（电力系统及其自动化专业论文）电力线路冰厚测量及融冰方法研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e ri n d u s t r ya n di n c r e a s i n g l yc o m p l i c a t e d s t r u c t u r eo fp o w e rg r i d ，i ti si m p o r t a n tt om a i n t a i ns a f eo p e r a t i o no fe l e c t r i cp o w e r f o rs o c i a ls t a b i l i t ya n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t i c i n go fe l e c t r i ct r a n s m i s s i o nl i n e si s o n eo fs e r i o u sn a t u r a ld i s a s t e r sw h i c hw o u l dc a u s es u b s t a n t i a ld a m a g et op o w e r s y s t e ma n dt h u sb r i n gi n s t a b i l i t ya n du n s a f e t y t h e r e f o r e ，t h ed e - i c i n gm e t h o do f a d ju s t i n go p e r a t i o nm o d ea n dc h a n g i n gp o w e rf l o wd i s t r i b u t i o ni sr e s e a r c h e di nt h i s t h e s i s f i r s t l y ，t h et r a d i t i o n a lc a l c u l a t i o no fi c i n gp a r a m e t e r si si n t r o d u c e d an o v e l m e t h o do fi c et h i c k n e s sm e a s u r e m e n tf o rt r a n s m i s s i o nl i n e sb a s e do nt r a v e l i n gw a v e t r a n s m i s s i o nt i m ed i f f e r e n c ei sp r e s e n t e d f o r m u l a so fi c et h i c k n e s sc a l c u l a t i o na r e t h e o r e t i c a l l yd e r i v e d ，t h ea r r i v i n gi n t e r v a l so ft h et r a v e l i n gw a v ei s r e c o r d e db y g p sl o c a t i o ns y s t e m r e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t hf i e l dm e a s u r e dd a t ai ns o m ec e r t a i n p o w e rg r i da n ds h o wt h a tt h i s m e t h o di ss u i t a b l et oc a l c u l a t et h ea v e r a g ei c e t h i c k n es so ft r a n s m iss i o nl i n e b a s e do nt h eh e a te q u i l i b r i u mo ft h ec o n d u c t o r si c i n gp r o c e s s ，t h et h e r m a l b a l a n c ee q u a t i o ni se s t a b l i s h e da n dt h ef o r m u l a so fc a l c u l a t i n gt h em i n i m u mc u r r e n t a n dt i m eo fd e i c i n ga r ed e r i v e d t h e o r e t i c a ls i m u l a t i o na n de n g i n e e r i n gp r a c t i c e r e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h ed e - i c i n gt i m ed e c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s eo fc u r r e n t t h ed