导线与覆冰.doc

导线与覆冰冰可以附着在任何物体表面上，且物体表面上微细的裂缝和凹陷的麻坑，是冰可以牢固地粘附在物体表面上的主要原因。因此，导线不同的表面结构、表面物性等与覆冰有内在关系：1、结构外形与覆冰，2、结构材质与覆冰，3、结构组织与覆冰，4、表面光洁度与覆冰，5、表面能与覆冰，6、表面刚性与覆冰。一、 覆冰形成原因和过程 导线覆冰首先是由气象条件决定的，是受温度、湿度、冷暖空气对流、环流以及风等因素决定的综合物理现象。云中或雾中的水滴在0或更低时与输电线路导线表面碰撞并冻结时，覆冰现象就产生了。导线表面发生覆冰现象必须满足以下几个条件：大气中必须有足够的过冷却水滴，过冷却水滴与导线接触，过冷却水滴立即冻结在导线表面。覆冰按形成条件及性质可分为四种类型。 1.雨凇覆冰，是在冻雨期发生于低海拔地区的覆冰，持续时间一般较短，环境温度接近冰点，风相当大，积冰透明，在导线上的粘合力很强，冰的密度很高，雨凇覆冰是混合凇覆冰的初级阶段，由于冻雨持续期一般较短，因此，导线覆冰为纯粹的雨凇覆冰的情况相对较少。 2.混合凇，当温度在冰点以下，风比较猛时，则形成混合凇。在混合凇覆冰条件下，水滴冻结比较弱，积冰有时透明，有时不透明，冰在导线上粘合力很强。导线长期暴露于湿气中，便形成混合凇。混合凇是一个复合覆冰过程，密度较高，生长速度快，对导线危害特别严重。 3.软雾凇，是由于山区低层云中含有的过冷水滴，在极低温度与风速较小情况下形成的。这种积冰呈白色、不透明、晶状结构、密度小，在导线上附着力相当弱。最初的结冰是单向的，由于导线机械失衡，逐渐围绕导线均匀分布，在此情况下，这种冰对导线一般不构成威胁。 4.白霜、雪，白霜是空气中湿气与0以下的物体接触时，湿气往冷物体表面凝合形成的，白霜在导线上的粘结力十分微弱，即使是轻轻地振动，也可以使白霜脱离所粘结导线的表面，与其他类型覆冰相比，白霜基本不对导线构成严重危害。 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，导线才会出现积雪现象。当有强风时，雪片易被风吹落，导线覆雪不可能发生，故导线覆雪受风速制约，因此平原地区或低地势无风地区，导线覆雪现象较山区常见。 导线覆冰的基本物理过程是严冬或初春季节，当气温下降至-50，风速为315m/s时，如遇大雾或毛毛雨，首先将在导线上形成雨凇，这时如果气温再升高，雨凇则开始融化，如天气继续转晴，则覆冰过程就停止；这时如果天气骤然变冷，出现雨雪天气，冻雨和雪则在粘结强度较高的雨凇面上迅速增长，形成较厚的冰层；如温度继续下降至-15-8，原有冰层外则积覆雾凇。在这样一个过程中，出现多次晴冷变化天气，短暂的融化加强了冰的密度，如此往复发展将形成雾凇和雨凇交替重叠的混合冻结物，即混合凇。二、 影响覆冰的因素 当具备了形成覆冰的温度和水汽条件后，风对导线覆冰起着重要的作用。它可将大量的过冷却水滴不断地输向线路，与导线碰撞而被截获并逐步增大形成覆冰现象。据观测，覆冰首先在导线迎风面上成长，当迎风面达到某一覆冰厚度时，导线因重力作用而产生扭转，从而出现了新的迎风面。这样，导线通过不断扭转而使覆冰逐步增大，最终导线上形成圆形或椭圆形的覆冰。除了风速的大小对覆冰有影响外，风向与导线平行时，或当与导线之间的夹角小于45或大于150时，覆冰较轻；风向与导线垂直或风向与导线之间的夹角大于45或小于150时，覆冰比较严重。 除了风速大小和风向会影响覆冰外，导线悬挂高度及导线直径都会影响到导线的覆冰力学。导线悬挂高度越高，覆冰越严重，因为空气中液水含量随高度的增加而升高，有利于覆冰的形成。另外，导线越粗覆冰也越严重。导线直径与覆冰厚度和扭转对覆冰的影响。