面的热交换系数进行分析。根据式(7)～式(10)，计算了环境温度、风速、覆冰厚度以及冰层外表面温度对热交换系数的影响，其结果如图4～图7所示。

由图4～图7可知，热交换系数与环境温度、风速、覆冰厚度以及冰层外表面温度密切相关。随着冰层外表面温度的上升，热交换系数将会变大，故融冰过程中的热交换系数会缓慢地增加。风速的增加将会导致热交换系数的显著变大，故融冰应尽量选择在小风或无风的条件下进行。环境温度的变化会导致热交换系数微弱的变化。随着覆冰厚度的增加，热交换系数将会显著变小。

图4　冰层外表面温度对热交换系数的影响Fig.4　Influence of ice outer surface temperature on the heat exchange coefficient

图5　风速对热交换系数的影响Fig.5　Influence of the wind speed on the heat exchange coefficient

图6　环境温度对热交换系数的影响Fig.6　Influence of ambient temperature on the heat exchange coefficient

图7　覆冰厚度对热交换系数的影响Fig.7　Influence of ice thickness on the heat exchange coefficient

3.3临界融冰电流的影响因素分析

经过计算得到了风速、环境温度和覆冰厚度对覆冰OPGW最小融冰电流的影响，其结果如图8～图10所示。

图8　风速对覆冰OPGW临界融冰电流的影响Fig.8　Influence of wind speed on the critical ice-melting current of OPGW

图9　温度对覆冰OPGW临界融冰电流的影响Fig.9　Influence of ambient temperature on the critical ice-melting current of OPGW

图10　覆冰厚度对覆冰OPGW临界融冰电流的影响Fig.10　Influence of ice thickness on the critical ice-melting current of OPGW

由图8～图10可知：

1)风速越大，则冰层表面通过对流传热损失的热量越多，要使导线表面的温度达到0 ℃，则需要的电流越大。即风速越大，OPGW的临界融冰电流越大。

2)环境温度越低，OPGW初始温度也越低，表面温度达到0 ℃也越困难，即环境温度越低，OPGW的临界融冰电流越大。

3)当环境条件一致时，OPGW表面覆冰越厚，则临界融冰电流的值越大，但其增加幅度较小。

4)风速、环境温度、覆冰厚度和OPGW型号都会对OPGW的临界融冰电流有影响，即OPGW直流融冰电流的选择应根据风速、环境温度、覆冰厚度和OPGW型号来确定。

4试验验证

试验验证在高11.6 m、直径7.8 m的人工气候室进行。人工气候室最低温度可达-45 ℃，风速在1～5 m/s之间可调[17]。电源由5 000 A直流融冰装置提供。

试验时，控制人工气候的条件，使其在OPGW表面形成雨凇覆冰，当OPGW覆冰达到预定要求后，停止喷雾，并维持覆冰时的其他试验条件，施加融冰电流，通过铂电阻测量OPGW的表面温度。根据前面的计算结果(如图3所示)，可以看到在OPGW表面冰层不融化的条件下，通入电流30 min后，其表面温度将会达到最大值。故可以测量通入直流电流30 min后OPGW表面的温度，如果OPGW表面冰层没有融化且温度维持为0 ℃，则OPGW所加电流为临界融冰电流。通过试验得到了不同条件下OPGW的临界融冰电流，其结果如表2所示。

表2　OPGW临界融冰电流的试验值

由表2可知，试验结果与计算值的最大误差为8.57%，平均误差为3.99%，即采用模型的计算结果满足工程应用要求。

5结论

1)直流融冰过程中，OPGW及其表面冰层温度逐渐升高，随着冰层表面热交换系数增大，温度上升速度逐渐变缓。融冰30 min后，OPGW表面温度将达到最高。

2)OPGW存在临界融冰电流和临界融冰状态，OPGW与冰层交界面温度为冰点，融冰电流大于临界融冰电流时，OPGW表面冰层才能融化。

3)影响OPGW临界融冰电流的主要因素有环境温度、风速、覆冰厚度和OPGW的结构。临界融冰电流随环境温度降低、风速增加和覆冰厚度而增大，但冰厚影响程度相对较小。

4)利用模型计算的临界融冰电流与试验结果基本吻合，实际工程应用中可根据本文的计算方法选择OPGW的融冰电流。

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作者简介

蒋兴良男，1961年生，博士，教授，博导，研究方向为电气工程领域高电压与绝缘技术。

E-mail：xljiang@cqu.edu.cn

孟志高男，1990年生，博士研究生，研究方向为复杂大气环境中输电线路外绝缘、输电线路覆冰及防护。

E-mail：mengzhigao718@163.com(通信作者)

Critical Ice-Melting Current of Ice-Covered OPGW and Its Impacting Factors

Jiang Xingliang1Meng Zhigao1Zhang Zhijin1Yao Shiying2

(1.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology College of Electrical EngineeringChongqing UniversityChongqing400030China 2.State Grid Sichuan Province Power Supply CompanyChengdu610000China)

AbstractAtmospheric ice accumulation on the optical fiber composite overhead ground wire (OPGW) may affect the safe and stable operation of power grid.The DC ice-melting technology is one of the effective measures to prevent the occurrence of the icing accident of the OPGW.A DC ice-melting model for the OPGW is firstly established.And then the dynamic temperature characteristics of the OPGW during the ice-melting process are calculated.Based on the model，the critical ice-melting current is calculated and its factors are analyzed.The ice-melting experiments carried out in the multi-function artificial climate chamber show that the model in this paper is valid and practical.Both the calculated results and tested results show that the heat exchange coefficient on the ice outer surface has a great effect on the ice-melting process and it is closely concerned with the ambient temperature，the wind speed，the ice thickness，and the temperature of ice outer surface.Therefore，the critical ice-melting current of OPGW is related to the ambient temperature，the wind velocity，the ice thickness，and the type of OPGW.The critical ice-melting current increases with the decrease of the ambient temperature and the increase of the wind velocity.Under the same environment condition，the critical ice-melting current increases with the increase of the ice thickness，but the impact of the ice thickness is relatively small.Therefore，the DC ice-melting current must be chosen according to the environmental conditions.

Keywords：Optical fiber composite overhead ground wire (OPGW)，critical ice-melting current，ambient temperature，wind velocity，ice thickness

中图分类号：TM852

国家重点基础研究发展(973)计划(2014CB260401)、输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室自主重点项目(2007DA10512714101)和国家创新研究群体基金(51021005)资助。

收稿日期2015-04-10改稿日期2015-06-05