输电线路融冰过程监测系统的设计与实现

王毅

[摘  要]我国幅员辽阔，是一个典型的亚热带季风性气候的国家，输电线路正常工作是维持广大人民群众进行正常生产生活的基本保障。然而近几年全球气候异常，极端天气频发。在低温雨雪的天气下，输电线路覆冰的情况十分普遍，会造成电网受损甚至瘫痪的严重后果，因此，对输电线路进行融冰成为了人们关心的问题。本文阐述说明了交流短路融冰、直流融冰和过负荷融冰这三种主要融冰方法的原理及应用，并就融冰方案进行分析，最终得出输电线路融冰过程检测系统的设计方案，并通过试验验证了该监测系统的可行性。

[关键词]输电线路;融冰;监测系统

中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）24-0042-01

前言：目前在世界范围内自然灾害频繁发生，而输电线路容易受到各种极端天气的影响，其中较为严重的是低温雨雪对输电线路造成的危害。在我国，第一季度及第四季度，全国大部均面临低温雨雪天气。雨雪过程频繁，输电线路覆冰现象多发，对电网的影响巨大，也对人们正常的生产生活造成一定损失。本文通过对输电线路融冰过程进行分析，由此提出监测系统的设计与实现。

1.目前的融冰方式

1.1 交流短路融冰

人类使用交流电的历史已经很久，对交流电的各种利用也研究得比较广泛，利用交流电流融冰已经在国内外被普遍使用。目前国家电路系统中，交流线路所占比例大，例如湖南电网、应用交流电流进行融冰相对方便快捷，可从电网中直接取得电源。交流短路融冰的原理是在线路中造成局部短路，使导线发热至可以融冰。

包括三种类型：三相短路融冰、两相短路融冰、线—地单相短路融冰。对于进行技术改造困难，无法抵抗强覆冰的线路，交流短路融冰比较适合。但所需功率很大，因此只适合电压不超过220kV的线路，而不适合电压超过550kV的覆冰线路。

1.2 直流融冰

直流融冰相对于交流融冰来说具有更多的优势：所需功率小、耗时短、融冰速度快，操作简便易行、对电网正常工作的影响较小等。在1972年前苏联开始使用二极管整流装置后，世界各国纷纷投入到对直流融冰技术的研究中。我国在2008年南方遭受极端天气之后，电力科研工作者对直流融冰装置和技术进行了自主研发，并在全国范围内进行推广，2009年至今每到覆冰期进行应用时，在应用规模和效果上表现优异，已走在世界先进水平。随着科技的不断发展进步，直流技术不断改革创新，整流元器件也多种多样，功能齐全，适合场景多。直流融冰技术应用越来越普遍。

1.3 过负荷融冰

过负荷融冰对于电压等级为110kV的地区特别适用，地区电网不需要断电，只需要提供足够的负荷就可以进行融冰。过负荷融冰也称为运行方式融冰，原理是通过调整电路的运行方式，而不用使电网停止工作，对覆冰的线路部分的负荷电流增大，来增加电能转化为热能的功率。这种融冰的方法简便，对电网的影响不大，只需对电网运行方式进行调整。过负荷融冰的方法较多，目前主要采用的是这几种方法：基于调度的调整潮流法、基于增加无功电流的融冰法、基于移相器的带负荷法等。目前我国电网仍然是使用220kV输电线路，和110kV线路存在很大联系，所以使用过负荷融冰方法也比较适合。

2.融冰方案分析

2.1 融冰电流计算不准确

选择何种融冰方法直接决定了融冰电流的计算方法，而融冰方法的选择又与融冰线路的特点以及该线路在电网中的功能等相关联。导线电阻、导线状态、线路长度、天气情况都对融冰的电流计算有很大影响。加拿大水电局根据线路覆冰的薄厚、环境的温度、风向以及风速、输电导线与水平地面间的距离、导线自身的电阻、吸热系数等数据，研发了一种计算融冰电流的程序。在我国，各级、各地电力研究院根据《电力系统分析程序》，也进行了一系列的研究方案。但是这些理论成果在实际应用中并不方便，同时准确度比较低，在具体情况中，对融冰电流的计算的把控并不是十分精确。