当风速在38m/s时，导线直径越大，其相对导线单位长度覆冰量越重；当风速大于8m/s时，对于任何直径的导线，导线直径越大其覆冰量越重，但覆冰的厚度是随导线直径的增加而减小。覆冰在迎风面上生长，达到一定厚度时产生扭转力矩。导线扭转加速覆冰增长。这是因为导线覆冰时形状往往很不规则（有扇形、椭圆形、新月形、圆形等）导线承受偏心荷重，由于其扭转角度与L2/4 (L为线路档距,为导线直径)成比例，而L,故导线易发生扭转，这就便于在导线的各个侧面上进一步积冰。档距中央线段的扭转程度要比悬挂点线夹处附近大，随风运动的过冷却水滴得以均匀地积聚到扭转导线的整个表面，而不像固定不扭转的线段那样覆冰主要积聚在迎风面一侧，对比之下，悬挂点线夹附近导线与气流平行的长径增长得快，与气流正交的短径增长的慢，迎风面积增加不多，冰重增长较慢，而档距中央长径、短径增长比较均匀，与气流正交的迎风面积增加较多，冰重增长较快，质量较大。三、输电线路覆冰危害的特点 线路覆冰倒杆（塔）断线的特点 一是由于覆冰时杆（塔）两侧的张力不平衡造成的。在一些地形起伏较大的地区，两相邻的杆（塔）在高度和距离上存在很大的差距，在还未覆冰时两侧就形成了较大的不平衡张力，当线路上出现大密度的覆冰时，杆（塔）两侧的不平衡张力加剧，当张力不断加大，直至到达杆（塔）、导线所能承受的极限时，就出现了导线断落或杆（塔）倒塌的现象。因此，在灾后恢复和未来的设计改造中，应尽量避免大高度差、大距离和大转角。二是线路上有大密度的雨凇覆冰时，因为雨凇覆冰是“湿”度增长过程，其粘附能力强，不易掉落。在风的激励下，导线会产生大振幅、低频率的自激振动。当舞动的时间过长时，会使导线、绝缘子、金具、杆（塔）受不平衡冲击疲劳损伤。 覆冰绝缘子串的闪络特性 绝缘子的冰闪是冰害的另一种，当绝缘子发生覆冰现象后，在特定温度下使绝缘子表面覆冰或被冰凌桥接后，绝缘强度下降，泄漏距离缩短。在融冰过程中冰体表面或冰晶体表面的水膜会很快溶解污秽物中的电解质，并提高融冰水或冰面水膜的导电率，引起绝缘子串电压分布的畸变（而且还会引起单片绝缘子表面电压分布的畸变），从而降低覆冰绝缘子串的闪络电压。大气中的污秽微粒直接沉降在绝缘子表面或作为凝聚核包含在雾中，将会使绝缘子覆冰融化时，冰水电导率进一步增加。另外有关试验数据表明，覆冰越重、电压分布畸变越大，绝缘子串两端，特别是高压引线端绝缘子承受电压百分数越高，最终造成冰闪事故。 实际上，纯冰的电阻很高，完全可以满足电力系统安全运行的要求，只有当冰中混杂有导电杂质后，覆冰绝缘子的闪络电压才会降低。这不仅因为冰闪是由于冰中含有污秽等导电杂质造成的，而且从污秽绝缘子和覆冰绝缘子的耐受电压和闪络机理也可发现其相似性。四、 导线的防覆冰目前国内外融冰方法有30 余种，大致可分为机械除冰法、自然除冰法和热力融冰法三大类，主要有电磁脉冲除冰、人工除冰法、复合导线融冰、化学涂料防冰、可控硅整流融冰和短路融冰等等。1 机械除冰法机械除冰法主要利用输电线路导线的力学效应破坏覆冰的力学平衡使其脱落。以电磁脉冲除冰、滑动铲刮除冰和人工除冰为主。电磁脉冲除冰是利用电容器冲击放电和电流通过线圈产生脉冲磁场，从而在导线中产生涡流，涡流的磁场与线圈磁场产生斥力使导线产生扩张，脉冲消失后导线收缩到原状态，反复的扩张和收缩使导线表面的覆冰胀裂掉落。滑动铲刮除冰法是将电容器的冲击放电电流通过线圈产生的脉冲磁场转换为执行机构的脉冲力，通过执行机构将导线表面的覆冰击裂掉落。机械除冰法中另一种常用人工除冰法存在的最大问题是效率极低，需要大量人力，一般仅适用于作业环境好、100 km 左右的输电线路的除冰。还有一种由加拿大魁北克水电公司提出的电磁力除冰法，其原理是在线路额定电压下短路，短路电流产生的电磁力使导线相互撞击，使覆冰脱落。这种方法的应用会给系统带来稳定性问题，线路压降也比较大，不推荐使用。