不同类型地线对直流融冰影响的浅析

不同类型地线对直流融冰影响的浅析

黄维维

广西泰能工程咨询有限公司广西南宁530023

摘要：2008年初发生的低温雨雪冰冻灾害，造成全国范围电网极大损坏，大范围面积停电，其中我国南方、华中、华东地区受损最为严重。事后，南方电网公司为了抵御和防范极端天气灾害，提出了适当提高建设标准，应用抗冰融冰技术并完善应急机制的综合措施。直流融冰技术作为一种新型高效的技术，对电网抗击冰灾具有重大意义。本文通过对不同类型地线进行直流融冰计算，采用对比方式进行分析，得出在外部因素影响下，不同类型地线的融冰电流的变化情况，为以后在高压线路地线选型上提供了理论数据基础。

关键词：冰灾；地线；直线融冰；

1引言

大气异常，自然灾害频发，2008年我国南方、华中、华东地区出现了历史上罕见的低温雨雪凝冻灾害，对电网造成了极大破坏，大面积停电使国民经济及人民生活都受到严重影响。为了“建设人民放心的电网”，电力部门组织了电力设计、科研、制造单位，对中、重冰区输变电工程抗冰设计参数优化及通用设计进行了研究，修改了有关设计规程、规范，优化了电网规划，提高了电网的建设标准，并对事故线路进行了抗冰改造，同时启动了融冰技术研究及应用，以提高电网抗冰灾保障能力。中国南方电网公司在2012年发布了《架空输电线路地线覆冰防治工作导则（试行）》［1］（以下统称“防冰导则”），地线直流融冰技术将在南方电网中得到广泛应用。从此以后，部分地方供电局对一些重要线路加装了直流融冰装置对线路进行融冰，效果非常显著，有效防止了倒塔、断线等恶性事故的发生。

2防冰导则对架空输电线路采用防冰措施的规定

2012年发布的《防冰导则》从设计、运行、改造全过程，提出了重冰线路“避、抗、融、防”四字的地线覆冰差异化防治措施。根据《重覆冰架空输电线路设计技术规程》（DL/T5440-2009）规定，重覆冰线路设计应首先采用避冰及抗冰措施，有条件的地方经技术经济比较后可采用融冰及防冰等措施。线路的避冰应在线路路径选择阶段就认真研究、考虑，一旦线路路径确定后，相应的线路设计冰厚就确定了。因此，架空地线防冰措施可从防冰和融冰方面考虑。

3架空地线直流融冰

在我国，导线融冰已取得较多的实践经验，而地线融冰还处于研究试研阶段，地线融冰不少关键技术还需要通过专题试验研究解决。本次架空地线直流融冰方案的原则及计算过程的假设条件如下：

1）设计标准按《110kV～750kV架空输电线路设计技术规范》（DL/T50545-2010）执行。

2）融冰电流与融冰冰厚、时间、风速及环境温度有关。为方便融冰电流的计算，假设计算条件取环境温度-5℃、风速5m/s、冰厚10mm、融冰时间1小时。

3）结合融冰方案确定融冰电压，要尽可能达到既满足冬季融冰又满足防雷及正常运行方式对地线的要求。

地线融冰主要是采用一定量的电流使地线发热，达到融冰热平衡而实现融冰，这是一个电能转化为热能的过程，融冰电流和融冰时与各参数之间热平衡关系式如下：

（3-1）

式中：IC－融冰电流；R0－电线电阻；Q1－被融化部分的冰的温度从Te（结冰时外界温度）升温到T0（地线融冰温度）吸收的热量；Q2－融化冰所需吸收的热量；Q3－未被融化的冰温度变化吸收的热量；Q4－地线温度从Te升温到T0所吸收的热量；Q5－冰表面散失的热量。

当地线上通过的电流I大于上式计算的临界融冰电流IC时，经过时间t，地线上冰层融化并脱落，达到融冰的目的。

根据《防冰导则》附录B中的地线融冰电流计算公式，将公式（3-1）转换为下列公式：

（3-2）

式中：Ir—融冰电流（A）；R0—0℃时的导线电阻（Ω/m）；Tr—融冰时间（h）；Δt—导体温度与外界气温之差（℃）；g0—冰的比重（一般按雨淞取0.9）；b—冰层厚度，即覆冰每边冰厚（cm）；D—导体覆冰后的外径（cm）；RT0—等效冰层传导热阻（），；d—导线直径（cm）；λ—导热系数（），对雨淞λ=2.27×10-2，对雾淞λ=0.12×10-2；RT—对流及辐射等效热阻（）

