电力系统防冰融冰对策的专题研究报告

摘要：冰灾是供电系统在遭遇的各种自然灾害中最严重的威胁之一，当严重冰灾持续来袭时，输电线路有时会出现覆冰现象。受大气候、微地形、微气象条件的影响，并且发生冰害事故时往往天气恶劣、冰雪封山使得交通受阻、通信中断、抢修十分困难，因而经常造成系统长时间停电，给人民生活带来不便，甚至带来较大的经济损失。本文在国内外学者研究的基础上，对现阶段及理想或试验阶段中的防冰融冰技术的原理、优缺点进行分析研究，主要从热力融冰方面展开，介绍了过电流融冰法、交流融冰法、直流融冰法等几种目前应用较为广泛的融冰技术。同时，本文也涉及了几种现行的价格较为低廉但应用局限的融冰技术，以及一些尚在试验阶段的新型技术。

关键词：电力系统；防冰融冰；热力融冰法；新型融冰技术

目录

摘要    II

目录    III

1    专题研究的背景与意义    1

2    现阶段主要的防冰融冰技术    2

2.1    过电流融冰法    2

2.1.1 基于移相器的带负荷融冰法    2

2.1.2 用自耦式变压器对特殊结构的多导线进行融冰法    3

2.2    交流融冰法    3

2.2.1 发电机带融冰线路方案    3

2.2.2 全电压冲击合闸方案    4

2.3    直流融冰法    4

2.3.1 采用发电机电源整流的直流融冰方案    4

2.3.2 变流电源融冰方案    5

2.4 机械除冰法    6

2.4.1 滑轮辗压铲刮法    6

2.4.2  “ad hoc”法    6

2.4.3 强力振动法    6

2.5    被动除冰法    7

3    新型的防冰融冰技术    8

3.1    激光热力融冰法    8

3.2    LC磁热线融冰法    8

3.3    电磁脉冲的机械除冰法    8

4    结论    9

参考文献    10

1 专题研究的背景与意义

随着时代的不断发展，我国科技已经进入到高速发展的重要阶段。其中电力是大部分产业所必须能源。而电力的输送主要是通过各种线路进行，但是由于地理环境与气候都存在一定的差异性，所以电力线路也需要进行定期的维护，从而保证线路的通畅性和安全性。就以冬季来说，冰霜是引起电力线路问题的罪魁祸首，也是让维护人员最为头疼的东西。

我国是输变电线路覆冰事故较多的国家之一，覆冰事故已严重威胁了电力系统的安全运行，并造成巨大的经济损失。进30年来，大面积的覆冰事故在全国各地时有发生，电力线路覆冰和积雪常会引起线路的跳闸、断线、倒杆、导线舞动、绝缘子闪络、通信信号中断等事故，由于导线上增加了冰载荷,对导线、铁塔和金具都会带来一定的机械损坏,覆冰严重时会断线、倒杆塔,导致大面积停电事故。由于事故发生在严冬季节, 大雪封山,或公路结冻,使得抢修条件十分艰难,造成长时间停电,对国民经济造成重大损失。近些年,随着全球异常气象带来的自然灾难逐步增多,为解决输电线 路在冬季覆冰这一严重威胁电力系统安全运行的难题,未雨绸缪,对输电线路覆冰问题的研究,解决因此带来的电网灾难,对国家稳定和建设和谐社会,起着重要的作用。近几年,我国南方大部分地区输配电设备受冰灾影响严重,电网灾后重建及改造投入资金巨大,给国民经济造成重大损失。目前,我国在输变电设施冰灾预防、处理和恢复技术研究还不系统,线路设计防覆冰标准还有待完善提升,应用于输变电设施的融冰、除冰技术还不十分成熟。研究输电线路防御冰灾以及迅速解决冰灾问题成为必要。

目前国内外已应用的和正在研究的除冰和融冰技术已经有40余种，一般按照原理不同把它们划分为机械融冰、自然被动除冰、热力除冰和其他除冰方法。热力除冰方法是目前应用最为广泛的融冰方法，它是在线路上通过较大电流来产生一定的焦耳热，以此使得线路覆冰融化。常见的热力融冰法主要包括过电流融冰法、交流融冰法和直流融冰法。此次我们将主要从热力融冰的方法进行相应研究。

