强寒潮下超高压输电线路直流融冰效果差异分析

王敩青, 张厚荣, 罗望春, 苏国磊

(中国南方电网超高压输电公司检修试验中心，广东 广州510663)

强寒潮下超高压输电线路直流融冰效果差异分析

王敩青, 张厚荣, 罗望春, 苏国磊

(中国南方电网超高压输电公司检修试验中心，广东 广州510663)

针对强寒潮天气下超高压输电线路各区段直流融冰效果存在差异的实际案例，根据输电线路覆冰在线监测数据和现场信息，结合输电线路运行参数以及直流融冰技术相关原理，开展了气象环境、覆冰情况及直流融冰参数间的关联性分析。结果表明：地线等效覆冰厚度较大导致融冰所需时间更长，现场气温较低、风速较大导致覆冰完全脱落所需的融冰电流有所增加，而实际融冰电流小于所需融冰电流导致覆冰未完全脱落。建议在融冰电流一定的基础上，若线路覆冰厚度较大，需适当延长融冰时间；若要短时间内取得较好的融冰效果，需适当增加融冰电流；在融冰时间一定的基础上，若线路环境气温较低或风速较大，需适当增加融冰电流。

输电线路；覆冰；强寒潮；融冰电流；融冰时间

输电线路覆冰事故严重影响电力系统安全稳定运行[1-3]。直流融冰作为一种有效抗冰手段，能较快消除覆冰对架空线路的威胁[4-5]。

2016年冬季，华南地区经历了超强寒潮，受影响区域的超高压线路出现了不同程度的覆冰。在开展直流融冰过程中，由于现场天气恶劣，发现部分线路区段融冰效果不佳。针对这种现象，根据输电线路覆冰在线监测数据、现场特巡反馈信息，结合输电线路运行参数以及直流融冰技术的相关原理，开展了气象环境、覆冰情况及直流融冰参数间的关联性分析，为选择最优参数、有效开展直流融冰工作提供技术参考。

1 事件背景

2016年1月22—23日，对某500 kV双回线路(下文以甲线、乙线表示)开展了多次融冰工作，图1为对19—181号区段进行直流融冰时地线的覆冰变化情况，其中拉力倍数为导线拉力实时测量值与导线无覆冰时拉力测量值之比。下文以基准值表示导线无覆冰时拉力测量值。

图1 直流融冰期间甲、乙线地线覆冰变化情况

由图1可知：在直流融冰期间，甲线117、118+1号塔地线覆冰均完全脱落，而108、110、112、118号塔覆冰均未完全脱落；乙线113号塔地线拉力恢复至基准值的时间明显较其他塔长，其覆冰完全脱落较112、113+1、115号塔迟约1 h。

2 线路融冰参数计算公式

以下针对上述2个案例进行分析，以明确直流融冰效果出现差异的原因，并研究融冰参数与气象环境的关系。

导线融冰电流是指使导线表面覆冰融化的电流。融冰电流在导线电阻中产生的热量以4种形式消耗[4-5]，一是使冰柱温度上升至熔点，二是使冰柱融化，三是损失在导线表面到冰柱表面的传热途中，四是通过冰柱表面散失。计算公式为

其中：

式中：Ir为融冰电流，A；R0为0 ℃时的导线电阻，Ω/m；tr为融冰时间，h；g0为冰的密度，雨凇为0.9 g/cm3；b为冰层厚度，cm；D为导线覆冰后外径，cm；RTO为等效冰层传导热阻， ℃·cm/W；d为导线直径，cm；RT1为对流及辐射等效热阻， ℃·cm/W；λ为导热系数，雨凇为0.027 W/(cm· ℃)，雾凇为0.0012 W/(cm· ℃)；v为风速，m/s；ΔT为导体温度与外界气温之差， ℃，导体温度可取0 ℃。

通过以上计算公式，可以计算出直流融冰电流和融冰时间。

3 线路融冰参数分析

3.1 融冰时间

以乙线19—181号区段地线直流融冰为例，根据在线监测数据，查询得到不同塔位气温、拉力值开始下降的起点、终点时刻以及覆冰厚度的变化情况，具体见表1。

表1 乙线地线110-116号区段融冰情况

杆塔号拉力变化时段拉力变化时长/min气温/℃覆冰厚度/mm融冰时间理论计算值/min1138：40—10：20100[-28，-25]146→0941128：50—9：2030[-27，-25]49→035113+18：40—9：2040[-17，-16]59→0391158：40—9：2040[-18，-16]50→035

