电网线路融冰技术

学校名称毕业设计(论文)论文题目：输电线路融冰技术学生姓名：XX学号XXXXXXXXXX年级、专业、层次：函授站：二○XX年X月摘要输电线路是电能输送的核心组成部分,在电力系统中有着十分重要的作用。在电路系统中冰灾是电力系统最严重的威胁之一。我国幅员辽阔，各地区地区气候差异大，南方地区冬季气温低,雨水多、空气湿度大、特别在海拔300～1000m左右的地区很容易结冰。由于南方输电线路的覆冰厚度设计值一般多为10mm或15mm,抗冰能力低,特别在2023年初长时间的低温雨雪冰冻天气中使我国南部省份电网损失严重。北方地区在春秋也会出现类似的极端天气，导致输电线路覆冰事故，本文重要分析了影响输电线路覆冰的因素及其危害，并系统介绍了除(融)冰技术的发展现状，探讨适合于输电线路融冰的各种技术,重点提出并分析未来也许推广应用的直流融冰的关键技术和初步实现方案,为融冰技术的进一步发展提供一定的参考。关键字：输电线路融冰技术目录摘要………………………2引言………………………5一、影响输电线路覆冰的成因…………5（一）覆冰的分类……………………5（二)覆冰的成因……………………7二、输电线路覆冰的危害………………7（一）过负载危害………………………7（二)不均匀覆冰或不同期脱冰危害…………………8（三)覆冰导线舞动危害……………8（四)绝缘子冰闪危害………………8三、输电线路除(融)冰技术发展现状和比较分析……8（一)机械除冰法……………………8（二)增长覆冰线路的负荷电流融冰…………………9（三)采用高强度耐热铝合金导线…………………9（四）热力除(融)冰法………………9（五）自然被动除冰法………………10（六）其他除冰方法………………10四、直流融冰的关键技术与方案设计…………………13（一）直流供电电源结构……………13（二)直流装置容量的选择………13（三)输电线路融冰关键技术参数研究………………14（四）非融冰装置应用研究…………16（五）移动式直流融冰设备的研究…………………16（六）直流融冰技术研究与应用……………………16五、输电线路交流电流融冰技术及应用……………20（一)交流短路融冰技术的基本原理………………20（二)交流短路融冰技术方案………20（三)交流短路融冰设计方案………23（四）交流融冰技术应用…………24六.初步研究结论及拓展应用研究思绪……………25（一）初步研究结论…………………25目录（二)拓展应用研究的思绪……………………26结束语…………………27参考文献…………………28致谢…………29引言2023年1月中旬至2月初，受大面积降雪和冻雨天气影响，我国南方地区遭遇大范围降雨、雪天气，经历了有气象记录以来最严重的连续低温雨雪冰冻灾害。据记录：国家电网公司系统由于覆冰导致高压线路杆塔倒塌17.2万基，受损1.2万基;低压线路倒塔断杆51.9万基，受损15.3万公里;各级电压等级线路停运15.3万条，变电站停运884座。南方电网公司系统杆塔损毁12万多基，受损线路7000多条，变电站停运859座。本次冰灾连续时间长、影响范围广、覆冰强度高、危害巨大实属历史罕见。这次冰灾的直接因素是大范围长时间低温、雨雪冰冻气候所致。那么，如何运用先进的科学技术快速、安全、高效地清除输电线路上的覆冰，是摆在我们面前的一个重要的研究课题。目前电力系统救灾最大工作量是除冰，而除冰方法基本是人工作业，效率低不说，并且既艰难又危险——牺牲的电力工人都是在除冰作业中牺牲的。输电线路在冬季覆冰是电力系统的自然灾害之一。由于导线上增长了冰载荷，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，导致长时间停电，对国民经济导致重大损失。近些年，随着全球异常气象带来的自然劫难逐步增多，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营的难题，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劫难，对国家稳定和建设和谐社会，起着重要的作。影响输电线路覆冰的分类及成因（一）.覆冰的分类覆冰是在大气温度接近或低于0℃时，有降水并被冰结在温度接近或低于0覆冰是由非常复杂的天气过程和微物理过程相结合而形成，依据各地的观测资料表白，有以下几种基本类型。1.雾凇大气中的水汽在过饱和时附着和升华凝结，形成放射状的结晶称之为雾凇。通常过冷却水滴在导线的迎风面形成白色、不透明的颗粒状或长三角形覆冰。这些水滴比互相紧密结合所需要的时间提前冻结，即后面的水滴到达之前，前面的水滴还来不及铺展就被冻结了，形成了包含许多空隙或气泡的干燥的冰。这种冰的密度较小，对导线的附着力较弱，轻微的振动就容易脱落。根据在四川西南观测的资料，这类冰一般产生在风速。0～4m/s，大气温度-2～-8℃的条件下，平均密度为0.2g/cm³2.雨凇大气中的过冷却水滴在导线的迎风面形成清澈光滑透明的覆冰称雨凇。通常被吹到导线上尚未被完全冻结的过冷却水滴由导线的迎风面吹向导线的背风面时冻结，这种过冷却水滴冻结的时间比碰撞的时间长，即后面的水滴到达时，前面的水滴尚未完全冻结，水滴一面铺展一面冻结，结果形成不含气泡的冰层，覆冰表面被水膜覆盖而光滑透明。这类冰的密度大，并牢固附着作物体上，在其发展和保持期都不因振动而脱落。根据在四川西南观测的资料，这类冰产生在风速。0～4m/s，大气温度0.0～-3.5℃的条件下，平均密度0.7g/cm³。贵州3年观测的平均密度为0.72g/cm³g/cm³。其它观测资料详见表1。一般情况下，很少有雨凇覆冰引起送电线路的设备事故。值得注意的是大颗粒过冷却水滴产生的雨凇覆冰危害较大，如1969年和1973年导致了加拿大魁北克水电局管辖的哈以特伦卡贝哥735kV，送电线路倒塔62基的大事故。