2 现阶段主要的防冰融冰技术

热力融冰法是目前应用最为广泛的融冰方法。其基本原理是在线路上通过高于正常电流密度的传输电流以获得焦耳热进行融冰。前期研究主要包括：1976年以来中国和1993年以来加拿大水电局采用的短路电流融冰、1982年有专家提出采用高电流密度融冰以及1987~1990年日本研制的电阻性铁磁线。

2.1 过电流融冰法

过电流融冰技术是在线路导线或地线上通过加以高于正常电流值的传输电流，提高电路产热量，从而达到融冰目的，其大致可分为以下几种：带负荷融冰法、基于移相器的带负荷融冰法、用自耦式变压器对特殊结构的多导线进行融冰法。

110kV及以下线路大都为馈线网络，而且负荷自然分布，利用潮流来调整可能性较小，常用的手段有：增加受端感性无功补偿，降低电压值，电阻不变的情况下增大线路中的电流，通过转移负荷至融冰线路所在变电站。不同型号的220kV输电线路在温度和风速适宜的条件下需要的融冰功率在220kW~534MW之间，当前我国220kV的电网线路仍是省级的骨干线路，电网之间的联系较强，运用断开电源、转移负荷、停运线路等手段，可以达到调整对抗潮流的目的。

对其电厂出线、主要输电断面和负荷中心线路进行过电流融冰可行性分析，结果表明，接入220kV电压等级的电厂出线部分实施过电流融冰可行，负荷中心环网不具备过电流融冰的可行性。

2.1.1基于移相器的带负荷融冰法

基于移相变压器融冰法不需要停运线路，利用安装在线路上移相变压器改变平行双回线或多回线的潮流分布，使其中一回线的电流来增加到融冰电流进行融冰（见图3）。加拿大J.Brochu等针对Matapédia电网设计了基于移相变压器的融冰方案，可对超过900km的230kV和315kV线路进行融冰，但该方案还未实施过。这种方法将显著增加系统无功需求，且对系统安全稳定影响较大。该方案能够达到的最大电流有限，很难用于500kV线路融冰。

2.1.2用自耦式变压器对特殊结构的多导线进行融冰法

对于多导线，可以通过把线路电流集中在某一导线上，增大发热量而融冰，通过各导线间的切换，使线路覆冰完全融化。这种方法要求线路导线间相互绝缘，需要对线路进行大范围改造。加拿大的P.Couture提出并设计了基于绝缘导线的智能输电线路（Smart power line, SPL）并申请了专利，但至今仅还处于概念阶段。国内也有学者对此进行了研究，但还没有实际应用。宝鸡电业局将重覆冰线路110kV马向Ⅰ、Ⅱ线改造为装有绝缘间隔棒的二导线，并将每相的两根导线用三片绝缘子隔离，自断开点两侧用悬空T形接线引入融冰变电所。当需要导线带负荷融冰时，通过专门的融冰自耦变压器的电压差在二导线产生强迫的融冰环流，使得导线发热融冰。如图4所示，已经应用多年，在解决小范围覆冰问题提供了很好的借鉴参考。

2.2 交流融冰法

交流融冰法一般是在输电线路中通过交流大电流以加大线路导线的发热，从而实现线路融冰。

2.2.1发电机带融冰线路方案

首先要圈定好需要融冰的线路，暂时做停运处理，该短路组成有融冰线路和发电机。为了能够使所需电流为融冰的事宜电流，所以不能直接将电机发到指定的电压，而是在缓慢增加的情况下逐渐调试，直到看到线路融冰可以融化即可。该方案可选择由发电机采用变压器带线路零起升流，或由发电机直接带线路零起升流。发电机带融冰最大的好处是对整体线路运行的影响比较小，可以直接截取某个部分进行短路，获取电流随意性较强，但是起不足的地方是回路电流比较强，这部分回流要直接加到电机中去，所以在发电机的选用上要特别注意需要更大的电机容量，另外为了发电机在工作中回流过大而造成自磁力的发生，只能选用220kV以下的融冰线路，如此从形式上相对操作比较有难度。