e i c i n gm e t h o do fc o n d u c t o r si ss t u d i e dw h e no p e r a t i o nm o d ea n dp o w e r f l o wd i s t r i b u t i o na r ec h a n g e d t h eo p e r a t i o nm o d ei s c h a n g e du s i n go p e n l o o p s t r a t e g ya c c o r d i n gt ot h el o o pn e t w o r k sa n dt h em a t h e m a t i c a lo p t i m i z a t i o nm o d e li s e s t a b l i s h e dt oa n a l y s ee a c hs c h e m e t h es i m u l a t i o ni sc o n d u c t e df o rw s c c - 9a n d e p r i - 3 6n o d e ss y s t e ma n dr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e - - i c i n gm e t h o di st h e o r i t i c a l l y f e a s i b l eb a s e do n o p e r a t i o n m o d ea d j u s t m e n ta n dc a nb e a p p l i e d w i t h o u t c o n s i d e r a t i o no ft h et r a n s m is s i o nc a p a c i t y k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o nl i n e ；i c i n g ；d e - i c i n g ；o p e r a t i o no fp o w e rg r i d ；p o w e rf l o w d i s t r i b u t i o n i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 伍兹彳 日凝：枷f 舞步具 b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密豳。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 名：钽饬彳 导师嘶影 u 日飘：矽| 口年乡其砷b 日强：矽 侈年多羁z 峰日 1 1 课题背景 第一章绪论弟一早三百下匕 随着经济的快速发展，国家加大对电力事业投资和建设。大量高压、特高压 电网的建成，使得输电线路的安全稳定运行越来越受到重视。高压输电线路多架 设在野外山区等地，在寒冷的冬季，容易遭受冰冻天气的影响而产生覆冰。输电 线路覆冰会加重导线和杆塔的机械荷载，覆冰严重时会造成线路跳闸、断线、电 杆倒塌、绝缘子闪络、通信中断等事故，由于冰害事故多发生在天气恶劣的时候， 冰雪封山、交通受阻、通信中断，线路的抢修工作十分困难，因而覆冰严重时会 引发电力系统的长时间停电，给工农业生产造成严重损失，给人民的日常生活带 来不便。因此，输电线路覆冰成为许多国家电力系统所面临的最为严重的自然灾 害之一。 有关输电线路覆冰事故的记载最早出现于1 9 3 2 年，从2 0 世纪5 0 年代以来， 美国、俄罗斯、加拿大、日本、英国等国家都先后投入大量的人力和资源对输电 线路覆冰情况进行观测和试验研究【l 】。从研究输电线路覆冰机理、覆冰的形成条 件出发，对导线覆冰现象进行长期的观察。经过几十年的努力，他们研制出先进 的覆冰在线监测仪器和设备，对全国范围内的导线覆冰情况进行了划分，建立了 大型的人工气候室来模拟大气环境下导线的覆冰。在此基础上制定了导线覆冰的 测试标准、线路抗冰设计规程，研制了许多有效的防冰、除冰的方法和措施，有 效地提高的输电线路的防覆冰能力。 我国是世界上输电线路覆冰最为严重的国家之一，但是对于导线覆冰的研究 比其他国家要晚得多。从l9 5 4 年我国首次对输电线路冰害事故进行记录起，直 到l9 7 6 年电力工业部才制定出重冰区线路设计规程草案，首次提出了“避”、 “抗”、“熔”、“改”、“防五字方针。由于冰灾事故的频繁发生，各电力主管部 门、设计院、科研及运行单位已投入相当多的人力和物力对线路覆冰进行调查， 对线路防冰融冰措施进行研究。湖南、湖北、江西、云南、贵州和四川省等电力 公司对其输电线路覆冰进行了全面调查，并相继采用了如短路熔冰技术、直流融 冰等防止冰灾事故发生的技术措施。 近几十年来，世界各地大面积冰灾事故时有发生。以下是几次比较大的冰灾 案例分析。 