3.混合冻结混合冻结有两种重要类型，一类是湿雪，另一类是雨凇与雾凇的混合冻结(简称雨雾凇混合冻结)。(1)湿雪雪能附着在导线上，其发展的重要因素是由于雪片表面有水膜存在，故称之为湿雪，没有水膜的雪片叫干雪，干雪不会附着在导线上。湿雪片由于水的表面张力作用，不仅能附着在导线上，还因自重和风的作用而转动，即沿着导线的周边一边滑动一边逐渐增厚，结果形成了较大的圆筒型覆雪。导线上较长时间的覆雪，会导致较大的送电线路覆冰事故。如中国华东1970,1977和1984年及云南1983年终大面积的送电线路覆冰事故;日本东北电力公司1980年12月发生129件导线覆冰事故，其中50基杆塔倾倒;加拿大安大略1959～1960年冬天由于导线覆冰，使21基铁塔塔顶压屈，三基铁塔横担损坏。(2)雨雾凇混合冻结雨雾凇混合冻结通常由过冷却水滴在导线的迎风面形成透明与不透明交替重叠的冰层，或似毛玻璃的不透明冰层。这种冰层的形成是由于形成这类冰层的水滴以互相碰撞与冻结大体相同的时间冻结，因而形成了包具有许多微小气泡的不透明的冰层。这类覆冰的附着力强，在其发展和保持期都不易因振动而脱落。根据在四川西南观测的资料，一般情况下，这类覆冰通常产生在风速0～4m/s，大气温度-0.29～-7.4℃的条件下，平均密度0.4g/cm³（二）.覆冰的成因1.气象因素输电线路覆冰重要发生在11月至次年3月间，特别在入冬和倒春寒时覆冰发生的频率最高。当温度低于0℃2.海拔高程因素就同一个地区来说，一般海拔高程愈高，愈易覆冰，覆冰也愈厚，且多为雾凇;海拔高程较低处，其冰厚虽较薄，但多为雨凇或混合冻结。3.线路走向及悬挂高度因素东西走向的导线覆冰普遍较南北走向的导线覆冰严重。由于冬季覆冰天气大多为北风或西北风，因此，在严重覆冰地段选择线路走廊时，应尽量避免导线呈东西走向。4.导线直径因素在常见的小于或等于8m/s的风速下，直径小于或等于4cm的导线，相对较粗的导线的单位长度覆冰量比相对较细的导线重;对于直径大于4cm的导线，单位长度覆冰重量反比较细的导线轻;在大于8m/s的较大风速下，对于任何直径的导线，导线越粗覆冰越重，但覆冰厚度随导线直径的增长而减小。5.导线表面电场因素现场观测及实验研究表白，电场强度较小时导线覆冰量、冰厚及密度随电场强度增长而增长，可当电场足够高时，带电导线的覆冰比不带电导线覆冰少很多，覆冰量与电压极性有明显关系;此外，在强电场作用下，导线覆冰的密度也较无电场时小。二、输电线路覆冰的危害当线路实际覆冰超过设计抗冰厚度（即线路覆冰质量增长，覆冰后风压面积增长）而导致的过负载事故；不均匀覆冰或不同期脱冰引起的机械和电气方面的事故；绝缘子串覆冰过多或被冰凌桥接，引起绝缘子串电气性能减少；不均匀覆冰引起的导线舞动事故。综上，覆冰的随机性导致覆冰尺寸、密度和形式随机变化，这使输电线路结构系统的各种荷载会连续发生不规律的变化。对于线路结构负载的变化进行如下分析：（一）过负载危害过负载危害，即导线覆冰的重量超过设计抗冰厚度(覆冰后质量、风压面积增长)在覆冰条件下，架空地线弧垂通常会超过导线弧垂，并将引起短路故障而导致的事故。在其他条件下，如大风时,在覆冰后，碰到这种情况，线路也许遭受到劫难性的沿线路方向串级倒杆塔事故。发生设备的机械事故,机械事故涉及：金具损坏、导线断股、杆塔损折、绝缘子串翻转、撞裂等;电气事故，是指覆冰使线路弧垂增大从而导致闪络和烧伤、烧断导线等。（二）不均匀覆冰或不同期脱冰危害相邻档的不均匀覆冰或线路不同期脱冰会产生张力差，导线覆冰则会导致线路荷载静态纵向不平衡,使导线缩颈或断裂、绝缘子损伤或破裂、杆塔横担扭转或变形、导线和绝缘子闪络及导线电气间隙减少而发生闪络等。（三）覆冰导线舞动危害导线有覆冰且为非对称覆冰(迎风侧厚，背风侧薄)时，线路易发生舞动;大截面导线比小截面导线易舞动，分裂导线比单导线易舞动;0℃时导线张力低至20～80N/mm2（四）绝缘子冰闪危害覆冰改变了绝缘子的电场分布，覆冰中具有污秽等导电杂质时更易导致冰闪。据记录，2023年我国500kV线路非计划停运因素中冰闪约占23%，在外力破坏类因素中居第二位。2023年10月到2023年1月我国华中地区连续发生了多起恶性覆冰闪络事故。1963年11月美国西海岸一条345kV线路发生绝缘子串覆冰闪络，在恢复送电3～4min内，覆冰绝缘子由薄弱放电迅速发展到全面闪络。1988年加拿大魁北克省安那迪变电站连续发生6次绝缘子闪络事故，导致该省大部分地区停电。三、输电线路除(融)冰技术发展现状和比较分析目前，国内外对除冰技术的开发相称重视，提出了30余种除冰技术。根据工作原理，这些除冰技术可归纳为以下四类:热力除(融)冰法、机械除冰法、自然被动除冰法和其它除冰方法。就融冰技术而言,目前重要是指各类热力融冰方法。热力融冰法的基本原理是在线路上通以高于正常电流密度的传输电流以获得焦耳热进行融冰。前期研究重要涉及:1982年Pohlman和Landers采用的高电流密度熔冰;1976年以来中国和1993年以来加拿大Manitoba水电局采用的短路电流熔冰以及1987～1990年日本Yasui、Yamamoto和Fuji等研制的电阻性铁磁线,目前,国内220kV及以下输电线路,除了在电力线路设计、施工中采用“避、改、抗、防”等措施外,短路融冰仍是防止冰害事故的重要手段。为更好地选择适合实际情况的融冰方法,以下就几种常用的融冰技术与方法进行比较分析。（一）机械除冰法机械除冰法，最早的有“ADHOC”法、滑轮铲刮法和强力振动法。“ADHOC”法，就是用起重机、绝缘作业工具车或采用带电直接作业方式机械除冰，有时也采用手工除冰或直升飞机除冰，它耗能小，价格低廉，但操作困难，安全性比较差。