2.2.2全电压冲击合闸方案

首先同样先要圈定待融冰的线路，三相短路暂作停运处理，控制断路器对三相短路线路进行全电压冲击合闸，从形式上来说，全电压冲击合闸法要比发电机带融冰简单易行，但是由于电压比较大，电流过大会直接冲击整体运行的使用，所以在使用过程中需要根据计算选用合理的电阻来环节回路的冲击力。选用全电压冲击合闸一定要注意到对系统整体的影响，如果因电压过大而产生的任何问题反而造成得不偿失，要在科学的计算下确定不会对整体功能有影响下方可使用。同样此中方法同样需要将电压控制在220kV以下，尽量缩短待融冰的线路长度。4x400的导线，长度不能超过150km，且系统提供无功容量超过1GVA，可能系统无法满足要求。

2.3 直流融冰法

直流电流融冰技术是指在覆冰线路中通过大于最小融冰电流的直流电流，使导线产生线路融冰所需要的能量，达到线路融冰的目的。由于直流输电工程主接线的特点、换流器的交 直流变换特性及高度可控性使直流输电线路的融冰 方法选择更加灵活，而且更具可操作性。

2.3.1采用发电机电源整流的直流融冰方案

发电机出口经旁路到整流装置，带线路融冰。其中整流装置采用不可控整 流方式。由于整流采用不可控三相整流，其整流脉动系数较小。发电机相当于 带整流电阻性负载，对发电机不会产生其它影响。 采用此方案，除整流装置、引出配电装置需要重新设计配置外，可借用发 电机励磁控制系统实现零起升压、升流。其保护也可采用发电机保护和励磁系 统保护，大大减少投资，但实时性较差，同时线路长度受出口电压的，有 一定的局限性。此方案仅适用于中短距离的输电线路直流融冰。

2.3.2变流电源融冰方案

此方案由系统提供电源，经整流变压器、整流装置，对线路融冰。整流装 置可选择的方案有两种：可控整流和不可控整流。虽然不可控整流装置价格相 对便宜，但由系统提供整流电源的情况下，不能实现零起升流，存在对系统冲 击大和相对不安全的缺点，因此最好采用可控整流装置。基于二极管或晶匝管的直流融冰技术将交流电整流为直流电，供给覆冰线路 进行融冰。常用的整流电路有6脉波、12脉波以及24脉波整流电路。进线电流谐波含量的计算公式如式：

可以看出，方波电流中含有大量的5、7、11、13次谐波，各次谐波 含量为20％、14.3％、9.1％、7.7％，输出直流电压谐波含量的计算公式如式：

可以看出，输出电压中含有大量的6次、12次、18次等谐波，各次谐波含量分别为5.7％、1.4％、0.62％等。随着脉冲数的增加，输入侧谐波含量则随之降低。

站间采用的直流融冰成套装置、为6脉波的3相全控桥式整流电路是由整 流变压器和一个三相六脉冲整流器组成。

12脉波整流电路由两个6脉波3相全控整流桥串联组成。其中一个3相整流桥接向整流变压器的二次侧星形绕组，另一个3相整流桥接向整流变压器的二次侧三角形绕组。因为每台整流变压器二次侧星形绕组和三角形绕组相对应的线电压相位错开30度，于是可以得到两个三相桥串联组成的12脉波整流电路。调整晶闸管的触发角度时，输出直流电压也相应的改变，加载在阻感负载上的电流也相应的改变，实现了输出电流的连续可调。这种电路的输出谐波含量较大，输入功率因数为0.7-0.8之间，需要联结额外的功率补偿装置，脉波整流可以降低波形畸变，减少低次谐波含量，以减少对电网的谐波干扰，降低输出直流电压纹波系数，使得输出直流电压平稳。两台12脉波整流器可以组成一套24脉波直流融冰系统。两台整流变压器一次侧绕组分别移相+7．50和-7.50，使两台牵引整流变压器二次侧电压相角差为15，分别供2套12脉波直流融冰电源。每个12脉波直流融冰电源由2组6脉波三相全控整流桥串联组成。其中一个3相桥接向整流变压器的二次侧星形绕组，另一个3相桥接向整流变压器的二次侧三角形绕组。因为每台整流变压器二次侧星形绕组和三角形绕组相对应的线电压相位错开300，得到两个三相桥串 (并)联组成的12脉波整流电路。根据融冰线路要求控制2套12脉波直流融 冰电源单独工作，也可以串、并联工作。