由表1可见：112、113+1、115号塔等效覆冰厚度[6-7]接近，覆冰完全脱落时间基本在30 min左右；而113号塔等效覆冰厚度较大，覆冰完全脱落时间在100 min左右。

根据相邻档内各杆塔所处地形(如图2所示)，结合当地天气预报及现场巡视信息，113号塔风速约8 m/s、112号塔风速约7 m/s、113+1号塔风速约6 m/s、115号塔风速约5 m/s，气温为终端测量值。根据直流融冰操作信息，融冰电流为200 A。通过以上参数计算得出融冰时间理论计算值，见表1。

图2 乙线111—115号杆塔区段地形

对比表1的融冰时间理论计算值、拉力变化时长可知，实际情况与理论计算值基本吻合。

为进一步分析融冰时间的影响因素，以等效覆冰厚度及融冰电流为变量，在其他参数均确定的基础上，分析融冰时间的变化趋势[8-11]，结果如图3、图4所示。

由图3可知，融冰时间与导线覆冰厚度基本呈线性关系，即导线覆冰越厚，融冰时间越长。由图4可知，融冰时间与融冰电流呈负相关关系，即融冰电流越大则融冰时间越短。但需要指出的是，当融冰电流小于一定值(此例为130 A)时，直流融冰将无法获得融冰效果。

地线型号JLB23-120，气温-3 ℃，风速5 m/s，融冰电流200 A。图3 融冰时间与等效覆冰厚度的关系

地线型号JLB23-120，气温-3 ℃，风速5 m/s，覆冰厚度10 mm。图4 融冰时间与融冰电流的关系

综上所述，因等效覆冰厚度较大，融冰所需时间更长，导致乙线113号塔地线拉力恢复至基准值的时间明显较长。在直流融冰过程中，在融冰电流一定的基础上，若线路覆冰厚度较大，需适当延长融冰时间；若要短时间内取得较好的融冰效果，需适当增加融冰电流。

3.2 融冰电流

以甲线19—188号区段地线直流融冰为例，根据在线监测数据，查询得到不同塔位气温、拉力值开始下降的起点和终点时刻、覆冰厚度的变化情况，表2为107—119号区段的融冰情况。

表2 甲线地线107—119号区段融冰情况

杆塔号拉力变化时间拉力变化时长/min气温/℃覆冰厚度/mm2h融冰电流理论计算值/A10823：00—次日1：00120[-51，-4]66→6321311022：50—次日1：00140[-51，-41]90→722011223：00—次日0：3090[-43，-35]88→3320211723：00—次日0：1070[-45，-39]80→019211823：00—次日1：00120[-39，-32]130→55205118+123：00—23：5050[-39，-32]105→0179

由表2可见：117、118+1号塔达到融冰效果，在1 h左右覆冰完全脱落；而108、110、112、118号塔在2 h左右的直流融冰操作过程中未完全达到融冰效果，甚至部分杆塔覆冰厚度未出现明显变化。

根据相邻档内各杆塔所处地形(如图5所示)，结合当地天气预报及现场巡视信息，110、118号塔风速约12 m/s，108、112、117号塔风速约10 m/s，118+1号塔风速约8 m/s，气温取终端测量值。根据直流融冰操作信息，融冰电流为200 A。通过以上参数计算得出直流融冰持续2 h的前提下覆冰完全脱落所需的融冰电流理论计算值，见表2。

图5 甲线108—120号区段杆塔地形

对比表2的覆冰厚度变化、2 h融冰电流理论计算值可知，2 h融冰电流理论计算值小于200 A的杆塔均达到完全融冰效果，而2 h融冰电流理论计算值超过200 A的杆塔均未完全达到融冰效果。实际情况与理论计算值基本吻合，对于融冰效果不佳的杆塔，要达到覆冰完全脱落的效果且融冰电流必须控制在200 A，则需延长融冰时间，或者在2 h的融冰时间内增加融冰电流。