2 自然除冰法自然除冰法不能阻止冰的形成，但有助于限制冰灾。在导线上安装阻雪环、平衡锤等装置的自然除冰法，可在导线上安装阻雪环，平衡锤使导线上的覆冰堆积到一定程度时，依靠风力、地球引力、辐射以及温度突变等作用自行脱落。该法简单易行，但可能因不均匀或不同期脱冰产生的导线跳跃的线路事故，不能保证可靠除冰，具有一定的偶然性。利用憎水性和憎冰性涂料防冰是通过减少水和冰与导线的附着力来防止结冰，与其他方法相比在工程上简单易行，成本较低，是防止覆冰具有潜力的可行途径。但现有的防冰涂料并不能从根本上防止冰的形成，而只有在足够的辐射下才能生效，在气温低，水雾呈过冷却的情况下，防冰效果较差。3 热力除冰法热力除冰法的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。常见的几种热力除冰法：1) 过电流防冰融冰法：通过改变潮流分布增大线路的负荷电流而使得导线发热达到防冰融冰目的。这种方法对截面较小的110 kV 及以下线路可行，对更高电压等级线路由于截面大，并受系统容量和运行方式限制，无明显作用。2) 基于移相器的带负荷融冰法：随着输电网络FACTS 设备的大量应用，电网在潮流控制方面更加灵活有效，通过改变潮流分布的融冰方法能够在应对冰灾方面发挥更大的作用。基于移相器的带负荷融冰法，即ONDI(on-load network de-icer)法。带负荷融冰的方法最早在1990 年提出，并在此后得到了发展。此方法利用移相变压器角度的变化改变平行双回线的潮流分布，通过增加其中一回线的电流来增加线路发热，达到融冰的目的。3) 高频激励融冰： 20 世纪末Charles RSullivan 等提出了用8200 kHz 高频激励融冰的方法，机理是高频时冰是一种有损耗电介质，能直接引起发热，且集肤效应导致电流只在导体表面很浅范围内流通，造成电阻损耗发热。4) 交流短路电流融冰法：人为将融冰线路的一端两相或三相短路，而在另一端提供融冰交流电源，以较大短路电流(控制在导线最大允许电流范围之内)来加热导线，将附着的冰融化。5) 直流电流融冰法：直流融冰技术的原理就是将覆冰线路作为负载，施加直流电源，用较低电压提供短路电流加热导线使覆冰融化。可采用发电机电源整流和采用系统电源的可控硅整流两种方案。前者虽可减少投资但却发电受机组容量与融冰所需容量的限制，大多情况都不满足需求。因此采用系统电源的可控硅整流融冰是热力融冰法中的热点，其适用性更强，可根据不同情况调节直流融冰电压，使之满足不同应用环境的需要，是现有融冰方法中最理想的一种。国内外一致认为，对于出现在局部范围内的输电线路覆冰问题，导线的机械除冰方法可做为一种辅助措施。对于发生在大范围的输电线路覆冰问题，导线热力融冰法中的直流融冰方法是最有效的。直流融冰的基本理论在应用直流电流进行融冰时，为确保不使导线过热损坏线路，需要对融冰电流的大小和融冰时间进行计算。导线在融冰过程中包括两个热交换过程：一是导线和冰层的热传递；二是冰表面和空气之间的热交换。导线通电流后产生焦耳热，热量通过冰层传到冰的表面，使冰面温度升高到ts，冰表面再和空气以辐射散热和对流散热的形式进行热交换。当冰表面和空气交换的热量和导体产生的热量相等，且“导线冰”交界面的温度为冰的融点温度(0)时，冰将处于融和不融的临界状态。此时导线不覆冰时流过的最小电流称为防止导线覆冰的临界电流 Ic，其计算公式为：Ic=(D/)( ts t)(h+t3 +2EVWCw)+2EVWELv式中：D 为导线外径(m)； 为导线电阻率(/m)；ts 为导线表面温度(k)； h 为对流换热系数(W/mk)； 为Stefan-Boltcomann 常数( =5.67108 W/m2k4)； 为导线黑度(新线取0.230.43，旧线0.9)，E 为导线对空气中过冷却水滴的捕获系数；V、W 和t 分别为湿空气或过冷却水滴的移动均匀速度、含湿量和温度；Cw 为水的定压比热容(Cw=4.18 kJ/kgk)；WE在导线表面蒸发的液体含量；Lv 为水的汽化潜热(Lv=2.26103 kJ/kg)。 