输电线路融冰过程的仿真分析

岳永刚,段长君,韩高飞

（内蒙古超高压供电局，呼和浩特 010080）

0 引言

近几年，由于异常气候的影响，我国东南和西南地区出现了大面积冰雪灾害。受冰雪天气影响，大量500kV线路的受损，如安徽、浙江、福建等省都出现了500kV线路倒塔事件，自2008年1月15日桐凤5419线发现覆冰倒塔开始，浙江500kV交流输电线路共停役23条，其中共有167基杆塔发生倒塔，28基受损。有4条500kV线路自2008年1月15～19日共发生冰闪跳闸23次，冰闪均发生在玻璃绝缘子串上[1-3]。

融冰机理研究作为覆冰灾害体系的一个重要组成部分，对构建防冰减灾体系、及早采取措施、防患于未然。电流融冰效果的估算难度很大，取决于线路参数、覆冰参数、外部环境等多种因素，涉及复杂的热力学过程，对于500kV输电线路融冰的经验则更少，所以应根据实际需求进行有目的专题研究。

1 输电线路融冰的基本方案

在大范围恶劣天气的作用下，即使采用了多种防冰措施往往也难以避免出现覆冰情况。对于运行线路当覆冰情况发展到比较严重的情况时，需要采取除冰措施。目前已经提出的除冰方法有很多，总体上可以分为热力融冰、机械除冰和被动除冰三大类方法[4-5]。

根据研究分析的结果，机械除冰法使用的范围小，且具有一定危险性，被动除冰的方法效率较低，在实际运用中除冰效果不明显。所以，目前国内外线路除冰方面应用比较广泛的主要是热力融冰方法。而热力融冰的具体方案也有很多，如过电流密度、短路融冰、热吸收装置，铁磁材料线等，其中最简单、有效且易于实施的是依靠电流发热的方法。

电流发热融冰方法中又包括交流融冰和直流融冰两种方案，交流融冰又分为短路融冰和转移负荷融冰的方案。依靠电流发热融冰的技术各有优劣，在国内、外的电力系统中均有成功试使用的案例，首先需要对这些方案的应用可行性及效果进行分析。

1.1 交流融冰的技术方案

（1）转移负荷融冰

通过调整系统方式，是覆冰区域的输电线路的负荷电流加大，以确保线路不结冰或线路上的覆冰融化，称为转移负荷融冰。这种融冰方式的思路是在确保线路处于运行状态下进行融冰，在我国的陕西和湖南两省曾有实践。陕西省将此技术应用于跨越秦岭的两条110kV输电线路上，该线路是电气化铁路的专供线，每年都会发生较为严重的覆冰，利用专门设计的开关回路，可以实现利用负荷电流融冰，并一直使用至今。湖南省也曾对35kV和110kV的线路进行过类似试验。

虽然转移负荷融冰的技术方案有其优势，但是受到的限制也很多，如对于220kV及以上线路，需要融冰电流较大转移负荷比较困难；实践成功的转移负荷融冰技术需要专门的开关回路和特殊的导线设计，目前的输电线路不可能直接应用；转移负荷融冰会给电网稳定造成较大威胁。

可见，转移负荷融冰仅陷于一些特殊的情况下进行，无法在电网中大范围推广进行。

1.2 短路融冰

短路融冰的基本技术方案是将输电线路的导线短路，并利用专用装置使导线上产生较大电流进行融冰的技术方案。该方案最早于1954年在湖南省的两条跨江线路上应用，取得了成功并沿用至今，基本的融冰方式有两种，一种的发电机零起升压，另一种是冲击合闸方式，如图1所示。

在融冰操作需要根据现场气象条件确定融冰电流，进而根据不同融冰方式确定与融冰操作配合的一次、二次方案。

短路电流融冰技术虽然取得了一定的成功经验，但是这种技术自身也存在着一些不利因素，第一，短路融冰时需将包括融冰线路在内的所有融冰回路中架空输电线停下来；第二，融冰电源采取零起升压和冲击合闸两种方式中，零起升压对系统影响不是很大，但应用的范围有局限，而冲击合闸在系统电压较低、无功备用不足情形下，就有可能造成系统稳定破坏事故；第三，三相短路融冰需要耗费巨大电量不仅在经济上造成损失，同时在冬季负荷高峰期间很难有冗余的电源用来融冰；第四，融冰时需要多个部门通力配合，线路沿线要有人员实时监视，确保线路状态，融冰准备时间较长，无法应对大范围的覆冰情况；第五，短路融冰需要巨大的电流通过导线，由于500kV导线截面大，融冰电源难于选取，因而无法应用该技术。