2.4机械除冰法

利用各种机械动力使冰产生应力破坏从导线上脱落称机械除冰方法，如表1所示。

表1  机械除冰法

滑轮辗压铲刮法是目前唯一可行的输电线路除冰的机械方法。它由滑轮、牵引绳及涂漆的胶合板或环氧树脂板等器件构成，加在滑轮上的力要足够让导线产生弯曲，这样，产生的应力才能使冰破裂，脱落。但拉扯时注意不要损伤线缆、避雷线和绝缘子。滑轮铲刮法的最大优点是效果很快，且不需要特别的设备和专家，简便易操作，耗能小，价格低廉，较为实用，但它也有缺点，那就是费时，安全性能不完善，且受地形。据统计，要对一公里长导线进行滚压除冰约需l~2h。

2.4.2“ad hoc”法

“ad hoc”法由线路操作人员在现场使用木制套圈套在导线上，用绳子顺着导线拉， 以消除覆冰，这种方法只是权宜之计，既不安全，又不十分有效，因此，很少有人推荐使用。

2.4.3强力振动法

通过外部振动器使冻结导线和拉线振动的方法由于要求提供外振动源，并且因振动会加速线缆疲劳，对雾凇有一定效果，对雨凇效果有限，除冰效果不佳，因而很少在实际工程中采用。

2.5 被动除冰法

被动除冰就是依靠自然的力风、地球吸引力、随机散射和温度变化等被动脱冰的方法。这种方法不需要附加外界能量条件，已经运用到输电线路上的有线夹、除冰环、阻雪环、憎水憎冰涂料、风力锤等来预防或减少输电线路上的覆冰。这种方法的优点是费用低，但也有一定的缺点就是不能完全阻止覆冰的形成，这只仅仅适用于特定的地区，范围较窄。

3 新型的防冰融冰技术

3.1 激光热力融冰法

高功率、高能量的激光与冰相互作用会产生热效应。冰对不同波长的激光吸收长度不同，一般来说，激光波长在1~10μm时，冰对其的吸收长度约从几十mm减小至几十μm。因此，采用不同波长的激光照射到覆冰上，热效应作用的冰层厚度也不同，从而使覆冰产生的变化也有所差异。波长较长的激光作用在覆冰上相当于面热源，而波长较短的相当于体热源。因此，在研究利用激光进行除冰时要考虑选择多少波长的激光器以及采用何种方式使激光能量能够最大限度地被吸收，并且充分发挥激光除冰的特点，以提高激光除冰的效果和效率。因覆冰内部不能自由形变，故当温度差产生的应力超过冰层的抗拉或抗压极限时冰层会发生断裂，使得比较坚硬的覆冰内部产生裂纹和松动，易于去除，也达到激光除冰的效果。

3.2 LC磁热线融冰法

LC磁热线是以低居里点磁性材料（LC材料）为芯线，其外覆有铝（或铜）层的覆合合金线。低居里磁性材料由Fe、Ni、Cr、Si等4种元素按一定比例配合，在真空条件下熔炼冷拔而成。当覆铝（或铜）的LC 材料（即LC 磁热线）缠绕在通流的输电线路上时，由于这种材料具有0℃以上的居里温度，在冰点环境条件下产生了磁性，并因电阻损失和铁损而产生热；环境温度超过居里点时就不具有磁性，因而也不产生热。利用LC材料的这一特性既保征了在冰点条件下达到除冰的目的，又能使环境温度较高时不增加线损。

3.3 电磁脉冲的机械除冰法

电磁脉冲的机械除冰是运用电容器冲击放电及电流通过线圈产生脉冲磁场，因为在导线中产生涡流，涡流磁场与线圈磁场之间互相发生斥力使导线产生扩张，脉冲消散后导线聚拢回之前的状态，频频的扩充、收缩让导线表层的覆冰胀裂落下。

4结论

目前应用得较为广泛的是热力除冰与机械除冰两类方法，而其中又以热力除冰法效果更佳。自然除冰法虽然效果欠佳，但具有设备投资少，简单易行等特点，在线路覆冰初期仍起到一定效果。然而，随着科技的进步，传统的防冰融冰技术仍需进行不断地革新，各种基于不同原理的新型防冰融冰方法和装置不能仅仅停留在理想或试验阶段，更多切实可行的新技术需要被广泛应用到日常生产生活中去。总之，电力系统的防冰融冰工作是一项复杂的系统工程，要针对于现场实际情况，选择针对性的除冰方式，把危害造成的经济损失降低到最低。

参考文献

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