抗冰導線的設想

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(1.廣西電網公司興安供電公司，廣西 桂林 541301； 2.賀州學院，廣西 賀州 542899)

1 引言

興安縣位于桂北地區，冬季最低氣溫在零度左右，加上是海拔較高，處于迎風面上，空氣中的水份較大。在冬季氣溫低于5℃時，高山(微地形)導線易結冰，每年抗冰保電工作都要花費較大的人力物力和財力。在電網運行維護管理中，筆者與同事們希望通過研制一種抗冰導線，以提升導線的除冰效率、降低每年抗冰保電的工作強度。

當前，對于導線覆冰，桂北地區主要采用的技術手段是，對重冰區、中冰區的線路按南方電網《35kV及以下架空電力線路抗冰加固技術導則》的要求進行線路抗冰加固。在冬季出現嚴重覆冰時，35kV及以上電壓等級的線路采用直流融冰,中低壓線路常用的除冰方法是麻繩除冰、用竹竿敲冰等人工除冰方法。10kV線路分布點多面廣，線路上帶有較多的配電變壓器，采用直流融冰的方法對某條線路進行融冰時，需斷開該條線路所有分支配變，且僅能對該線路的主干線進行融冰或分段進行支線融冰，在融冰準備上花的時間過長,有時甚至超過人工除冰的時間,因此很多10kV線路只能采取人工除冰。但容易結冰且覆冰最嚴重的地方往往是高山大嶺的風口、地形復雜的河邊等交通不便利之處，人力除冰效率較低，且存在較大的交通安全隱患。

2 導線結冰的形成機制

當冬季氣溫在±5℃之間時，雨夾雪或陰濕天氣時，線路上面負荷不大的話，導線運行的發熱量無法將接觸到導線上面的過冷雨滴、云霧滴及水汽加熱至4℃及以上，就會有部分凝結成冰粘在導線上，然后再把繼續下的雨、雪粘在導線，就像“澆”蠟燭油一樣，導線上面的冰最后越結越粗。隨著導線上面的覆冰增加，桿塔承受的靜載荷也就越來越大，同時導線因覆冰受到的風載荷也增加，導線及桿塔上承受的機械負載就遠超過平時，同時由于耐張桿塔由于前后不同段導線上的覆冰不同，每端承受的導線拉力也會不一樣。長時間承受超過設計強度的機械應力，最后會出現斷線、倒桿塔的電力事故發生。

在覆冰時，風速也會影響到覆冰的大小。風引起導線擺動，會“甩”開部分接觸到導線的過冷水滴。根據參考資料，導線上面的冰與風速有較大關系，圖1是參考資料上導線在-5℃進行風洞試驗時不同風速下的導線冰型。

從圖1可知，環境風速低于10m/s，不利于導線產生覆冰[1]。

圖1 導線冰型

3 抗冰導線的構成及工作原理

3.1 抗冰導線的結構

根據導線結冰的過程分析，要想減少導線覆冰厚度，一個方法是減少環境風速，這只能運用在設計階段，在線路路徑選擇時避開山口等風速較大的地段，或對此地段的線路進行加強設計，另一方法是在于環境溫度為+5℃～-5℃這個溫度區間時，線路運行導線散發的熱量能防止雨雪在上面凝結，本文設想的抗冰導線采用的就是這種方法。因此，在環境溫度為+5℃至-5℃這個溫度區間時，只需要導線的發熱量足夠，導線表面不利于液態及固態水停留，就能達到導線抗冰的目的。我們設想的抗冰導線結構如圖2所示。

圖2 抗冰導線結構圖

減少覆冰的原理是通過增加導線發熱量,將與導線相近的冰升溫成液態水,由于導線表面為光滑的憎水基材料,冰由于自身重力從導線上面掉下來。

其中，感應線圈的材料可以采用鎳鐵合金等電阻率較大的導體材料，含憎水基的外絕緣層可以使用交聯聚氯乙烯這類的絕緣材料。

3.2 抗冰導線電氣接線原理

為使抗冰導線在環境溫度處于+5℃～-5℃這個溫度區間時，有足夠的發熱量，筆者設想的的抗冰導線電氣接線原理圖如圖3所示。

圖3 抗冰導線電氣原理圖

抗冰導線的感應發熱線圈在線路耐張桿塔與中間的導線連接,一端是直接連接,另一端通過一大電阻與溫度控制回路的并聯電路連接,溫控觸點K1在高于+5℃時斷開,溫控觸點K2在低于5℃時斷開，其中R1的阻值遠大于R2。