1.3 直流融冰的技术方案

受险于交流输电系统自身的容量，500kV及以上交流输电线路的的导线无法实现交流融冰，所以可以考虑应用直流融冰技术。

直流融冰装置可以分为移动式和固定式两种类型，移动式直流融冰装置一般应用于较短线路，这类装置一般由发电车或系统电源经整流装置后带线路融冰，可实现零起升流，在融冰的过程中随时监视线路的脱冰情况。固定式直流融冰装置，一般安装在出线集中的枢纽变电站，一般容量较大，价格昂贵，不进行融冰操作时，可考虑设计为动态无功补偿装置（SVC），融冰时进行功能切换。

目前国外已经研究了基于HVDC技术的融冰整流装置，加拿大魁北克水电局与AREVA公司合作开发了250MW直流融冰装置，该装置在通常条件下可以作为SVC使用，充分提高了使用率，可用于735kV特高压线路的融冰操作，直流融冰工作时可以输出电流7200A，状态转换时间1小时，直流电压17.4kV，瞬时过负荷300MW（1.5小时），过负荷电压20.8kV。

我国在2008年冰灾后开始直流融冰技术的研究，目前湖南、浙江等省已经研制成功了应用于500kV交流线路的固定式和移动式直流融冰装置，并已经开始试运行。

2 输电线路融冰的物理模型

研究输电线路融冰物理模型的主要目的有两个，一个是确定输电线路的最小不结冰电流，也就是俗称的“保线电流”；另一个是确定不同气象条件，不同需求情况下，实现线路融冰的最小电流。这两个方面是类似的热力学平衡问题，却有不同的热平衡条件，通过对融冰时物理过程的研究，就能够为输电线路在覆冰季节的安全运行和融冰操作提供必要的支持[6-7]。

2.1 导线融冰时的传热模型

导线融冰的过程是一个较为复杂的传热过程，很难用准确的理论模型进行描述，但是可以依赖有限元工具，对其过程进行数值仿真，如图2所示为架空导线在进行融冰时的断面结构示意图。

图2中给出了融冰过程中的架空线断面结构，可以想象最外层为冰层、导线附近为融化层，内部为发热的导线。进行导线融冰时，环境温度较低，冰层本身的热导率不大（一般为2.3W/m×℃），因此具有一定的保温作用；当导线温度升高时，导线表面附近的冰会融化，形成冰水混合状态，根据融解的物理原理，冰融解时会大量吸热而混合物的温度保持为恒定值0℃；导线的为发热源，其温度与加热功率散热条件共同决定，由于导线外部包裹着冰所以导线电阻损耗产生的热量均作用于融化过程，所以表面温度附近的温度较低。

图2 导线融冰时的断面结构示意图

2.2 导线融冰的过程模拟

（1）均匀覆冰条件下的导线融冰模拟

根据上述物理过程，可以对LGJ-400/50型单根架空线覆冰20mm以上的条件下的融冰过程进行模拟，设置环境温度-5℃，外界风速考虑为5m/s，如图3所示为单根子导线施加500A时的情况。

图3 单根子导线施加500A融冰时的模拟

从图3的仿真图中能够注意导，导线与冰的交界处（兰色线）温度接近0°C，导线内部大约为0.4°C，融化层两侧的温差大约0.1°C，所以这种情况应当是导线处于临界可融冰的状态。

如果在相同条件下设置单根子导线的电流为100A，则模拟的情况如图4所示。

图4 单根子导线施加100A融冰时的模拟

从图4的仿真图中能够注意到，导线与冰的交界处（兰色线）温度接近 0°C，导线内部为也接近 0°C，融化层两侧的温差几乎为0，意味着几乎没有热量从导线向冰层传递，也就意味着这种情况下无法实现融冰。

