架空地線的絕緣化改造及融冰方法

陳義剛，范松海

(1.四川省電力公司，四川 成都 610041;2.四川電力科學研究院，四川成都 610072)

0 概述

最近幾年，輸電線路冰災事故頻發，給電力系統帶來巨大的經濟損失。2008年冰災，造成全國范圍內電網因冰災停運的電力線路計39 033條，造成了數以千億的經濟損失［1－3］。2011年年初，連續的冰雪災害造成四川電網500 kV布坡高壓線倒塔兩基，使二灘、瀑布溝等重要水電送出通道癱瘓。2011年12月10日，四川月普一、二線發生了因冰災斷線倒塔的事故。2012年年初，布坡線又發生了倒塔斷線事故。

2008年年初中國南方大面積冰災后，通過分析和比較，國家電網公司和南方電網公司均把短路融冰作為防治電網冰災的主要方法，相繼投入了大量的人力、財力和物力研究以及開發短路融冰方法和裝備［5］。四川省電力公司于2011年在普提站和東坡站裝設了兩套直流融冰裝置，2012年又計劃新安裝3套直流融冰裝置。

但是，由于架空地線沿線分布接地特性，不能直接采用短路融冰，這導致架空地路除冰成為難點。而架空地線處在輸電線路的上方，其覆冰往往比輸電線路更嚴重。2011年年底，普洪三線實施直流融冰之后，無法恢復送電，后在巡線時發現，該輸電線路的某一段地線出現斷線，折斷的地線搭在輸電線路上，從而導致輸電線路無法恢復供電。在2012年年初，又出現了兩次地線斷股斷線事故。地線除冰已成為當前輸電線路防冰減災的緊迫課題。下面提出了通過對架空地線絕緣化改造，使架空地線具備融冰條件，采用交流電源提供融冰電流，可以實現輸電線路帶負荷除去架空地線的覆冰。

1 架空地線覆冰的危害性

1.1 架空地線在冰荷載的作用下出現斷股、斷線

如果冰荷載超過了架空地線的機械強度，架空地線就會出現斷股、斷線［6］。折斷的地線可能懸空或直接搭在輸電線路上，易造成輸電線路對地線放電或直接短路故障，使輸電線路無法正常輸電。此外，架空地線的斷線也會造成輸電線路力學體系失衡，為桿塔傾斜甚至倒塌埋下隱患。

1.2 架空地線在冰荷載的重力作用下弧垂過低

由于冰荷載的重力作用，架空地線將比無覆冰時的弧垂要低，弧垂降低的程度取決于冰荷載的重力和架空地線本身的彈性模量。一般來說，架空地線與同走廊的導線的彈性模量不會有太大差別。同一地段的導地線覆冰也相差不會太大，故在一般情況下，可以粗略地認為地線和導線的弧垂近似一致，二者之間的間距也基本恒定。但是，弧垂過大，再加上覆冰導線特殊的空氣動力特性，容易導致導地線發生舞動，因而增加了導地線之間放電的風險。此外，當導線實施融冰之后，導線因冰荷載的釋放而恢復正?；〈梗鼐€由于無法實施除冰，其與導線之間的距離可能會小于安全距離，這將會導致導地線之間的放電甚至直接放電，如圖1所示。

圖1 架空地線因弧垂過低與輸電線路放電

2 架空地線的融冰方案

由于架空地線與塔直接連接，沿線分布接地，因而不能通過融冰電流。要對架空地線實施融冰的前提條件是要對其進行絕緣化改造［7－8］。改造的目標是讓塔與地線之間相互絕緣。改造的方式是在塔與地線之間安裝絕緣子，使架空地線與塔之間通過絕緣子相連，從而隔斷了塔與地線之間的電氣連接(如圖2所示)。在地線兩端的變電站，架空地線通過一個開閘后接地。在正常運行的時候，隔離開關處在合閘位置，使架空線在變電站內接地。而在融冰狀態，使隔離開關處在斷開狀態，電源端變電站對架空地線通融冰電流，在對側變電站使兩地線直接短接，融冰電流通過兩架空地線形成回路，從而達到融冰的目的。

圖2 架空地線的絕緣化改造

2.1 架空地線融冰電流的選擇

架空地線融冰與導線融冰原理是一致的。如圖3所示，架空地線通融冰電流后，將產生焦耳熱。焦耳熱一部分用于加熱地線，使其溫度升高。焦耳熱的另一部分則傳遞至冰層內表面。在冰層內表面上，一部分熱量用于融冰所吸收的潛熱，另一部分則傳導至冰層外表面，使冰層外表面的溫度上升至Ti。由于冰層外表面的溫度Ti大于環境溫度Ta，所以，冰表面將以對流傳熱和輻射散熱的方式向周邊的空氣中散失熱量。而對流傳熱和輻射傳熱是由風速和環境溫度控制的，所以，導地線融冰也受風速和環境溫度的影響。根據融冰過程中熱傳遞過程，可以得到式(1)～(4)的融冰電流計算公式［1－5］。

圖3 融冰的熱平衡示意圖

表1 幾種型號地線的融冰電流及電源容量va=5 m/s;Ta=－5℃ ;di(覆冰厚度)=10 mm;t=60 min

對于交流，由于存在趨膚效應，地線的線電阻率計算式為

式中，rdc為地線的直流電阻率，Ω/m;rac為地線的交流電阻率，Ω/m;ys的計算式為

式中，f為電流的頻率，Hz;ks為導線的結構系數，對于地線，ks=1。

將地線的直流電阻率rdc和交流電阻率rac分別代入式(1)～(4)，即可分別得到地線的直流融冰電流Idc和交流融冰電流Iac。

直流融冰電源的容量(Sdc)可由以下公式確定。

式中，Sdc為直流融冰的電源容量，V·A;rT為地線在溫度T℃時的電阻率，Ω/m;Lc為融冰導線的長度，m。

交流短路融冰電源容量為

式中，l為單位長導線電感，H/m。

根據以上計算方法，可得到幾種型號地線的融冰電流及電源容量，如表1所示。由表1數據可知，由于地線的電阻較大，采用交流融冰時，有功消耗為主，無功消耗相對較小。故從成本和方便的角度考慮，架空地線融冰宜采用交流融冰。

3 架空地線融冰改造的實施方法及其影響

3.1 架空線路絕緣化改造的方法

由表1數據可知，對于架空地線融冰，線路壓降不大，100 km線路壓降小于20 kV，故線路改裝相對較為容易，可以考慮采用輸電線路不停電改造。

但是，帶電改造過程中，要考慮到地線可能會折斷并與輸電線路短路。在短路瞬間，地線會有短路電流通過。大短路電流可能會使地線瞬間溫度上升，從而可能會燒傷操作人員，故線路改造技術人員一定要帶防燒傷手套。

3.2 架空線路絕緣化改造后對防雷的影響

架空線路絕緣化改造后，除在兩端變電站接地外，中間塔位處不再接地，當雷落在輸電線路中間斷的地線上時，會增加線路反擊雷的概率。因此，為防止落在地線上的雷反擊導線，在不覆冰的季節，建議將雷區地線恢復接地。

4 結語

(1)要對地線進行融冰，要對其進行絕緣化改造，改變其沿線分布式接地特性，使地線具備通融冰電流的條件;

(2)由于地線電阻遠大于同走廊導線電阻，故在通融冰電流的情況下，電源容量主要提供有功消耗?？紤]到經濟成本和方便性等因素，建議采用交流融冰方法;

(3)地線絕緣化改造后對防雷有一定的影響，因此在雷季的多雷區線路，建議將絕緣化改造的線路恢復接地。

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