2.2 融冰时间计算不准确

从对国内外融冰系统的现状分析来看，对融冰时间的计算主要采用的方法是建立数学模型，所得假设比较保守固定，例如在实际情况下，输电导线上的覆冰并不是十分整齐的对称图形，而经常为椭圆、菱形、锥形、针状等不规则的形状。同时，在融冰过程中，覆冰比较薄的部分常常会出现水膜，水膜的出现将会使冰绕其重心旋转，融冰时间因此减少;同时，输电导线的震动和弯曲、融冰时的天气状况、环境中的风速、导线覆冰厚度与地面覆冰厚度不一致等都会对融冰时间计算的数学模型假设结果造成影响。实际上，融冰所需时间通常比假设的结果要久。

2.3 线路融冰的可行性

对于融冰线路的可行性进行分析，融冰电流需要的融冰电源的电压是关键。由于设备能力和实际情况的制约，系统存储无功的能力受限制。对于长度不超过169km的输电线路，如按交流短路融冰方式来说，最小融冰电流所需融冰电源为220kV，但无功功率同时限制了电源电压，若按照此种方式融冰，则无功功率应大于或等于2000Mvar;而对于550kV供电线路来说，不能使用220kV作为融冰电源，也不能使用550kV作为融冰电源。当环境温度在18摄氏度、无风，融冰电流不低于4000A时，可使用直流融冰的方法，所需功率由系统提供，不多于200MW。综上，要针对各种线路，与实际情况相结合，选择适宜的方案对线路进行融冰，才能高效快捷地完成融冰任务，保障广大人民群众的利益不受损失。

3.监测系统的设计

3.1 系统组成

输电线路融冰过程监测系统有很多种，通常包括对输电线路气象情况微小变化的监测，例如环境温度、湿度、风向、风速以及气压等;同时也可监测导线的覆冰状况，例如导线的弯曲程度和震动幅度等;此外还可监测导线的实际工作温度。监测系统的组成的基础是位于省级监控中心的主机，还包括下辖地市的电力部门监控中心的主机、线路通信分机、气象监测分机、专家系统等五个部分。通过这种输电线路融冰过程的监测系统，可对导线温度、覆冰重力动态变化、风向、风速、温度、湿度、压力、降水量进行从上到下的实时监测。

3.2 系统运行

该监测系统的运行方式如下：首先根据省级监控中心的主机根据时间变化得到的环境温度、湿度、风向、风速、大气压力、导线的覆冰状况、导线的弯曲程度和震动幅度、导线温度等信息，对此进行收集整理的同时，要通过线路通信分机对各地市的气象监测分机进行联系，将信息发送下去。根据建立的数学模型计算并分析各个监测地点融冰线路的覆冰、融冰状况变化情况以及当前导线的温度变化情况等。省级监测中心可对线路通信分机进行参数设置，可直接对地市级监测中心的结果进行处理分析，这样，能够有效地提高融冰线路监测系统工作的效率和灵活程度。

3.3 系统试验效果

采用上述的输电线路融冰过程监测系统进行试验。从线路覆冰开始监测，线路覆冰经过起始阶段，发展阶段以及稳定阶段，期间可能会出现短时间覆冰大面积脱落，当覆冰过程结束时对该线路进行融冰，通过省级监测中心所得信息，操作人员对线路进行直流融冰操作。监测分机将融冰情况实时经由通讯分机上传至监控中心，通过专家系统，可对导线温度进行调节，并记录测量数据，最终自动地绘制出一条温度随时间变化的曲线。通过该曲线可以清楚地了解整个现场覆冰融冰的情况。当线路覆冰程度为零时，系统通过地市级监测分机和通讯分机的反馈，可提醒操作人员停止融冰操作，结束融冰过程，避免导线温度过高引起不必要的损失。该试验表明，此系统对线路融冰具有很高的监测效果以及操作简便易行等优点。

结语

输电线路覆冰会造成很多问题和严重的后果，最直接的就是会给社会带来经济损失。所以线路的覆冰机理的研究、相关数学模型的建立、融冰过程的实现以及融冰过程的监测都十分重要。通过对融冰进行监测，可提高融冰效率，节约社会资源。

参考文献

[1] 傅闯，饶宏，许树楷，黎小林.输电线路融冰技术研究与应用评述.[J].南方电网技术.2012（03）.

[2] 黄新波，程荣贵，贺含峰.输电线路融冰过程监测系统的设计与实现.[J].高压电器.2009（6）.