1 9 5 4 年，在湖南长沙、株洲等地发生了严重的冰冻灾害事故，导线覆冰厚 度在6 0 m m 以上，最大达到9 5 m m ，除两处跨江线路由于及时采取了融冰措施而 未发生事故外，共有1 4 条6 3 5 k v 线路发生了大面积断线、倒杆事故，1 9 5 7 年，冰灾事故再次上演，部分地区线路的最大覆冰厚度达1 1 0 1 2 0 m m ，导致大 面积地区供电中断，损失惨重。 1 9 9 8 年1 月，美国东北部和加拿大的东南部受到大规模的冻雨袭击，加拿 大的魁北克省在此次冰冻天气中受灾最为严重。冰灾对魁北克省数百公里的输电 线路造成严重破坏，1 0 0 0 多座输电铁塔倒塌。电力供应中断导致4 5 0 万的人口 无法正常用电。冰灾中有2 8 人死亡，数千人受伤，此次冰灾事故造成直接经济 损失达5 4 亿美元拉j 。 2 0 0 5 年2 月，华中地区的湖南电网遭受了历史上罕见的覆冰灾害。数千公 里的输电线路出现覆冰现象，局部地区线路的覆冰厚度达到8 0 m m 以上。严重覆 冰导致输电线路出现跳闸、断线、倒塔等事故。此次覆冰事故对电网结构造成严 重破坏，基中5 0 0 k v 线路倒塔2 4 基，2 2 0 k v 线路倒塔1 8 基【3 j 。 2 0 0 8 年1 月中旬以来，一场大范围的持续低温、雨雪冰冻天气袭击我国华 中、华东和南方地区，对电网造成极其严重的破坏。冰冻灾害来势凶猛，覆盖面 积广，持续时间长，为近5 0 年来之最，大部分地区平均气温下降至o 2 ， 局部山区达到7 。持续的雨雪冰冻天气造成电网大面积输电线路覆冰，覆冰厚 度普遍超过3 0 毫米，最大覆冰厚度达到8 0 毫米以上。在此次冰灾中，全国共有 1 4 个省级电网、近5 7 0 个县的用户供电受到不同程度的影响，湖南、江西、贵 州、浙江等地区的电网受损尤为严重，出现了大范围的冰闪跳闸和断线倒塔，导 致大面积停电和部分电网解列 4 4 】。 截止到2 月中旬，全国因灾死亡10 7 人，失踪8 人，紧急转移安置人员l5 1 2 万，累计救助铁路公路滞留人员1 9 2 7 万人；农作物受灾面积1 7 7 亿亩，绝收 2 5 3 0 亩；森林受损面积近2 6 亿亩；房屋倒塌3 5 4 万间。此次大范围的冰灾， 对我国造成的直接经济损失高达2 0 0 0 亿人民币。 电力工业是国民经济的支柱产业，其好坏直接影响到社会各行各业的发展。 从以上的冰灾案例分析中可以清楚认识到，冰灾给社会发展、人民的正常生活带 来的损失是不可估量的。随着国家电力事业的进一步发展，输电线路覆冰灾害问 题将会更加突出。因此，正确认识电网覆冰的危害，对防冰除冰技术进行深入细 致地研究，加强和改善线路的抗覆冰能力，对我国电力部门防止和控制冰灾，对 保证电力线路安全、提高电网的运行可靠性具有重要实际意义。 1 2 输电线路覆冰的类型 输电线路的覆冰类型，可以按以下4 种方式分别进行分类 6 , 7 1 。 1 按覆冰特性分类 ( 1 ) 雨淞：理论上透明的清澈冰，又称冰凌或明冰。大多数情况下，雨淞是 2 由过冷却雨滴或毛毛雨发展起来的，密度在0 6 - - 0 9 9 c m 3 之间，与导线表面的 粘合力强大，不易脱落。雨淞覆冰时，气温在2 2 之间，由于风速的影响， 导线表面的实际温度在一5 o 。c 之间。雨淞覆冰是混合淞覆冰的初级阶段，由于 冻雨持续时期一般较短，容易形成混合淞覆冰。因此，输电线路纯粹的雨淞覆冰 情况相对较少。 ( 2 ) 雾淞：冬季高海拔山区过冷水滴在极低温度与较小风速情况下形成的。 是输电线路最常见的一种覆冰形式，有粒状和晶状两种。粒状雾淞是乳白色不透 明体，质地松脆，中间含有气泡空隙，密度在0 1 0 3 9 c m 3 之间；晶状雾松是 白色结晶，质地疏松而软，冰体内含有较多的气泡，与导线表面的附着力较弱， 容易脱落，密度在o 0 8 0 1 9 c m 3 之间。 ( 3 ) 混合淞：当温度在冰点以下，风比较猛时，则形成混合淞。呈乳白色， 体积大，气隙较多，密度在0 2 - - 0 8 9 c m 3 之间。混合淞是一个交替覆冰过程， 是由雨淞和雾淞在导线上交替冻结而成的，生长速度快，对导线危害特别严重。 ( 4 ) 积雪：空气中的干雪或冰晶很难粘结到导线表面，只有当空气中的雪为 “湿雪”时，导线表面才会出现积雪现象。导线积雪是指当温度在0 左右、风 速很小时，“湿雪”粒子与“水体 一起通过“毛细管”的作用相互粘结并粘附 到导线表面的现象。积雪受风速制约，当有强风时，雪片易被吹落，难以形成覆 雪现象。 ( 5 ) 白霜：空气中的湿气与o 以下的输电导线表面发生接触时，湿气在导 线表面凝华产生的一种覆冰。白霜的形成过程不需要有过冷却小水滴的存在，其 基本形状是“针状 或“树枝状”晶体。白霜的粘合力十分微弱，不对输电线路 造成严重危害。 2 按覆冰形成的机理分类 ( 1 ) 降水覆冰：当温度接近o 时，空气中的过冷却水滴冻结到导线表面形 成覆冰。空气中的过冷却水滴曲率半径的大小影响着水滴的过冷却程度，大水滴 的过冷度一般比较小，小水滴的过冷度可以达到几度，雾粒由于曲率半径很大， 其过冷度甚至可以达到十几度。 在过冷却水滴与导线相碰或接触后发生冻结的过程中，由于水滴释放潜热的 速度较慢，在导线表面可能出现水膜，此时一般会形成雨淞覆冰。雨淞覆冰一般 由冻雨形成，由于雨淞的密度大、对导线的粘附力强，因而覆淞覆冰对输电线路 的危害最大。