如果在相同条件下设置单根子导线的电流为1000A，则模拟的情况如图5所示。

图5 单根子导线施加1000A融冰时的模拟

从图5的仿真图中能够注意到，导线内部的温度能达到1.5°C，融化层两侧温差约为1.0°C，由于融化层为流体、且较薄，所以会有较大的热量向冰层传递，所以电流达到1000A时，覆冰导线的温度会迅速上升，在模拟设置的条件下无法达到热平衡，意味着这是一个快速融冰过程。

将相同环境条件下，100A、500A和1000A模拟结果中，沿轴向的温度数据绘制出来能够清楚看出，不同电流条件下融化层的温差情况，如图6所示。

（2）均匀覆冰条件下的导线融冰模拟

实际当中导线的覆冰是不均匀的，所以导线中的温度分布和散热方向也将是不均匀的，不均匀覆冰情况的融冰模拟如图7所示。

图6 不同电流条件下覆冰导线内部的温度分布

图7 不均匀覆冰情况下导线截面的温度分布

当导线中通过1000A的电流，且覆冰不均匀情况下，导线表面附近会出现不规则的融化层，随着导线顶部的冰不断融化，导线外的冰会在重力作用下逐渐下降，最终脱冰。脱冰的过程很难精确模拟，但是仿真数据表明，在覆冰不均匀时，冰层内的温度分布是不均匀的，如图8所示。

图8 不均匀覆冰情况冰层内的温度分布

从图8能够看出不均匀覆冰融冰时，冰层较薄的部分热阻较小，热量会向薄的部分传播，导致该部分的温度上升较快，所以导线通过大电流融冰时，冰厚较小的部分会先融化，造成脱冰。所以，实际操作中导线融冰所需要的时间是不易确定的。整条线路的电流进行融冰时，各区段不会同时脱冰，这都给融冰操作造成了困难。

2.3 最小不结冰电流的计算

虽然对架空导线进行融冰需要较大的电流，但是在输电线路运行期间能够对部分截面较小的导线采取集中负荷的办法抑制覆冰的增长。当线路负荷足够使导线表面的温度高于0°C时，即便有过冷水滴撞击在导线表面上也会立即融化，不会形成积累。

这个能够确保导线表面温度大于0°C的最小电流被称为最小不结冰电流或预防结冰电流。前苏联工程师波×波×布尔格斯托夫曾利用热力学平衡原理并结合实际情况，推导出了预防结冰的最小不结冰电流计算公式。

其中εn为导线的辐射系数，d为导线直径，v为风速，t1和t2分别为导线温度和空气温度，I预为最小不结冰电流，R0为0°C时导线每米的电阻。观察公式（1）可以看出公式中确定最小不结冰电流的主要是环境参数，如风速和环境温度。根据式（1）可以计算典型500kV导线的最小不结冰电流，如图9所示为环境温度-5°C，导线温度 0°C，时 LGJ-400/35 和 LGJ-630/45型导线的最小不结冰电流变化关系。

图9 最小不结冰电流与风速的关系

根据有关覆冰条件的讨论可以知道[5-7]，在环境温度-3°C，风速5m/s条件下，如果有降雨将很容易形成覆冰。这时要确保500kV线路不发生覆冰（使导线保持为1°C），按图9的计算结果，单根子导线通过的电流在 600A（LGJ400）～800A（LGJ630）以上，此时的线路负荷大约应当2400MW左右。很显然，当出现大范围覆冰时，使电网中所有500kV线路都达到这样的负荷水平是比较困难，但是对于导线截面较小的220kV导线，有可能在短时间内发挥一定的作用。

但是当导线已经出现了覆冰时，再将导线电流升高到防冰电流的大小，就无法起到预防导线结冰的效果了，更不能使已经覆在导线上的冰层融化。

3 结语

结合建立的输电线路融冰的物理模型，对输电线路融冰过程进行仿真计算分析。根据融冰物理过程，对LGJ-400/50型单根架空线覆冰20mm以上的条件下的融冰过程进行模拟，单根子导线施加100A、500A、1000A时，随着电流的增加，融冰效果从“无法实现融冰”到导线内部的温度逐步升高，有较大的热量向冰层传递，在电流达到1000A时，覆冰导线的温度会迅速上升，在模拟设置的条件下达到一个快速融冰过程。

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