滑轮铲刮法，是一种由地面操作人员拉动一个可在线路上行走的滑轮达成铲除导线覆冰的方法，此种方法是目前唯一得到实际应用的输电线路除冰的机械方法，但其被动性强，无防冰效果，工作强度大，效率低，易受地形限制。强力振动法，采用电磁力或电脉冲使导线产生强烈而又在控制范围内的振动来除冰，对雨淞效果有限，除冰效果不佳。由于机械除冰法在输电线路上使用时具有操作困难、安全性能不完善等缺陷，在我国输电线路应用较少。（二）增长覆冰线路的负荷电流融冰在覆冰季节来临时,通过科学调度,如将两条线路的负荷通过重冰区的一条线路,或使重冰线路末端变电站的所有负荷电流都通过重冰区的一条线路,从而实现融冰。这种方法对于截面较小的110kV及以下线路可行,对于220kV及以上电压等级的线路而言,由于导线截面大,加之系统容量和运营方式的限制,采用增长覆冰线路负荷电流的方法融冰的实际效果尚需进一步实验论证。（三）采用高强度耐热铝合金导线高强度耐热铝合金导线的允许连续温度为150℃(普通钢芯铝绞线70℃),在相同截面下,高强度耐热铝合金导线通过提高导线的工作温度,比普通钢芯铝绞线提高输送容量50倍左右。运用高强度耐热铝合金导线的这一性能,可在重冰区采用截面比普通钢芯铝绞线小的高强度耐热铝合金导线,这样可减小杆塔的荷载,假如线路的最小负荷电流能大于导线的防止融冰电流,那么在覆冰气象条件下线路将不会覆冰,就可以从主线上防止所有的覆冰事故。假如线路的最小负荷电流小于导线的防止融冰电流,可以采用人为方法,增大导线中的电流,使其大于导线的防止融冰电流。该法的缺陷是对已有的线路而言,需对线路进行改造;此外高强度耐热铝合金导线的损耗比普通钢芯铝绞线稍高（四）热力除(融)冰法热力除(融)冰法是运用附加热源或者自身发热，使冰雪在导线上无法积覆，或使已经积覆的冰雪熔化。该策略是在20世纪30年代于参考文献中提出的。目前讨论较多的热力除冰技术有：高压直流电流除冰技术、交流电流除冰技术、运用高频高电压激励产生的介电损失除冰技术等。典型应用有：1987年日本研制的电阻性铁磁线、1988年由武汉高压研究所研制的低居里磁热线(这种材料在温度0℃时，磁滞损耗大，发热可阻止积覆冰雪或熔冰;当温度0℃时，不需要熔冰，损耗很小。这种方法除冰的效果较明显，但能量消耗较高、使用成本高)、短路电流融冰法(加拿大Manitoba水电局采用过，湖南电网也大面积采用，取得了较好的效果。这类方法只能应用于覆冰期，且应用费用较高1交流短路电流融冰交流短路电流融冰是将融冰线路的一端三相短路,而在另一端提供融冰交流电源,以较大短路电流来加热导线,使依附在导线上的冰融化。输电线路的短路融冰操作性质属于事故解决,值班调度员临时拟写操作指令票,安排电网运营方式,临时将输电线路上的用户转移到其他线路上供电。其缺陷是操作任务多且很复杂,往往一条输电线路融完冰要几个小时到十几个小时,假如这期间线路不堪重负发生倒杆断线,则将前功尽弃。2.直流电流融冰直流融冰技术重要是指在线路覆冰现象严重的时候,将覆冰线路两端跟主网断开,并将线路末端短接,同时在线路首端接入直流电源,使之形成一回路,运用电路通过较大电流发热使附着在线路上的冰层融化脱落从而减轻线路的承担,进而防止线路的拉断和铁塔的倒塌,保障输电线路安全,当完毕除冰任务后,可将直流融冰设备切除,恢复到正常状态。从原理上看直流融冰技术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。其重要方法涉及采用发电机电源整流的直流融冰方案和采用系统电源的融冰方案。当采用发电机电源整流的直流融冰方案时,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,发电机相称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,但其限制条件为机组的容量与融冰所需的容量之间的差异。当采用系统电源融冰方案时由系统提供电源,经整流变压器、整流装置,带线路融冰。对于500kV的输电线路,由于其交流阻抗和截面大,难以做到在交流短路条件下以系统电源提供较大的电流(其中大部分为无功电流)。而500kV交流线路的直流电阻只有交流阻抗的0.1倍左右,相差一个数量级,欲得到同样大小的融冰电流,采用直流融冰方案需要的电源容量就小得多。因此,对于500kV线路,采用直流方式融冰是可行的方法,一般条件下,只能采用由系统提供电源,经整流变压器和整流装置的方式。直流融冰是一种有别于交流融冰、新型且实际有效的输电线路融冰技术,从一定限度上克服了交流融冰方式的技术限制和技术缺陷,除具有以上特点，并且合用性更强,可根据不同情况调节直流融冰电压,使之满足不同的应用环境需要。因此，直流融冰技术是在现有输电设备下,保证冰雪恶劣天气下供电安全可靠的一种非常可行的方法。（五）自然被动除冰法自然被动除冰法是运用风或其它自然力的作用，再辅以恰当的人工设备，例如在导线上安装阻雪环、平衡锤等装置，使冰雪不易在导线上聚结而自行脱落，从而起到防、除冰作用。此类方法简便易行，成本低，但通常只在特定期间和地区(如多风季节的山脊、风口)有效，不能全面彻底地防止输电线路覆冰灾害。而正在研究中的输电线路防覆冰涂料，也是一种被动除冰方法。被动除冰法虽不能保证可靠除冰，但无需附加能量;虽不能阻止冰的形成，但有助于限制冰灾。（六）其它除冰方法1.激光除冰的应用（1）基础理论激光是20世纪重大科学发现之一，其光束高功率高能量，发散角小，可以传播到较远的地方。近年来，激光技术得到长足的发展。运用激光方向性好，能量传输效率高的特点[23]，把激光照射到冰块上，冰吸取激光辐射的能量，当表面达成相变温度时产生相变，冰的相态发生变化，从固态转变为液态，从而达成去除导线或绝缘子覆冰的目的。（2）绝缘子的损伤实验在激光除冰的过程中，必须保证不能对绝缘子导致损伤，因此必须测出其损伤阈值。