美国、加拿大、俄罗斯、中国等国家经常会出现雨淞覆冰。 ( 2 ) 云中覆冰：云中覆冰是由空气中的过冷却云或者雾与导线碰触冻结而 成。云中覆冰的产生主要与空气中的湿度、风速等气象参数有关，只要空气中存 在过冷却水滴，就能产生云中覆冰。发生云中覆冰时，地面上很少看到降水或降 雪。冬季很多地方都会发生云中覆冰，由于其发生的频率高，便于科研人员通过 人工模拟气象环境来对其进行研究。雾淞主要是由云中覆冰形成，由于雾粒尺寸 较小，与导线表面冻结时释放潜热的速度较快，因此不会在导线表面形成水层。 ( 3 ) 升华覆冰：升华覆冰又称晶状雾淞，是大气中的水蒸气直接冻结在导线 表面产生的一种霜。晶状雾淞与导线表面的粘附力较小，容易脱落，一般对输电 线路不会造成很大危害。 国内外科研机构主要从降水覆冰和云中覆冰这两个方面展开对导线覆冰的 研究。 3 按覆冰增长过程分类 ( 1 ) 干增长过程：在第二个过冷却水滴到达导线表面之前，第一个过冷却水 滴已全部冻结在导线表面并释放出潜热。此时主要形成雾淞覆冰，覆冰的空隙比 较大。 ( 2 ) 湿增长过程：第二个过冷却水滴到达导线表面时，第一个过冷却水滴没 有全部冻结，潜热还没有完全释放出来。在这种情况下可能产生连续液膜，容易 形成雨淞覆冰。雨淞覆冰质地较密，与导线表面有很强的粘附力。 4 按覆冰形状分类 ( 1 ) 圆形或椭圆形覆冰：当风吹方向平行于导线方向时，由于导线发生扭转， 导线完全被冰层包围，在导线周围形成比较均匀的覆冰，覆冰形状多为圆形或椭 圆形。 ( 2 ) 翼型覆冰：当风吹方向垂直于导线方向时，冰在导线的迎风面上逐渐积 聚，迎风面与背风面的冰厚相差很大，容易形成翼型断面形状的覆冰。 ( 3 ) 新月型：当空气中无风或者风速度很小的时候，冰雪会在导线的上表面 逐渐堆积，形成新月型覆冰。 在各类覆冰中，雾淞和积雪、白霜冻结不密实，密度较小，附着力较弱， 易受导地线振动或风吹脱落，对输电网的危害较小；相对而言，雨淞和混合淞的 密度大、附着力很强，会严重增加输电铁塔和导线的重力负荷和张力负荷，对输 电网的危害很大。 1 3 输电线路覆冰造成的危害 通过对覆冰事故的分析统计表明，导线覆冰的主要危害有以下几点。 ( 1 ) 覆冰线路荷载过重。输电线路覆冰时，冰的重量将增加杆塔和金具的垂 直荷载。覆冰增加的导线张力及地线张力将按比例地增加所有转角杆塔及其基础 的扭矩，造成杆塔扭转、弯曲、基础下沉、倾斜，甚至在拉线点以下发生电杆倒 塌等事故【引。导线覆冰会使迎面增大，从而增加覆冰导线的水平荷载，使输电线 路产生严重的横向串基倒杆事故。 ( 2 ) 不均匀覆冰及不同期脱冰。不均匀覆冰或不同期脱冰都会在相邻导线间 4 产生张力差，张力差可使导线在线夹内滑动，严重时会使导线外层铝线在线夹出 1 ：3 处断开、钢芯抽动【9 】。因相邻导线间的张力差，使得杆塔上的绝缘子串偏移很 大，碰撞横担，造成绝缘子损坏或破裂。覆冰不均匀会使横担发生扭转，不同期 脱冰会造成横担向上翘起甚至折断。 ( 3 ) 覆冰导线舞动。由于导线覆冰的不均匀性，导线在风力的作用下发生自 激振荡和舞动，长时间的舞动会导致导线、绝缘子、金具和杆塔受到异常不平衡 冲击而损伤，还会造成相间短路、导线断股断线、杆塔倾斜及倒塌等严重事故【l0 1 。 ( 4 ) 绝缘子覆冰闪络。绝缘子覆冰或被冰凌桥接后，绝缘强度下降，泄漏距 离缩短。除冰过程中，冰体表面或冰晶表面的水膜会很快溶解污秽物中的电解质， 提高冰面水膜的导电率，从而降低绝缘子串的闪络电压，形成闪络事故。闪络发 展过程中持续电弧烧伤绝缘子，引起绝缘子绝缘强度降低【1 1 1 。 冰灾初期，电力设备覆冰相对较轻时对电网的主要危害体现为覆冰闪络、导 线舞动和脱冰跳跃等。随着灾情的发展和覆冰的加剧，其作用在杆塔上的荷载( 垂 直荷载、水平荷载、纵向荷载等) 大大超过设计值，从而导致铁塔倾覆，引起输 电线路事故。受覆冰影响，当导线强度不能承受因覆冰增加而增大的拉力时，即 会发生导地线断线事故，断线后冲击受力或不平衡受力也可能进一步造成倒塔事 故。 覆冰受损类型中，倒塔和断线对电网造成的危害最大，会直接影响电力输送 与电力供应，严重的可造成电网解列甚至全系统瓦解。同时，发生倒塔事故时， 所需的抢修时间最长，须拆除旧塔、重新加工铁塔并组立、安装、架线等，会严 重影响工农业生产和居民的正常用电。 1 4 输电线路覆冰研究现状 1 4 1 覆冰在线监测系统的研究 覆冰观测是一项费时、艰苦的工作，对导线覆冰情况进行系统、全面、准确 地观测，对于输电线路的设计、施工和运行管理都具有十分重要的指导意义。国 内外研制出许多覆冰在线监测系统，可对线路覆冰情况、导线舞动、张力大小以 及天气环境等进行实进监测。通过对数据进行采集分析处理，及时掌握现场情况， 对覆冰线路采取防治措施，有效地防止输电线路因覆冰而引发断线、绝缘子损坏 和倒塔等严重事故，提高输电线路的安全运行水平【1 2 】。近几年来，随着冰冻天 气对我国输电网造成越来越严重的后果，各科研机构相继展开了覆冰监测系统的 研究，并取得了一系列的成果。 华中电网在2 0 0 7 年开始对覆冰在线监测系统进行研究，并于2 0 0 8 年将该系 统投入试运行。该系统自投入运行以来，已经成功地在5 0 0 k v 复沙i i 回19 8 4 杆 塔上取得了实测数据。