在目前的技術水平下，類似于電飯鍋上面的溫控觸點開關技術上已經成熟，此類開關的價格也比較便宜。線路在運行時，導線有工頻電流流過，在感應線圈產生一個感應電壓，當氣溫在非凝凍溫度時，即高于+5℃或低于-5℃時，上述電路的虛線部分總有一個溫控觸是斷開的，感應線圈、大電阻R1與導線形成回路，由于此時R1的阻值很大，因而感應線圈回路電流的很小，發熱量也很小；當氣溫在+5℃～-5℃之間時，溫控觸點K1、K2均閉合，由于溫控回路的電阻遠小于大電阻R1的阻值，R2通過K1、K2與R1并聯后，與感應線圈、導線形成回路，回路流過的電流較大，發熱量也較大，將有效的防止產生覆冰。

對于采用抗冰導線引起的電感及電容效應，主要通過減少感應發熱線圈匝數，盡量將電感與電容帶來的影響抵消，并使線路整體保持在容性狀態。

4 抗冰導線的設計和運維要點

為了適應各種長度耐張段及各地區溫度、濕度的差異，抗冰導線在使用時，R2應該通過計算驗證，合理確定R2的阻值。

由于感應線圈不能開路，否則會如同開路的電流互感器樣會產生較大的感應電壓，所以該應線圈必須與電阻R1可靠連接。為防止溫度在高+5℃或低于-5℃時，過高電壓擊穿斷開狀態的溫控觸點，必要時可在R2、K1、K2回路中增加一個并聯電容。

溫控觸點組成的電路，也就是圖中虛線所圈的部分，應制成一個整體，以便使用絕緣操作棒對其進行帶電安拆。每年冬季來臨前帶電將其拆除，并進行檢修，確保部件運行的可靠性。

為提高控制的可靠性，防止出現感應電流燒壞溫控觸點事故的產生，此回路也可以用晶閘管來代替，觸發器可以是用555集成電路組成的大占空比觸發電路，如有智能信息化的要求，也可以通過單片機組成的控制電路，在電路動作時向后臺監控電腦發信息。不過，我認為控制電路在能滿足控制要求的前提下，應該越簡單越好，因為這樣可以降低造價、提高運行可靠性，方便檢修與維護。

5 抗冰導線的應用范圍

南方電網公司的《35kV及以下架空電力線路抗冰加固技術導則》指出在以下幾種微地型地段更易形成線路覆冰[2]：

(1)高出當地凝冰高度的地區；

(2)促使覆冰增速的埡口、風道地段；

(3)迫使覆冰氣流抬升、過冷卻水滴增多的長緩坡地段；

(4)使覆冰增長期加長的地段；

(5)冬季水汽充足的河流、湖泊等潮濕地區；

(6)形成局部沉積型覆冰小氣候的封閉低洼的盆形地區。

建議在上述易覆冰的微地形優先進行應用，主要安裝在負荷較少的分支線路上面。

6 結論和建議

由于抗冰導線構成也就比目前的10kV架空絕緣導線多一層發熱線路圈和憎水基絕緣涂層，造價增加不多，而溫度導通控制器與線夾相對線路工程來說造價也不高，故對于抗冰導線線路相對普通導線路增加工程造價很微小。

由于抗冰導線僅在零度低溫時消耗電能進行防冰，故在全年運行中，抗冰導線增加的線損率依然很低，且日常并不需要過多維護，因此增加的運行費用也很少。但通過采用抗冰導線，將不需要進行人工除冰，也減少了由于覆冰引起的斷線斷桿事故，降低了維護和修理費用。綜上所述，采用此類抗冰導線的工程一次投資造價雖比采用普通導線的造價略有上升,且會引起線損率的輕微升高，但卻可以降低每年冰凍期間的除冰成本，并取得良好的除冰效果，且平時運行維護簡單,運維費用較低。若抗冰導線能夠研制成功并在冰凍區域的中低壓線路上得到廣泛使用，必然會取得較大的經濟效益和社會效益。

由于條件限制，我們只能提出設想，尚無法制造出實際的抗冰導線，因此僅在提出抗冰導線的設想，希望能為中低壓線路冬季運行維護提供一些方法和思路。由于在導線上增加感應線圈所帶來的電容和電感效應對電能質量等方面造成的影響尚無法通過試驗得出結論，故需要在試驗和運行過程中進一步驗證和改進，以便達到設想的要求。

[1] 肖正直,晏致濤,李正良,等.八分裂輸電導線結冰風洞及氣動力特性試驗[J],電網技術,2009,5(33):90-94.

[2]Q/CSG11501-2008,35kV及以下架空電力線路抗冰加固技術導則[S].