我们采用CO2激光直接照射到自洁净伞状绝缘子表面上，其中激光功率为5Ow，光斑直径为5mm，当激光功率大于17w时，无论时间长短，自洁净伞状绝缘子表面都会出现一些变色，但当激光功率为16w时，时间为1rain或更长时，绝缘子表面都没有任何变化，此时的能量密度为26J／ram。，即绝缘子的损伤阈值。当激光能量密度小于26J／ram。时，激光在融穿冰时不会对绝缘子导致任何损伤。（3）激光除冰的实验研究图5-1所示为光在纯水中的传输谱线和可用的激光器。由图可知，CO2激光在冰中的穿透长度很短，冰对它的吸取很强，因此可以运用CO2激光来提高除冰的效率。由于冰和水对于光的吸取差别很小，因此可以用水的穿透深度—吸取系数表来考察冰的吸取系数。图5-1光在纯水中的传输谱线和可用的激光器（4）热融法激光除冰运用激光方向性好，能量传输效率高的特点，把激光照射到冰块上，冰吸取激光辐射的能量，当表面达成相变温度时产生相变，冰的相态发生变化，从固态转变为液态，从而达成去除导线或绝缘子覆冰的目的[24]。实验采用美国进口射频激励的C02激光器，激光参数为：激光功率50W，激光波长λ=10.6µm。在未聚焦的情况下将激光直接作用在覆冰表面，作用距离为L=30cm时，光斑直径为ф=5mm，使1kg的冰完全融化成水大约需要349kJ的能量，时间大约为117min。采用直接热融法除冰不仅能量消耗大，并且时间也很长，无法满足现场除冰的规定。因此我们提出了激光热融+自身重力脱落的方法以达成高效除冰的目的。（5）激光热融加自身重力脱落的方法该方法的具体思绪是：激光作用在绝缘子表面的冰层上面，使冰层迅速融化，激光即可作用在绝缘子表面，此时激光一方面继续融冰，一方面加热绝缘子，使得两者接触面的冰先融化，融化的水不断在冰与绝缘子的接触面上流动，使得冰与绝缘子附着层不断融化。此时先前融化产生的水沿着基底流动，起到了润滑接触面的作用，从而减小了冰在绝缘子表面的附着力，在冰自身重力或薄弱震动力的作用下，整个附着的冰层非常容易脱落。因此，该方法并不需要将冰层完全融解，去除重冰、冰柱的条件下优势更加明显。在光斑直径为12mm，作用距离分别为6m和15m的情况下，采用上述方法去除1kg冰大约需要9OkJ的能量，所消耗时问大约为26min，无论在时间还是能量上，相对于热融的方法都大大提高了除冰效率。假如进一步提高激光功率，除冰所需的时间将会更短。通过对不同实验的分析，可以看到采用热融加自身重力脱落的方法，无论是在时间还是在能耗上，相对于其他激光除冰方法都大大提高了除冰效率，为实时除冰提供了一套有效的解决方案。2.防冰涂料与超憎水涂料防止电网防冰的发生或限制防冰的增长，是从主线上避免冰灾发生或减小冰灾规模的手段。手段线路防冰研究一个重要的方向是探索发明一种可以实现防冰目的的涂料。假如涂覆涂料后，舞台表白的谁的表白接触角大于160°或更高时，涂有该涂料的导向和绝缘子等也许具有一定防冰能力。这样具有超憎水性，能合用高电压、强电磁场环境且与导线有良好附着力的涂料就可以成为一种抱负的导向防冰涂料。超憎水了起于20世纪50年代，盛于90年代，一般当固体表面与水滴的静态接触角大于150°，滚落角小于10°时，可认为该表面具有超憎水性。现有的已经报道获得的超憎水涂料多被应用于建筑物防水，将其用于输电线路或设备的防冰还没有可靠的实验研究报道。目前限制输电线路防冰涂料研究的重要因素在于：（1）防冰涂料涉及电力、化学等多个专业，跨专业交流较少，影响涂料的研制。目前从化学专业角度来说，要合成表面角大于170°、滚落角小于3°的涂料已不是难题，但是否可应用于输电线路上，能否满足强电磁场的探索规定尚不清楚。化学专业研究超憎水表面重要目的是单纯为获取更好的憎水性而研究，针对其他领域研究较少，也缺少学术界进一步报道。（2）电网防冰涂料以往的研究不系统、系统实验少，很多实际问题上很模糊、不具体、存在矛盾。（3）目前研究大多是片面的追求更大的接触角，事实上单纯地说一个表面接触角是150°、160°还是170°是没故意义的，由于，现今接触角大小受拟合方法的影响大，现今四种拟合方法量拟合结果相差达25°。虽然仍然缺少可靠的实验报道支持，但从原理上看，超憎水涂料仍也许是一种合适的输电线路防冰手段。3机器人除冰目前技术相对比较成熟的代表产品是加拿大魁北克水电研究院的SergeMontambault人2023年开始研制的HQLineROVer控小车，它重要用于清除电力传输线地线上的覆冰，但是该机器人质量过大，结构复杂，并且只能清除两杆塔之间的覆冰，不具有越障的功能，因此不能完全代替人工上线除冰。机器人理论上可以满足直导线上覆冰不是太厚情况下的除冰需求，同时具有自主越障功能及高效、环保、节能的特点。木机器人运用模块化结构，采用仿生学原理进行设计，组成模块涉及夹紧装置、行走装置、除冰装置、越障装置等机构运动。机机器人还可以在未覆冰季节通过更换其上的除冰模块，将除冰机器人转变为巡线机器人，从而达成一机两用的目的;同时还可以通过改善机器人的模块化结构设计实现多分裂泞线除冰功能，从而提高机器人的除冰效率。相信随着人们对泞线覆冰现象研究的逐渐进一步和机器人运用技术的逐渐成熟，高压线路除冰机器人的发展应用前景还是很广阔的。四、直流融冰的关键技术与方案设计（一）直流供电电源结构直流供电电源结构是整个融冰装置中的关键部分,其重要规定是具有较高的稳定性并且易于控制。根据直流融冰的原理可知,融冰时线路将通过极大的电流,这将极大的超过单整流装置的极限,因而最佳采用整流桥并联的形式,保证装置的安全。对于晶闸管整流器并联形式,目前重要有三种形式,12脉冲电路、双12脉冲电路和双6脉冲电路。通过对三种形式的分析可知,双6脉冲电路由于可直接并联触发,控制较为简朴,是一种较可行的方法。