经证实，实测数据与现场气候变化相吻合，所反映的覆冰 情况与现场附近发生的一起倒塔事故一致，为输电线路运行提供有效的指导【13 1 。 湖南电网在输电杆塔上安装一套嵌入式系统，通过g p r s 网络与i n t e r n e t 连 接对输电线路覆冰灾害情况进行监测。该输电线路覆冰监测系统在2 0 0 5 2 0 0 8 年的应用过程中，多次准确监测到导线的覆冰情况，积累了大量图像数据和气象 数据，为后续的研究提供了重要参考信息【l 引。 广东电网公司在借鉴国内外已有技术和经验的基础上研制出一套覆冰监测 系统，包括覆冰状态监测、气候监测、图像监测和导线温度监测4 个功能模块， 可以记录实时数据并对今后的趋势进行分析。该系统已经成功应用在韶关、清远 等地区，实际监测情况表明该系统具有使用方便、运行可靠的优点 15 1 。 总体来讲，现有的各种覆冰在线监测系统都可以在一定范围内对导线覆冰状 况进行监测，但是在极其恶劣的气候条件下可能发生摄像镜头被冰雪遮蔽和冻结 的问题，从而无法及时获得覆冰图像和数据。覆冰监测装置在实际运行时，其稳 定性有待进一步提高。 1 4 2 覆冰预测模型的研究 国内外的科研学者对导线覆冰的模型进行了长期的理论研究和实验，提出了 超过2 0 种的导线覆冰预测模型。美国国家气象预报服务中心专家w i l l i a m 和 s c h a u b 指出，没有一个模型能够用实际的覆冰数据进行完全的验证【l6 1 。由于各 地气候、环境等因素的影响，各种模型都只能在一定的区域内得到很好的应用。 1 雨淞覆冰模型 在下冻雨的过程中，大气中的过冷却水滴碰撞到温度接近零度或零度以下的 导线表面上时，就会形成透明、坚硬、密度较大的雨淞积聚，进而形成雨淞覆冰。 y i p 和m i t t e n 利用实际的数据对覆冰模型进行了验证，在进行验证的9 种模型中， 对于雨淞覆冰预测，c h a i n e 和s k e a t e s 模型是最好的预测模型，其次是m a k k o n e n 模型【1 7 j 。 ( 1 ) c h a i n e 和s k e a t e s 模型l l 副 c h a i n e 和s k e a t e s 模型目前正在加拿大气象中心使用，经过长期的实践证明， 此模型具有很高的预测精度，现主要介绍模型的建立过程。 对于水平面而言，当大气温度接近或低于零度时，假设d o 为在整个冻雨降 水过程中所观测到的当量水厚度，并假设它被全部冻结为冰。于是有 d o = p t ( 1 1 ) 式中：p 为降水率( c m h ) ；f 为降水时间( h ) 。 在实际情况中，当风向与导线表面成某一角度时，导线表面上的雨淞覆冰量 将超过降水率。设导线垂直方向的覆冰厚度为d ，假设在与风向垂直的每平方 6 米平板表面上形成的雨淞层的质量增长率与降水率有关， 式计算 q = o 1 9 5 v p n 8 8 f 则覆冰厚度d ，可按下 ( 1 2 ) 式中：，为平均风速( m s ) 。 同时还假设，对于垂直的平板而言，收集系数为l ，此假设当然会高估d ， 值，但它适合于覆冰更加严重的情况。 当导线上发生覆冰时，借用当量径向厚度的概念，假设覆冰在导线上均匀分 布。则导线雨淞覆冰的当量径向厚度r 为 r = 【3 2 3 o ( d 舌+ d 2 ) “2 + ，2 】2 一， ( 1 3 ) 式中：，为导线半径( c m ) ；k 为修正系数，其值由导线的直径决定，在公式( 1 3 ) 中，修正系数k 是不同尺寸导线在实验中的覆冰厚度与理论计算结果的比值。 ( 2 ) m a k k o n e n 模型1 1 9 】 m a k k o n e n 在考虑冻雨降水而产生的导线雨淞覆冰时认为，一方面，导线表 面或覆冰冰表面有一层液膜存在，被导线捕获的水滴并没有全部冻结成冰，有一 部分会流向导线的底部；另一方面，所有流向导线底部的水并没有直接掉下，而 是长成了冰柱，一些水会顺着冰柱掉落，覆冰为湿增长过程。 导线底部形成的冰柱反过来会增加其捕获空气中过冷却水滴的表面积，这样 会导致总个冲击导线的水流量的增加，显然，模拟这样一个复杂的过程需要使用 空气温度，并且至少需要知道导线的半径，- ，降水率p ，以及风速1 ，。对于更详 细的模型而言，还需要知道导线与风向的交角0 ，雨滴的下落速度1 ，d ，以便能确 定雨滴冲击导线表面的速度 ，如果知道空气中的液水含量，由1 ，可以计算出冲 击导线表面的水流量f 。 空气中的液水含量可按下式计算 形：型( 1 4 ) 式中：p 。为水的密度。 为了对如此复杂的导线雨淞覆冰模型进行理论分析和计算，m a k k o n e n 还作 出了如下假设： 导线对过冷却水滴的收集系数为1 。因为下冻雨时，过冷却水滴的直径 相当大，不易改变运动方向。 空气的相对湿度为8 5 。 当覆冰增长处于湿增长阶段时，从圆形导线上流向每根冰柱的水流量是 均匀的，且可由总流失量除以全部冰柱数获得。 导线底部长成的冰柱均匀分布，且每米长导线底部有4 5 根冰柱。这已被 理论和实验研究所证实。 7 冰柱为圆形生长。 