不同输电线路融冰电流/时间及所需电源容量线路电压等级导线型号线路长/km最小融冰电/A融冰时/min融冰电源容量/MW10 kV 交流线路LGJ-150/3554401280.4110 kV 交流线路LGJ-300/50207151152.0220 kV 交流线路LGJ-2240/4020116811917.9500 kV 交流线路LGJ-4720/508505254126484 注：最小融冰电流和融冰时间的计算条件是:温度-5 ，风速5 m/s，覆冰厚度10 mm。由表数据可知对于交流线路的融冰由于其融冰电流和所需电源容量大小适中，可以较容易地设计出合适的可控硅融冰装置。而长距离直流输电线路融冰所需电流和电源容量很大，需要根据直流输电系统的特点研究可行的特殊方式下的保线方案。交流线路的直流融冰技术交流线路的直流融冰技术的关键是高电压、大功率直流功率源的研制开发及合理利用。根据表1的计算结果可以设计开发两种融冰装置。1. 固定式融冰装置针对500 kV 交流输电线路的融冰可以在辐射面积较大的中心变电站设计安装由交流35 kV 供电，容量为60 MW 的大容量固定式直流融冰装置。原理图:交流线路的直流融冰电路接线示意图大容量固定式直流融冰系统的设备主要包括变压器、交流滤波器、换流阀、刀闸、导线及控制保护设备等，投资较大，而融冰装置工作时间很短，单一用于融冰，将导致设备资源的闲置浪费。设计建设时就要考虑其作为静止式动态无功补偿装置的可行性，在平时抑制暂态过电压、改善电能质量。2. 移动式融冰装置对于220 kV 电压等级以下的输电线路融冰，可以配置由交流10 kV 供电，容量为25 MW 的站间移动式直流融冰装置。站间移动式直流融冰系统设计为6 脉动整流器接10 kV 站用变出线，不带整流变压器，采用集装箱方式安装，结构紧凑，可方便在各个变电站移动，通过倒换接线的方式对目标线路进行融冰。以上两种融冰装置可以满足不同线路长度、导线参数融冰需要，输出的电流调节范围较宽，其换流器可以大角度长期运行。装置操作简便，维护量少，已经有了成功的运行经验。直流线路的直流融冰技术直流输电系统通常应用于远距离、大容量输电。常规直流输电系统额定输送电流3 000 A。当处于大电流运行时，电流在导线上产生的热量可以缓解线路覆冰，达到一定的融冰效果。但冰雪灾害易发时期多是水电枯水季，输电系统难以安排足够功率使直流输电系统运行大电流工况，因此线路输送电力相对减少，线损和发热相应减少，一旦遭遇超设计标准的冰冻灾害，容易发生覆冰倒塔。1. 直流线路的融冰保线方案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，通常可用的融冰保线方法主要有三种。1) 直接使用直流输电工程的正常运行方式融冰。可采用双极平衡大电流运行或者单极金属回线大电流运行进行线路融冰。其优点是系统主接线不需要做任何改动；控制保护的软件也不需要改动；调度、运行人员对整个操作过程非常熟悉。其缺点是冬季结冰时送端常处于枯小时段，较小的输送功率有可能使线路电流起不到融冰保线效果。此方案不再适用。2) 更改主接线，将构成双极的两组换流器通过相应的刀闸、引线改造成相并联的系统。这种方式可以将电流提升至正常值的两倍，可以达到融冰电流要求而不仅是保线，是直流线路融冰最彻底的方案。但是需要改变主接线，增加设备投资，直流控制保护系统也要根据这种特殊的运行方式做很多修改，并且需要整流侧提供较多的功率，增加功率调度的难度，遇到方案1 同样的问题。