在此种结构中,两个桥式全桥整流电路通过整流电抗器接到变压器的低压侧,换流电抗器用于平波,接在前面的滤波器用于吸取整流装置产生的谐波,它们的阴极出线将通过平衡电抗器相连,作为直流电源的正端,他们的阳极出线将直接连接作为直流电源的负端,它们两端的出线即作为直流供电电源的出线。（二）直流装置容量的选择基于输电线路最小融冰电流和直流电流融冰原理，以南方电网各电压等级交流直流典型输电线路为例，采用直流电流融冰法融冰时所需最小融冰电流，线路降压和电源容量的估算结果见表3-1[3]。从表3-1可以看出，在一定的环境条件下，直流融冰所需要的整流器容量取决于需要融冰线路的导线截面及导线长度。现在直流技术的应用和大电流晶闸管阀片的开发为直流融冰发明了良好的条件。直流短路融冰从技术上可以合用于各级电压等级的不同导线截面的线路，实现这一方法的关键则是根据不同的应用条件，开发出不同形式，不同容量的质量融冰设备[4]。直流融冰时线路阻抗的感性分量不起作用，减少了融冰所需的容量，提高了融冰效率；直流融冰时直流电压连续可调，可以满足不同长度线路的融冰规定，且不需要进行阻抗匹配，也减少了融冰对电力系统运营方式的苛刻需求；安装于枢纽变电站的直流融冰装置可对全站所以进出线进行融冰，在线路大面积融冰时，效果特别明显。表3-1中国南方电网直流交流输电线路融冰时所需参数线路电压等级（kV）线路型号线路长度(km)直流电阻(Ω/km)最小融冰电流（A）线路直流降压(kV)直流融冰容量(MW)直流线路800LGJ-6*630/4515000.300777075163.91159.4500LGJ-4*720/5010000.0100525410437549.9交流线路500LGJ-4*5001000.0148397911.846.8LGJ-4*4001000.0181374512.643.7220LGJ-2*500500.029619895.911.7LGJ-2*240500.059912187.38.9110LGJ-240200.11986091.8LGJ-185200.15645153.21.735及以下LGJ-150100.19624411.70.8LGJ-95100.29923452.10.7注：1.最小融冰电流计算条件为温度-5℃，风速5m/s，覆冰厚度10mm2.偏保守计算，输电线路直流电阻去20℃3.计算中忽略系统内阻抗和发电机同步电抗。4.本表仅给出各电压等级线路典型长度对于的直流融冰容量。(三)输电线路融冰关键技术参数研究通过导线交、直流融冰实验研究，通过实验室模拟自然覆冰条件，研究常用导线覆冰后的融冰电流及其影响因素，为合理采用直流融冰方法和研制融冰装置提供实验和技术依据。研究内容包含交、直流融冰的比较、电流密度对融冰的影响、环境温度对融冰的影响、风速对融冰的影响、覆冰类型对融冰的影响、冰表面温度和环境温度以及导线温度的关系等。输电线路融冰关键技术参数实验研究表白:（1）采用直流融冰技术进行短路融冰是经济、可行的除冰方法。由于存在趋肤效应和电磁涡流热效应，在融冰电流相同时，交流的发热功率要稍高于直流。但由于电路感抗的影响，交流短路融冰需要很大的无功功率，对电源容量的规定要比直流大得多[10]。直流融冰电源的容量仅为交流的1/5～1/15，其融冰效果与交流基本一致。（2）存在一个临界融冰电流。当环境温度低于0℃表3-3几种型号导线的临界交直流融冰电流导线型号Idc-c/AIac-c/ALGJ-70271.5220.23LGJ-240440445.96LGJ-400602571.49LGJ-720857704.85注:环境温度-5.0℃，冰厚10mm，风速5.0m（3）直流融冰的电流密度与导线截面和环境条件有关。当电流密度越接近于临界电流密度时，融冰时间对电流密度的梯度越大，即电流密度对融冰时间的影响越大。环境温度越低，融冰临界电流越大，融冰需要的时间越长。在电流密度相同时，导线的直径越小，受环境温度影响越大。风速越大，融冰临界电流越大，融冰所需要的时间也越长。在电流密度相同时，导线的直径越小，受风速的影响越大。不同电压等级和环境条件下，电流密度有明显差异，如表3-4所示。表3-4直流融冰的电流密度与导线截面和环境条件的关系电压等级融冰电流密度/（A·mm−2）350kV及以下3110～220kV22.5500kV及以上2注:环境温度-5.0℃，冰厚10mm，风速3.6m（4）导线覆冰类型和覆冰均匀限度对融冰有一定的影响。同等条件下，雪凇的临界融冰电流和融冰时间都要大于雾凇和混合凇。由于覆冰不均匀，在融冰过程中冰层较薄的地方会出现穿孔现象，从而导致融冰热量损失增长，融冰时间变长；冰棱也会对融冰产生影响，因它使冰与空气的接触面积增长，从而加速了冰与空气之间的热互换，并使风对融冰的影响增长。对于直流装置的容量,必须充足考虑各种情况。通过实际测量和推断找出通电电流与融冰时间的关系,由此得到最佳的容量选择,保证融冰的有效运营。实际应用中可采用下面的技术方案:通过实验测试获取融冰时间、周边条件、线上覆冰半径之间的精确数据,从而可获取不同输电线路所需的电流;获取所需安装装置的变电站的所有进出线长度,导线类型的数据,通过计算,得到所需的装置的电压和电流范围;通过上面所获取的数据,并考虑某些极端情况,从而得到装置的容量范围,进而可以决定某些器件的参数规定,这样既可满足运营规定,又满足经济性规定。（三）非融冰装置应用研究考虑到直流融冰装置的时间性规定,为充足发挥融冰设备的效应,使之可运营在不同的模式,如不进行融冰的时候对结构进行改装,可组装成SVC,进行无功补偿,保障线路供电电压的稳定等。（四）移动式直流融冰设备的研究根据不同情况下的除冰规定,需要对覆冰线路进行快速、高效的解决,对于长距离线路可采用基站式的直流融冰装置,这样全站共用一套装置,即可对全站所有的进出线开展直流融冰工作,在线路大面积覆冰时,效果特别明显。