在实用中需将以下参数作为模型计算的输入量：导线直径、空气温度、风速、 降水率、风与导线的夹角、覆冰持续时间。模型计算的输出量为：每米长冰重， 导线上覆冰的当量径向厚度，冰柱的径向尺寸，以及冰柱的长度。 此模型一个十分重要的特点是模拟了被导线收集的水分以冰柱生长型式给 整个导线的覆冰增加了一个正份量。也就是说，在其他条件不变的情况下，覆冰 荷载将随气温的增加而增大。 为了证明此模型预测的准确有效性，m a k k o n e n 将理论计算结果与风洞实验 数据进行比较。结果表明，此模型的预测结果能比较好地与有冰柱生成的复杂覆 冰过程吻合。 2 雾淞覆冰模型 空气中的过冷却云雾，在气温较低、风速较高的条件下碰撞到导线表面时容 易形成雾淞，由于过冷却云雾的直径很小，当其撞击到导线表面上时很难铺展开， 再加上导线表面温度较低，导线覆冰增长是一种干增长过程。对于雾淞覆冰，比 较有用的是m c c o m b e r 和g o v o n i 模型2 0 1 。 1 9 7 8 - 1 9 8 0 年期间，m c c o m b e r 和g o v o n i 在新罕布什尔的华盛顿山上进行 了雾淞实验。实验导线采用直径为6 4 m m 的钢丝绞线，导线架设在距离地面2 5 m 高的地方，风从垂直于导线的方向吹向导线。实验测量了气温、风速、液水含量、 液滴直径、冰重、最大覆冰直径等参数。在选择5 组彼冰数据进行分析时，均发 现覆冰率随时间的增加而增加。因此，m c c o m b e r 和g o v o n i 建议使用指数增长 模型。即 m = m o e 幻 ( 1 5 ) 式中：m 为每米长导线的冰重，k g m ；m o 为每米长导线的平均初始冰重，k g m ， 实验中的平均初始冰重场均为l k g m ；k 为常数；t 为覆冰时间，h 。 在公式( 1 5 ) 中，常数k 按下式计算 k = 4 x 1 0 - 2 e 形l ( 1 6 ) p ，d 上式中系数4 x 1 0 。2 包括将时间由秒变为小时的换算关系以及平均典型覆冰 直径的修正等内容，e 为导线的捕获系数；，为为平均风速，m s ；p ，为冰的密 度，d 为为导线直径。 公式( 1 5 ) 中的冰重m 与覆冰后的导线直径d 有关 m = 0 7 8 5 d 2 p ， ( 1 7 ) 从公式( 1 7 ) 中可以求得覆冰导线的直径d 为 d ：1 2 7 m - - m -( 1 8 ) v p l 8 通过将实验中获得的数据对此模型进行验证，m c c o m b e r 和g o v o n i 发现， 指数增长模型能够很好地反映导线雾淞覆冰的情况。 1 5 输电线路融冰研究现状 输电线路覆冰积雪不仅会严重威胁着电力及通信网络的安全可靠运行，而且 覆冰给航空、航海、交通运输部门也带来了巨大损失。近几十年来，不少国家一 直在研究防覆冰技术，旨在提供最可靠的供电和通信服务。在对输电线路的防冰 除冰技术研究方面，虽然研究者不少，但真正实用的成果不多，导线防冰除冰问 题成了一道久未解决的难题。目前国内外的防冰除冰方法有3 0 余种 2 1 , 2 2 】，主要 可以分为以下四类： 1 5 1 热力法 现有的各种热力除冰方法都是采用焦耳热效应除冰原理，在覆冰导线上通以 高于正常电流密度的传输电流，使其表面上覆冰融化或脱落【2 引。目前较常用的 热力除冰法有：过电流法、短路电流法，直流电流法【2 4 1 。 1 过电流法 线路覆冰时，将两条线路的负荷都通过覆冰较重的一条线路，或使覆冰线路 末端变电站的全部负荷都通过重冰区的一条线路，以此增加该条线路的电流，达 到融冰目的【2 5 】。 陕西宝鸡供电局在上世纪7 0 年代，组成科研小组，自主研发“带负荷融化 线路覆冰技术”，该技术主要通过自耦变压器升压后在双分裂导线间形成回路并 产生回路电流，导线发热从而实现融冰目的，该方法已经成功应用在1 10 k v 线 路上【2 6 1 。在实际运行中，工作人员通过微机监控系统，可随时掌握线路覆冰情 况，根据实际情况及时进行融冰操作。由于成功采用了负荷电流融冰技术，在 2 0 0 8 年的冰冻灾害中，该线路上没有出现断线、倒塔等事故，保证了电网的正 常运行。 文献2 7 中提出了在变压器上增加融冰供电接头和在交流电网中并联电容两 种融冰方案。供电接头融冰的优点是容易控制电网的功率因素，缺点是在接头切 换过程中有短暂的停电，且需要更换变压器，工程量较大，在实际应用起来比较 困难。并联电容融冰在融冰过程中不需要停电，状态切换容易，不足之处是功率 因素变化较大，在融冰过程中必须保证电网中负荷不超过最大容许负荷。 覆冰初期，对2 2 0 k v 及以上主线路，采用科学的调度，改变电网潮流分配， 使线路电流达到或超过融冰电流；对i10 k v 及以下线路，也可以适当采用此方 法进行融冰。对于5 0 0 k v 及以上等级的线路，由于导线截面积大，融冰时需要 很大的融冰电流，目前仍无法采用此种方法【2 8 1 。 9 2 短路电流法 用短路的办法加大覆冰导线中通过的电流从而达到除冰的目的，这类方法包 括三相短路除冰、两相短路除冰和一线一地( 用于避雷线) 短路除冰方式。短路融 冰的关键是选取合适的融冰电源。 ( 1 ) 三相短路融冰。