为进一步分析融冰电流的影响因素，以气象环境参数为变量，在其他参数均确定的基础上，分析融冰电流的变化趋势[8-11]，如图6、图7所示。

地线型号JLB23-120，风速5 m/s，覆冰厚度10 mm，融冰时间2 h。图6 融冰电流与气温的关系

地线型号JLB23-120，气温-3 ℃，覆冰厚度10 mm，融冰时间2 h。图7 融冰电流与风速的关系

由图6可知：融冰电流与气温基本呈负线性相关关系，即气温越低，所需融冰电流越大；气温对融冰电流影响较大，针对本算例，气温由0 ℃降至-10 ℃，融冰电流需增加约150 A。由图7可知：融冰电流与风速呈正相关关系，即风速越大，所需融冰电流越大，但风速对融冰电流的影响较气温明显偏小。需要指出的是，正是由于现场风速较大(巡视人员反馈现场风速较大以及气象预报附近地区局部有6级大风)，且不同塔位因地形原因风速存在较大区别，使得部分杆塔覆冰完全脱落所需的融冰电流超过了实际融冰电流值，从而导致不同杆塔出现明显不同的融冰效果。

综上所述，现场气温较低、风速较大导致所需融冰电流有所增加，由于实际融冰电流略小于覆冰完全脱落所需融冰电流，甲线108、110、112、118号塔覆冰均未完全脱落。在直流融冰过程中，在融冰时间一定的基础上，若线路环境气温较低或风速较大，需适当增加融冰电流。

4 结论与建议

4.1 结论

a)因地线等效覆冰厚度较大，融冰所需时间更长，使得乙线113号塔地线拉力恢复至基准值的时间明显较长。现场气温较低、风速较大导致覆冰完全脱落所需融冰电流有所增加，因实际融冰电流略小于所需融冰电流，甲线108、110、112、118号塔覆冰均未完全脱落。

b)融冰时间与导线覆冰厚度基本呈线性关系，即导线覆冰越厚，融冰时间越长；融冰时间与融冰电流呈负相关关系，即融冰电流越大，融冰时间越短。

c)融冰电流与气温基本呈负线性相关关系，即气温越低，所需融冰电流越大；气温对融冰电流影响较大。融冰电流与风速呈正相关关系，即风速越大，所需融冰电流越大；风速对融冰电流的影响较气温明显偏小。

4.2 建议

a)在直流融冰过程中，在融冰电流一定的基础上，若线路覆冰厚度较大，需适当延长融冰时间；若要短时间内取得较好的融冰效果，需适当增加融冰电流。在融冰时间一定的基础上，若线路环境气温较低或风速较大，需适当增加融冰电流。

b)在实际融冰过程中，根据在线监测数据，获取融冰区段不同塔位的等值覆冰厚度、气温及风速测量值，结合现场巡视人员反馈的线路覆冰、气象环境情况，开展以融冰电流、融冰时间为主的直流融冰参数分析，再综合考虑系统运行要求，制定针对性更强的直流融冰方案，以获得最好的融冰效果。

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(编辑 李丽娟)

Analysis on Differences in DC De-icing Effects on EHV Power Transmission Lines Under Strong Cold Wave Weather

WANG Xiaoqing, ZHANG Hourong, LUO Wangchun, SU Guolei

(Maintenance and Test Center of Extra High Voltage Power Transmission Company of China Southern Power Grid, Guangzhou, Guangdong 510663, China)

In allusion to actual cases of differences in DC de-icing effects on EHV power transmission lines under strong cold wave weather, this paper analyzes relevance among weather environment, icing situations and DC de-icing parameters according to online monitoring data of icing of power transmission lines and field information combining with operational parameters of power transmission lines and relevant principles of DC de-icing technology. Results indicate that equivalent icing thickness of earth wire is quite big which causes more longer de-icing time, and low field temperature and larger wind speed cause required de-icing current for icing fall-off increase while actual de-icing current is less which causes icing not fully cleared. It suggests to properly delay de-icing time if icing thickness of the line is big on the basis of certain de-icing current, or increase de-icing current in order to acquire better de-icing effect in short time. In addition, on the basis of certain de-icing time, it is suggested to properly increase de-icing current if environmental temperature of the line is lower or wind speed is larger.

power transmission line; icing; strong cold wave; de-icing current; de-icing time

2016-09-07

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.12.020

TM852

B

1007-290X(2016)12-0110-05

王敩青(1987)，男，江西吉安人。工程师，工学硕士，主要研究方向为输电设备外绝缘、输电设备在线监测。

张厚荣(1989)，男，福建龙岩人。工程师，工学学士，主要研究方向为输电设备在线监测。

罗望春(1987)，男，湖北天门人。工程师，工学学士，主要研究方向为输电设备在线监测。