而对局部线路则可采用移动式直流融冰装置,这将具有更强的灵活性,可针对部分覆冰线路进行融冰操作,极大地减少能源消耗。移动式融冰的实质是发电机接整流装置带线路运营,借助发电机及励磁设备,采用零起升流办法提供直流进行融冰。对于输出电流的调节,需可考虑各种线路所承受的电流极限及其融冰所需电流的大小,在运营过程中,实时收集电流电压数据值,通过控制装置对整流装置进行控制,实时的控制电流的大小,做到既可满足融冰的需要,又不会对线路和装置构成破坏,从而可安全有效的对附冰线路进行融冰解决。移动式装置的结构中，发电机输出线路接可控直流装置,为了提高输出电压,采用双整流装置串联的方式,整流装置输出通过连接线路接到覆冰线路,同时需运用线路短接装置将线路短接起来,组成一回路,既可进行融冰解决。在这其中,需根据实际情况决定发电机的容量大小。装置运营过程中,通过相关的采集模块对线路的各种参数状况进行实时跟踪,将数据传送到控制器盒中,由控制器对数据进行解决,并转化为对整流和其他装置的控制,这样就可做到对装置的控制和保护功能,待线路完全恢复正常后,就可切除整个装置。（五）直流融冰技术研究及应用1.直流融冰装置样机研发根据研究和实验的成果，确立了装置样机研发的基本技术条件和功能规范，提出了按照输电线路电压等级，采用相应的融冰装置：对于500kV输电线路合用交流35kV供电的大容量固定式直流融冰装置（样机容量为60MW）；对于220kV和110kV输电线路合用交流10kV供电的站间移动式直流融冰装置（样机容量为25MW）；对于35kV及以下电压等级输电线路合用交流400V供电的小容量移动式直流融冰装置（样机容量为500kW）[11]。为满足不同线路长度、导线参数融冰需要，直流融冰装置输出的调节范围要宽，其换流器可以大角度大电流长期运营，尽量减少谐波、噪声等对系统和变电站的影响，不需要额外的电压调节（即使配备电源变压器，对分接头也没有额外规定）。直流融冰装置应当占地小，操作简便，维护量少，便于移动，故采用了基于集装箱式的结构。对直流融冰装置控制保护功能进行了研究，开发了直流融冰装置的控制保护系统，并运用RTDS对直流融冰装置控制保护系统进行了完整的测试。直流融冰装置研制中还考虑了兼顾动态无功补偿（SVC）功能的也许性，并预留有相应接口，以提高设备运用率、增长变电站的动态电压支撑能力。(1).60MW直流融冰装置样机60MW直流融冰装置样机原理图如图3-1所示，实物如图3-2所示。该样机的额定输出电压16.7kV，额定输出电流3600A，额定输出功率60MW，直流电压调节范围0～20kV，直流电流调节范围400～4320A，具有1.2倍过载能力。使用5英寸晶闸管，水−风逼迫冷却方式。通过整流变压器由35kV电源供电。具有三相自动切换功能，采用集装箱方式安装[13]。图3-160MW直流融冰装置样机原理图图3-260MW直流融冰装置样机实物图(2).25MW直流融冰装置样机25MW直流融冰装置样机原理图如图3-3所示，实物如图3-4所示。该样机的额定输出电压12.5kV，额定输出电流2000A，额定输出功率25MW，直流电压调节范围0～12.5kV，直流电流调节范围300～2400A，具有1.2倍过载能力。该样机的使用4英寸晶闸管，采用水-风逼迫冷却方式。由10kV电源供电，具有三相自动切换功能，采用集装箱式安装，可在站间移动。图3-325MW直流融冰装置样机原理图图3-425MW直流融冰装置样机实物图(3).500kW直流融冰装置样机500kW直流融冰装置样机原理图如图3-5所示，实物如图3-6所示。该样机的额定输出电压500V，额定输出电流1000A，额定输出功率500kW，直流电压调节范围0～500V，直流电流调节范围200～1200A，具有1.2倍过载能力。由变电站400V侧或发电车直接供电，具有三相自动切换功能，采用2.5英寸晶闸管，逼迫风冷，箱式安装，安装在车辆上[14]。图3-5500kW直流融冰装置样机原理图图3-6500kW直流融冰装置样机实物图上述三个直流融冰装置样机分别采用通过整流变压器、直接接入变电站主变压器和直接接入发电车（发电机）三种与电源的接入方式。这三种接入方式对接入系统影响分析和现场测试数据可认为直流融冰装置接入电源方式的选择、运营和维护提供极具价值的参考。2.直流融冰装置应用贵州福泉变电站是2023年冰灾的重灾区。福泉500kV变电站具有500kV，220kV，110kV，35kV以及10kV共5个电压等级，出线回路数多，具有直流融冰技术应用和示范的条件，因此将直流融冰装置样机和现场实验地点选择在福泉500kV变电站[15]。由于采用了合理的设计原则、有效运用了原有设备和场地条件，使得固定式和站间移动式两套直流融冰装置在不新征地、不影响变电站的运营和检修、现场改造工作量少、投资省的条件下安装在福泉变电站内，为直流融冰装置在已建变电站的应用起到了示范作用。3.直流融冰装置样机现场系统实验参考高压直流输电工程、串联电容补偿装置、静止无功补偿装置系统调试经验，研究和拟定了直流融冰装置系统调试现场实验项目和测试项目，并完毕了直流融冰装置系统调试现场实验中无功和谐波计算和实测对比。对典型220kV和500kV输电线路最大允许电流与环境温度的关系进行了计算，保证融冰实验不损伤实验导线。对实验线路直流电阻进行了测量，并与理论计算值进行对比分析。对与实验线路平行和交叉跨越情况进行了调查，并测量直流融冰母线和实验线路交流感应电压，保证实验安全。2023年8月14日，500kW移动式直流融冰装置样机在贵州铜仁成功完毕了所有预定系统实验项目和测试项目。实验线路为铜仁110kV川太锦线，线路长度为2.5km。以500kVA发电车作为电源，实验电流最大为500A，实验过程中线路、金具、接头和融冰装置各设备运营正常。