三相短路融冰是先将覆冰线路的一端三相短路，在另一 端提供融冰电源，以较大的短路电流来加热覆冰线路，使导线上的冰层融化。湖 南电网主要采用三相短路除冰技术来对覆冰线路进行除冰，对保障电网的正常稳 定运行发挥了重要作用【29 。不足之处是除冰时间较长，而且短路除冰时必须将 包括除冰线路在内的所有除冰回路中的输电线路全部停下来，这对于截面积过大 的导线很难选取合适的融冰电流，对于5 0 0 k v 线路而言则几乎是不可能的【3 0 】。 ( 2 ) 两相短路融冰。两相短路融冰是将两根导线的始端连接在谐波电源两 端，而将两导线的终端连接在一起组成融冰电路。由于导线排列方式会对线路分 布电容产生影响，为简单起见，在融冰电流的计算中忽略对地电容的影响。 ( 3 ) 单相短路融冰。单相短路融冰是将单相导线一端与谐波电源连接，另一 端连接在专用接地板上，谐波电源第二引出线与变电站一个接地板连接。接地板 电阻取决于接地板几何尺寸和土壤电阻率的大小。 3 直流电流法 在现有的热力融冰方法中，对于5 0 0 k v 输电线路，采用直流电流融冰是唯 一可行的方法p 。直流除冰主要是将覆冰线路的两端断开，并将线路一端短路， 在另一端接入直流电源，用较低的电压提供短路电流进行融冰。其主要特点是大 大减小融冰所需电源容量，可以根据不同情况调节直流融冰电压，来满足不同的 应用环节。南方电网对5 0 0 k v 覆冰线路直流融冰技术进行了研究，研制出直流 融冰装置样机，建立了预警系统研发和示范系统【3 2 】。 从系统方面来讲，5 0 0 k v 输电线路采用直流融冰方案还是可行【3 3 1 ，就其实 用性而言，直流融冰技术还不完善，其中最关键的部分是如何选取一套合适直流 融冰装置，并且一台设备如何运用于各种线路，这些都有待进一步研究。 1 5 2 机械法 机械融冰是使用机械外力手工使覆冰物体上覆冰自行脱落的融冰方法【3 4 】。 常用的有“a dh o e 方法、滑轮铲刮法和强力振动法。“a dh o e 方法可以利用起 重机、绝缘作业工具车或采取带电直接作业方式，由线路操作者在现场处理，处 理方法千变万化，既不安全，又不十分有效，固一般采用得较少。滑轮铲刮在加 拿大m a n i t o b a 地区已使用了5 0 多年，由地面操作人员拉动线路上的滑轮，滑轮 在线路上行走来铲除导线上的覆冰，此方法是目前惟一可行的输电线路融冰的机 械方法【35 1 。强力振动法是通过在导线外部施加振动器，使覆冰导线振动的融冰 l o 方法，由于要求外加振动源，并且振动会促使线缆疲劳，因而难以在工程实际中 应用。 1 5 3 被动法 被动法不需要外界加入能量，是工程上首先考虑使用的方法，利用风、地球 引力、太阳辐射和温度变化等自然条件都可能引发导线融冰【36 1 。被动除冰方法 虽然除冰范围有限，但是不需要附加的能量，是实际应用中应该首先考虑使用的 方法。 在导线或绝缘子表面涂具有憎水性能的涂料，可使冻雨或雪等在冻结或粘结 到导线或绝缘子表面之前就可在自然力的作用下自行滑落，或者使冰或雪在导线 或绝缘子上的附着力明显降低，同样可以达到防止覆冰、减少线路出现冰害事故 的目的【37 1 。使用抗雪环可以使雪仅在水平方向堆积，日本科研人员对抗雪环的 除冰机理进行了比较深入的研究和实验，认为规则间隔环与防冰重球联合使用时 效果比较好，可以在一定程度上促使覆冰线路上的冰层脱落【3 8 】；在导线上安装 平衡锤，可以防止导线扭转，阻止导线积雪后形成雪环；针对刷涂吸热涂料的太 阳能板研制的新融冰技术只在有足够辐射时才有效。这些方法对于减少覆冰的积 聚量都有一定作用。被动防冰融冰技术不能阻止冰的形成，但有助于限制冰灾。 1 5 4 其他方法 由武汉高压研究所等科研单位共同研制出的低居里点磁热线( l c ) 防冰技 术，能够随温度变化自动实现防冰，可以应用于局部地区重冰段的运行线路【3 9 1 。 其首先要解决的难题就是铁磁材料0 的居里温度点，以及磁感应强度在居里点 突变等技术难关【4 0 1 。 电脉冲融冰法是利用电容器通过电力线圈放电产生强磁场，强磁场又产生大 幅度瞬时脉冲使物体表面覆冰脱落。该方法已经成功应用于飞机融冰，最近正探 索运用于输电线路融冰1 4 。 电磁力法是将相邻的两根导线在一定电压下短路，控制短路电流产生适当的 电磁力，引起导线互相撞击而使覆冰脱落【4 2 1 。该方法不能完全清除导线上的覆 冰，却可以使部分覆冰脱落，使得线路重量保持在杆塔能够承受的范围内，但因 短路引起的电压降落问题和对系统稳定性的影响，该方法没有被推广。 采用温控电热带融冰，是将适用于包敷导线的温控电热带敷设在重覆冰地区 输电线路导线上，在电热带端部金属线芯上接入电源，电热带材料发热并通过护 套传递至导线表面，从而实现防冰、融冰目的，然而此方法目前仍未达到使用阶 段，还存在各种技术问题。 美国、日本等国家从2 0 世纪4 0 年代起就开始研究输电线路的耐热机理，成 功研制出耐热合金导线并开始在线路中应用。耐热合金导线用铜、铝以及其他合 金制成，具有较高的耐热水平。耐热合金导线代替普通导线，可以使导线在较高 温度下运行，达到输电线路覆冰或融冰的目的【4 3 1 。 