对雨淞：；对雾淞：；

V——风速（m/s）

根据公式（3-2）可知，架空线路的地线融冰电流主要与环境温度、风速、覆冰厚度、融冰时间因素有关。由于不同地区的输电线路覆冰情况与天气情况等外部条件不一致，为了研究上述各种因素对融冰电流大小的影响规律，本文分别选取6种不同型号的常见地线（包括复合地线光缆）进行计算各外部因素与融冰电流的关系，6种不同型号的地线参数详见表3-1：

表3-1常用地线参数表

参数型号外径（mm）20℃时直流电阻（Ω/km）GJX-8010.092.7287GJX-10013.002.0490JLB20A-8011.401.0788JLB20A-10013.000.8524OPGW-24B1-8012.301.085OPGW-24B1-10013.200.882

按假设计算条件：外界环境温度为-5℃、风速为5m/s、融冰时间为1h、覆冰厚度为10mm。通过计算分别得出上述4种因素与融冰电流关系的曲线图，见图3-1~图3-4。

图3-1融冰电流与覆冰厚度的关系曲线图

图3-2融冰电流与温差的关系曲线图

图3-3融冰电流与天气风速的关系曲线图

图3-4融冰电流与融冰时间的关系曲线图

1）从图3-1可见，随着覆冰厚度的增加，融冰电流基本呈线性递增现象。以80标称截面的3种不同类型地线为例，覆冰厚度每增加5mm，镀锌钢绞线GJX-80的融冰电流增幅在6.85A～9.78A之间，铝包钢绞线JLB20A-80的融冰电流增幅在11.51A～16.38A之间，复合地线光缆的融冰电流增幅在11.94A～16.99A之间。由此可知，直流电阻较小的铝包钢结构地线（包括OPGW光缆）在覆冰厚度因素影响下的融冰电流增幅比镀锌钢绞线的增幅大一倍左右。

2）温差为融冰时地线温度与环境温度差，从图3-2可见，温差对融冰电流的影响也是呈线性递增现象。以80标称截面的3种不同类型地线为例，环境温度每降1℃，镀锌钢绞线GJX-80的融冰电流增幅在5.47A～8.91A之间，铝包钢绞线JLB20A-80的融冰电流增幅在8.76A～14.00A之间，复合地线光缆的融冰电流增幅在8.83A～13.96A之间。由此可知，直流电阻较小的铝包钢结构地线（包括OPGW光缆）在温差因素影响下的融冰电流增幅是镀锌钢绞线的增幅的1.6倍左右。

3）由图3-3可知，不同的风速对融冰电流的影响程度也不一样。同样以80标称截面的3种不同类型地线为例，风速在0～2m/s区间，风速每增加2m/s，镀锌钢绞线GJ-80的融冰电流增幅达22.35A，铝包钢绞线JLB20A-80的融冰电流增幅达35.4A，复合地线光缆的融冰电流增幅达35.43A。而风速在2m/s～16m/s区间，风速每增加2m/s，镀锌钢绞线GJ-80的融冰电流增幅在1.48A～6.95A之间，铝包钢绞线JLB20A-80的融冰电流增幅在2.45A～11.23A之间，复合地线光缆的融冰电流增幅在2.52A～11.38之间。基本上随着风速的增大，3种类型地线的融冰电流增幅会慢慢减小，其中风速在6m/s~16m/s之间，电流增幅基本上趋于平缓。

4）由图3-4可知，融冰时间与融冰电流呈反比关系，以80标称截面的3种不同类型地线为例，融冰时间在0.5h～1.5h区间，镀锌钢绞线GJ-80的融冰电流减幅在6.84A～18.34A之间，铝包钢绞线JLB20A-80的融冰电流减幅在11.72A～31.24A之间，复合地线光缆的融冰电流减幅在12.31A～32.72A之间，电流减幅十分明显。而融冰时间在1.5h～4.5h区间，镀锌钢绞线GJ-80的融冰电流减幅在0.83A～6.95A之间，铝包钢绞线JLB20A-80的融冰电流减幅在1.44A～11.72A之间，复合地线光缆的融冰电流减幅在1.51A～12.31之间，电流减幅趋缓。

5）从图3-1~图3-4可见，不同截面的同类型地线与覆冰厚度、温差、风速、融冰时间的关系是一致的，根据公式，为了保证产生足够的热量来进行融冰，电阻越小，在相同融冰时间t内，所需的融冰电流I就越大。因此，为了减少融冰装置的电压，新建地线应优先考虑采用铝包钢绞线。

4结语

综上所述，外部天气条件及融冰时间对融冰电流的影响较大，融冰线路必须加装沿线监测系统，在覆冰期间通过系统监测全线影响融冰电流的外部因素，通过综合分析，结合融冰装置的容量，确定融冰电流大小，融冰的时间。由于融冰需要一定时间，因此，需要通过覆冰预警装置，观测到架空线路覆冰厚度大于5mm时，运行部门应考虑启动融冰装置，以免无法及时提供所需的融冰电流。