线路达500A约30min后，110kV川太锦线温升约为11℃2023年9月5日，25MW站间移动式直流融冰装置样机在贵州500kV福泉变电站成功完毕了所有预定现场系统实验项目和测试项目。实验线路为220kV福都线，最大融冰实验电流达成2kA，实验过程中线路、金具、接头和融冰装置各设备运营正常。电流升至2kA约10min后，220kV福都线温升达成25℃2023年10月12日，60MW固定式直流融冰装置样机在贵州500kV福泉变电站所有预定现场系统实验项目和测试项目。实验线路为500kV福施Ⅱ线，最大融冰实验电流达成4000A，实验过程中线路、金具、接头和融冰装置各设备运营正常。电流升至4000A约15min后，500kV福施Ⅱ线温升达成35℃[16]现场实验还测量测试了变压器噪声、中性点偏磁电流、无功功率消耗、谐波等数据，与计算值吻合，直流融冰装置运营产生的谐波不会对数字式继电保护导致影响。直流融冰装置现场实验的成功标志着南方电网公司在直流融冰装置关键参数计算、接入系统设计、装置研制、调试和运营等方面已达成世界先进水平。五输电线路交流电流融冰技术及应用(一).交流短路融冰技术的基本原理交流短路融冰技术的基本原理是通过人为合理安排交流二相短路方式，将融冰线路的一端二相短路，另一端提供融冰电源，以较大短路电流加热导线，使依附在导线上的冰融化。在各国该技术己达成了实用化的阶段。（二）.交流短路融冰技术方案交流短路融冰技术在实际融冰中通常采用如下两种方案。(1)发电机带融冰线路方案。停运待融冰线路，将线路二相短路，将融冰线路和静止发电机连成单独的电气回路，缓慢增长发电机励磁升压使线路电流达成所需要的融冰电流为止，接线见图4-1图4-1发电机带融冰线路方案示意图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。优点是对运营系统无影响，可在允许范围内方便地取得合适的融冰电流。缺陷是折算到发电机侧的电流较大，需要的发电机容量大，很难操作;同时需注意防止发电机自磁励的发生。因此，该方案仅适合于融冰电流较小的输电线路，如220kV及110kV等线路，500kV线路不宜采用。(2)全电压冲击合闸方案。在其他设备正常运营状态下，停运待融冰线路，将线路二相短路，控制断路器对二相短路线路进行全电压冲击合闸，接线如图4-2所示。图4-2全电压冲击合闸方案示意图该方案操作简朴，但也许影响系统运营，需根据融冰电流及短路电流大小选取合适短路回路阻抗。对系统冲击较大，在无功备用局限性情况下也许影响系统的稳定。因此，维持正常运营电压水平是重要环节，必须精确计算冲击合闸后的融冰短路电流的大小，拟定对整个系统无影响后才允许采用。该方案一般应用于220kV及以下线路，线路长度必须在一定距离之内。例如4x400的导线，长度不能超过150km,目系统提供无功容量超过1GVA，也许系统无法满足规定[17]。交流短路融冰是直接由系统提供短路电电源，在输电线路上通过交流短路电流进行融冰的方法。这种技术在各种电压等级的线路上有不同的特点。1.500KV线路系统可提供的短路电源电压涉及35、110、220、500KV[18]。表4-1给不了不同电压等级在不同长度500KV线路时刻提高的短路电流计需要的无功容量估算结果。表4-1500KV线路交流短路融冰估算结果融冰电源所取系统电压(kV)需融冰的500kV线路长度(km)100150200短路电流（A）容量(MVA)短路电流（A）容量(MVA)短路电流（A）容量(MVA)35722444812936122110226843215122881134216220453617923024115222688645001031089296873595351554465从表4-1中的计算结果可以看到，由于500KV线路多采用大截面及多分裂导线，需要的融冰电流很大，35KV和110KV电压做融冰电源，500KV线路中的短路电流不能达成最小融冰电流。220KV电压作融冰电源，短路电流可以达成融冰需要，但线路长度必须在一定距离之内，同时从计算结果可见，需要系统提供大量的无功。也许出现系统无法提供融冰所需的无功功率的问题。500KV电压作融冰电源，短路电流可以达成融冰所需要的电流，但需要的无功功率更大，且还必须考虑系统能否保持稳定运营[19]。2.220KV线路典型220KV线路不同条件下短路融冰所能获得的做大短路电流和需要的容量估算见表4-2需要说明的是，对于系统电源等值阻抗相对较大，因此，系统实际能提供的短路电流于表4-2相比也许会有较大的差别。表4-2220KV线路交流短路融冰估算结果导线类型及融冰电源所取系统电压(kV)需融冰的220kV线路长度(km)50100150短路电流（A）容量(MVA)短路电流（A）容量(MVA)短路电流（A）容量(MVA)单分裂导线35KM972594862932420单分裂导线110KM305358215272911018194单分裂导线220KM61072327305311642036776双分裂导线35KM1343816714144827双分裂导线110KM422080421104021407268双分裂导线220KM844032164220160828131072从表4-2的技术结果看可以看出，对于220KV线路，采用220KV电压作为短路电源可行性很差，采用35KV电压也有较大的局限性。110KV电压作为短路电源是也许的，单需要选择合适的电气距离和提供中国的无功补偿，从而控制系统电压在可接受范围。而对于大截面的分裂导线，由于需要的融冰电流大，而要电流的无功储备，实行困难。综上分析，220V线路的短路融冰方法需要根据系统条件，通过计算分析来选取。3.110、35、10KV线路对于110KV电压及以下线路，由于电压等级低，短路对系统导致的冲击小，选择性会灵活一些，可根据以下表格选择。