2 0 0 8 年5 月，湖南省电力公司针对“人工除冰方法”进行了研究，根据不 同类型输电线路的融冰需求和电气设备的不同，研制出带电热空气融冰装置、热 蒸汽融冰装置、导线自动机械融冰装置，除此之外，还研制了一系列的输电线路 导线、杆塔、绝缘子除冰工具、变电设备除冰的组合工具以及除冰防护用具，为 除冰作业提供更加可靠的安全保障措施。 目前提出的根据激光具有大功率、高能量这一特点将其应用于线路融冰，由 于大功率激光器对陶瓷、金属等物体的损害较大，在实际应用中要根据线路的类 型选择不同功率的激光器，以避免对输电线路的危害【4 4 1 。其他如采用分裂导线、 电子冻结、电晕放电和碰撞前颗粒冻结、加热等方法也有待进一步研究。 1 6 本文主要工作 针对以上的问题，本文主要工作包括如下： ( 1 ) 在介绍覆冰参数常规计算方法的基础上，提出一种基于行波传输时差测 量输电线路覆冰厚度的方法。理论推导了冰厚与线路长度的关系，并通过对某地 区电网2 0 0 8 年冰灾期间的实际运行数据进行分析，验证该方法的可行性。 ( 2 ) 分析输电线路覆冰的热平衡过程，在防止导线覆冰临界电流的基础上， 研究负荷电流融冰所需电流大小及融冰时间的计算方法。 ( 3 ) 研究能满足负荷电流融冰的电网运行方式调整。根据负荷电流融冰所需 的电流大小进行潮流计算，调整开关运行状态，动态调整运行方式，改变潮流分 配进行融冰。 1 2 第二章输电线路覆冰厚度测量新方法 对输电线路覆冰厚度的测量是线路融冰工作的基础，如何快速准确检测出导 线的覆冰厚度，将有助于工作人员及时采用相应措施对覆冰导线进行融冰，最大 限度减少冰灾对整个输电网的损失。 目前，对于输电线路覆冰情况的检测主要有人工巡视和利用覆冰在线监测系 统。由于输电线路多架设在人烟稀少、交通不便的地区，极大地增加了巡视人员 的劳动强度，降低了检测结果的时效性和准确性【45 1 。现有的覆冰在线监测系统 都只能获得有关覆冰情况和气候变化的数据，一般无法判断出覆冰的实际厚度。 基于此，本章提出了一种输电线路覆冰厚度测量新方法一基于行波传输时差的 输电线路覆冰厚度测量方法。该方法采用g p s 行波定位系统精确记录外部故障 或操作产生的行波穿越线路的时间，根据时间差来计算输电线路在正常运行以及 覆冰期间的实际长度；通过力学分析，建立长度与冰厚的关系；由线路长度的变 化计算出冰灾时期导线的平均覆冰厚度。 2 1 覆冰参数常规计算方法介绍 2 1 1 覆冰厚度的计算 导线的覆冰厚度b 是描述导线覆冰严重程度的一个几何量，是进行冰区划分 的主要依据之一。它有两种定义方法，一种方法是把导线上各种形状的覆冰统统 折算成圆形覆冰，将覆冰后所获得的半径与导线本身的半径之差称为导线的表现 覆冰厚度。另一种方法是将表现厚度折算为密度为0 9 k g m 3 时的冰厚值，称为 标准覆冰厚度。从表现覆冰厚度无法判别雨淞和雾淞等不同类型覆冰给导线带来 的荷载大小。标准覆冰厚度实际上是将所有覆冰都折算成了雨淞覆冰，因此很容 易计算覆冰荷载的大小。 1 表现厚度的计算 设覆冰的长径为a ，表示径向的最大尺寸，短径为c ，表示与长径垂直方向 的尺寸，周长为d ，导线直径为d ，则表现厚度6 0 可以通过以下几种方法进行计 算： ( 1 ) 、算术平均法 b o ：a + _ c - 2 d ( 2 1 ) ( 2 ) 、几何平均法 b o ：4 a i c - 一d ( 2 2 ) ( 3 ) 、周长法 t , o ：i 1 ( 一d d ) 2 标准冰厚的计算 设标准冰厚为b ，导线覆冰的实际密度为p ， g ( k g m ) ，则标准冰厚可按下式计算 6 ：1 业d 2 一d v0 942 或 扣v g x l 丌od 4 2 一罢 ( 2 3 ) 每米长导线的覆冰量为 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 2 1 2 覆冰重量的计算 覆冰重量一般用每米长导线上的覆冰量g 来表示，单位为k g m 。 当覆冰为圆形、导线直径为d ( m m ) ，覆冰后直径为d ( m m ) ，覆冰密度为 p ( k g c m 3 ) 时，覆冰量g 可按下式计算 非三p ( d 2 _ d 2 ) = 0 7 8 5 p ( d 2 - d 2 ) ( 2 6 ) 当覆冰为椭圆形，长径为a ，短径为c 时 g = 0 7 8 5 p ( a c d 2 ) ( 2 7 ) 当己知冰厚为b ( m m ) 时， g = 0 7 8 5 p ( d + 2 b o ) 2 - d 2 】 或 g = 0 7 8 5 p ( d + 2 b ) 2 一d 2 】 2 2 基于行波传输时差的冰厚测量方法 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 本节提出一种基于行波传输时差的冰厚测量方法。采用g p s 行波定位系统 精确记录外部故障或操作产生的行波穿越线路的时间，通过时间差来计算输电线 路在正常运行以及覆冰期间的实际长度，利用长度与冰厚的关系，计算出冰灾时 期导线的平均覆冰厚度。 2 2 1 线路长度与冰厚的关系 覆冰会增加线路的荷载，使线路应力增大，线路伸长。将单位长度线路上的 荷载折算到单位面积