3) 双极运行时，一极功率正送运行，另一极功率反送运行。这种融冰方法不需要对主接线进行改动，不增加新的设备投资，只需要对控制保护软件进行相关调整，容易实施。换流功率主要用于直流线路的功率损耗，在具有良好融冰保线效果的情况下与交流系统交换的功率较小，并且可以通过改变相应极的电压参考值在融冰的同时对较弱电网系统进行功率支援。符合冬季功率调度要求，推荐采用此方法。高肇直流工程双极异向传输融冰保线方案如下图所示，通过调整贵州高坡站电压参考值使得直流系统与贵州电网交换的功率为零。所有的融冰保线消耗功率由广东电网提供，当然也可以灵活调整双极电压参考值，由两端电网均摊融冰功率。双极功率异向传输融冰保线运行示意图防覆冰涂料目前用于防覆冰的材料，主要选用氟塑料、有机硅、硅橡胶等疏水型好、表面光滑的材料, 一种表面性能优异的热塑性高分子材料作为基体材料，加入具有明显疏水、防冰、脱冰效果的改性材料，釆用熔融混合法等工艺，生产出防覆冰涂料，一方面，可以有效地抑制水在表面结冰；结冰后的冰渣在该材料的表面的附着力很差，容易脱落。另一方面，该材料表面不粘冰，在被冰渣覆盖的情况下，施加外力，很容易与冰脱离，脱冰效果非常好。应用在架空输电导线、电缆、光缆等表面，可有效地阻止冰雪覆盖，尤其是阻止冰陀的形成。防覆冰涂料具有超轻重量，不增加输电导线、线路等载荷；透明度高，便于实施维修；低温性能好，防冰雪覆盖效果优异等特点。五、冰害的防治措施 冰害对输电线路的安全稳定运行产生很大的影响，因此必须采取有效的措施，防治冰害事故的发生。 一般而言，防止输电线路冰害事故的最重要方法，是在设计阶段采取有效措施，尽量避开不利的地形，即尽量避开最严重的覆冰地段或“避重就轻”。线路宜沿起伏不大的地形走线，尽量避免横跨垭口、风道和通过湖泊、水库等容易覆冰的地带，翻越山岭时应避免大档距、大高差，沿山岭通过时，宜沿覆冰季节背风向阳而走线，应避免转角点架设在开阔的山脊上，且转角角度不宜过大等，达到减少覆冰概率和减轻覆冰程度的目的。 1. 经过重冰区的输电线路应严格按重冰区架空输电线路设计规定进行设计 对于档距较大的重覆冰地段，采取增加杆塔、缩小档距的措施，以增加导线的过载能力，减轻杆塔荷载，减小不均匀脱冰时导线、地线相碰撞的机遇。对重覆冰区新建线路应尽量避免大档距，使重覆冰区线路档距较为均匀。 增加输电线路的覆冰承载能力，还可以在不改变原有杆（塔）位置的情况下，将钢芯铝绞线更换为新型的钢芯铝合金导线，以LGJ-400型导线为例，可将其换为新型HL4GJQ-400，这样既保证了线路的输电能力，又满足覆冰过载时导线的安全运行。杆（塔）的承载没有增大，反而减小。HL4GJQ-400钢芯铝合金导线比LGJ-400钢芯铝绞线抗拉强度增大1.26倍、重量降低9.35%。在同等地理、气象条件下，新选择的导线、避雷线组合比原设计的导线、避雷线组合的抗覆冰性能大大改善。 当线路走向、杆（塔）位不变的条件下，导线由LGJ-400钢芯铝绞线更换成HL4GJQ-400钢芯铝合金导线后，最大使用张力由58224.5N降至57196N，每米导线覆冰时的垂直荷重由63.93N降为62.3N，避雷线规格不变，每米避雷线覆冰时垂直荷重不变，但最大使用张力由原来的47462.7N降为39275.3N，从垂直荷载和水平张力的数据显示，杆（塔）的荷载有了明显的降低，杆（塔）的安全储备得到明显提高。导线的最大使用应力相同，HL4GJQ-400的比载较LGJ-400的小，故对地距离、交叉跨越距离有所改善。导线的安全系数由2.22（按新手册实为2.109）提高到2.6655，避雷线的安全系数由2.5（按新手册实为2.225）提高到2.8倍，导线、避雷线的安全系数均提高1.26倍，覆冰的过载能力得到了较大提高，按50mm