表4-3110KV单分裂导线线路交流短路融冰估算结果融冰电源所取系统电压(kV)需融冰的110kV线路长度(km)4060100短路电流（A）容量(MVA)短路电流（A）容量(MVA)短路电流（A）容量(MVA)351175717834747028110369270324614691477281110*1135216988188783149110**62511957711049995*：带一台31.5MVA变压器，35KV侧短路**：带一台31.5MVA变压器，10KM的35KV线路，35KV侧短路。表4-4表4-5列举了35、10KV线路交流短路融冰估算结果，可见对于35KV及10KV线路，直接用同一级电压进行交流短路融冰操作。在低压配电网中，一般串接线路级变电站较多，可电源较难保障。表4-435KV线路交流短路融冰估算结果融冰电源所取系统电压(kV)需融冰的35kV线路长度（LGJ-95）(km)204060短路电流（A）容量(MVA)短路电流（A）容量(MVA)短路电流（A）容量(MVA)10569102855190335199312199660664400.4(LGJ-50)63.444.03222211510(LGJ-50)15862747079313735529915710(LGJ-35)11782041058910205393680310(LGJ-25)8811525744076292945086（三）.交流融冰技术方案1交流短路融冰方案设计原则交流短路融冰方案设计原则:（1）需考虑可行的电气途径、电网电压及稳定维持能力(无功储备)、电源/变压器容量等。（2）选择合适的电气距离提高足够的无功补偿，使系统电源在可承受的范围内。（3）防止融冰电源处的卞变穿越功率过载。（4）尽量不改变或少改变电网的正常运营方式，减少运营维护人员对开关、刀闸等元件的操作次数。（5）融冰短路电源点尽量选择主变容量较大、低压侧有无功电容器、附近有较多无功电源、负荷较易转移至其他地方、110kV侧和220kV侧均有旁路母线的变电站。2.融冰方案220kV沙塘侯寨线路为桂林地区的重要线路，考虑用110kV电压等级融冰，再根据线路阻抗计算的短路容量及分析交流短路融冰方案的设计原则，得出广西桂林地区220kV沙塘侯寨线路初步交流短路融冰方案，如图4-1所示。采用全电压冲击合闸方案。系统通过侯寨变的110kV母线对覆冰线路充电，融冰短路点设在220kV侯寨一沙塘线侧，融冰途径为侯寨变沙塘变。图4-3桂林地区220kV线路典型融冰方案侯寨变电站有2台主变，其容量90+120MVA,220kV不II110kV侧进出线采用双母带旁路主接线方式。两台主变并联运营，融冰前移走该变电站110kV侧的所有负荷。融冰线路上的保护采用临时定值[20]。计算结果:在侯寨变10kV侧投入无功率补偿装置18Mvar,融冰短路电流为950A,两台主变穿越功率约35+j175MVA，短路后侯寨变110kV侧电压0.88p.u,220kV侧电压为0.97p.u，沙塘变电压为1.04p.u。融冰期间耗电约35000kW·h，电费17500元。（四）.交流融冰技术的应用湖南电网采用交流融冰技术进行融冰的历史有2023以上。采用的方法基本是以变电站不限作为电源，对于220KV输电线路一般采用110KV母线提供电源，将110KV电压加在线路上，使线路电流达成导线融冰所需电流值，让导线在较大的电流下融冰[21]。历年湖南电网在防冻融冰期间该融冰技术都发挥了积极作用。特别是在2023年大范围冰害事故中，进行了近20次的交流融冰，为电网安全稳定运营发挥了积极作用。表4-5为2023年1月湖南电网交流融冰的部分情况。表4-52023年1月湖南电网交流融冰部分情况运营维护单位线路名称电压等级融冰起止时间常德电业局黄德线22014日1:00～3:00长沙电业局丛集线22016日23:14～17日1:00湘潭电业局荷白线22019日20:57～21:40怀化电业局平阳线22021日7:00～9:00长沙电业局丛集线22024日9:00～10:20湘西电业局岩万线22026日16:40～18:50湘西电业局岩万线22029日00:09～9：38长沙电业局威天线22029日3:43～6:46采用交流融冰措施时，护念平均天天只能安排1～2条线路融冰。在覆冰严重的时候，覆冰超过20mm的220KV线路有40多条，许多地市电业局申请融冰而无法安排[22]。其因素一部分是线路停运不能进行阻抗匹配。大部分线路是由于融冰方式无法安排，继而使导线覆冰情况加重，最终导致大量的线路断线。交流融冰技术的应用在目前存在以下局限性：（1）随着电网网架结构越来越复杂，交流融冰过程中所需要的系统融冰电流和容量也相应变大而难以满足。（2）交流融冰相应进行阻抗匹配，涉及的变电站越来越多、操作更加繁琐。（3）交流融冰过程中需要转供的供电负荷越来越多，而在低温气象环境下，负荷较大且难以转移，只能采用限负荷的方法，影响平常生产和生活。（4）配合交流融冰各种，电网在建设初级就要考虑融冰电源、短路点的建设，还需要增长建设融冰刀闸等设备，增大了电网初期的建设投资。（5）在覆冰情况严重时，短路融冰排队线路较多，难以完毕所有的融冰工作。（6）当变电站覆冰严重时，许多融冰刀闸不能正常操作，融冰工作无法正常进行。五、初步研究结论及拓展应用研究思绪（一）初步研究结论通过对以上各种除冰方法的比较分析可以得出以下结论：(1)积极除冰技术占除冰技术的主导地位，但需要外界提供能量或者附加机械力。(2)各种方法中，加热导线的热力除冰法最为完善,但成本高。机械法，机械除冰耗能少，成本低,但被动性强，效率低，工作强度大目受地形限制；除滑轮铲刮法在实际中已得到应用外，其余均未得到足够重视。由于热力融冰法和滑轮铲刮法价格昂贵，通