新型內嵌式地線融冰電流計算

胡楊昊+易靈芝+趙純

摘要：本文針對湖南電網研發的新型內嵌式地線地線新型直流融冰技術，提出地線直流融冰的所涉及的兩個重要的參數（臨界融冰電流和最大融冰電流）概念和計算方法。基于有限元法，以GJ-70電線為模型，建立3D熱-電耦合仿真模型，仿真得出不同氣候、溫度條件下的臨界融冰電流，以及地線正常運行所允許的最大電流，與試驗人員得出的實驗數據進行對比，進一步驗證這種融冰技術的優越性，并為運行人員有效的融冰電流范圍提供了參考依據。

關鍵詞：有限元;直流融冰;新型地線;臨界融冰電流;最大融冰電流

中圖分類號：TM726.3???????文獻標識碼：A???????文章編號：

Current?calculation?model?embedded?wire?melting?ice

Hu?–Yanghao，?Yi-?Lingzhi，??Zhao-Chun

（Electric?Power?Company?of?Hunan?Province?Electric?Power?Research?Institute，?Hunan，?Changsha?410007）

（Xiangtan?University，?Hunan?Xiangtan?411005）

Abstract：?In?this?paper，?novel?embedded?ground?wire?in?Hunan?power?system?research?and?development?of?new?DC?ice?melting?technology，?put?forward?two?important?parameters?involved?ground?DC?ice?melting（the?least?ice-melting?current?and?the?max?allowed?current）concept?and?calculation?method.?According?to?the?configuration?GJ-70?wire，?a?3D?thermal-electric?coupled?simulation?model?of?wire?covered?with?ice?was?constructed?based?on?finite?element?method（FEM）?using?ANSYS?software.?Simulation?of?the?ice?melting?current?critical?different?climate，?temperature，?and?maximum?current?allows?the?ground?running，?compared?with?experimental?data?obtained?by?test?personnel，?further?verify?the?superiority?of?the?ice?melting?technology，?and?for?the?operating?personnel?effective?ice?melting?current?range?offers?reference.

Key?words：?FEM?;DC?ice-melting;?earth?wire?;the?least?ice-melting?current;?the?max?allowed?current

1.?引言

在2005年和2008年兩次雨雪冰凍災害中，出現了大量的輸電線路地線斷線事故。以2008年的冰災為例，湖南省電力公司500kV線路地線斷線322處，220kV線路地線斷線432處，110kV線路地線斷線1017處。地線發生事故以后，一方面造成了電網通訊中斷;另一方面，由于地線斷線后跌落在導線上，使導線接地，造成線路跳閘，從而導致線路停運。

針對地線的復雜情況與目前地線融冰技術的空白，為保證電力系統發電、變電、輸電、配電的防凍融冰工作切實有效的開展，研究地線融冰方法必然是一個戰略性的發展方向。為尋求一種方便、經濟的融冰方法，湖南電網擬針對地線特點，提出一種新型的地線融冰方案-內嵌式地線融冰。

1熱力學方程

1.1熱傳導方程

邊界條件設定：在本模型中，選中覆冰層最外層面，設定其對流邊界條件，對流系數為15.687W/m-℃（風速為3m/s），環境溫度為-3℃。材料參數如表1所示。

2?導線覆冰仿真模型

2.1內嵌式融冰地線的結構及參數

進行內嵌式地線融冰，需將地線更換為內嵌式地線，內嵌式地線的原理為：將普通的鋼絞線中的2股或多股鋼線替換為絕緣銅線，為了確保地線在施工中絕緣層不至于損壞，需在絕緣銅線外面加上一層鋼帶，以保護絕緣銅線。

本文模型中使用ANSYS（有限元分析軟件）的SOLID227熱-電耦合單元（三維10節點耦合單元），根據表2的地線參數建立3D熱-電耦合分析模型，能夠求得施加電流載荷之后的覆冰導線內部的溫度分布，比其他熱分析方式更加精確、方便。圖1給出了搭建的3D覆冰導線仿真模型。

材??料

電導率（20℃）（S/m）

熱導率（W/m-℃）

比熱（J/KJ-℃）

密度（kg/m?）

鋼芯

2106

45

481

7872

銅

383

390

8899

交聯聚乙烯

0

0.41

2500

940

空氣

0

0.026

1007

1.1614

冰

0.01

2.26

2100

900

公稱直徑/mm

1×19

鋼絞線

銅?線

絕緣層

鋼帶

全部鋼絲

斷面面積

mm2

全部銅線

斷面面積

mm2

參考重量

Kg/100m

2.50×13

1.60×6

1

0.4

63.81

12.06

66.30

表1?材料參數????????????????????????????????????表2??內嵌式融冰鋼絞地線參數表

3融冰電流的計算分析

3.1臨界融冰電流

能夠使覆冰導線在一定的外部溫度和風速的影響下，通入能夠使覆冰開始融化的電流，我們稱之為臨界融冰電流。穩態分析過程中，為了使導線外層的覆冰開始融化，一般導線與外層覆冰層接觸處溫度保持1℃以上即可。

電流載荷施加：6根銅線在進行融冰時分成兩組，一側短接，另一側接入直流電流，利用通流后的熱效應使地線升溫從而使地線覆冰融化。首先選中銅導線的一個斷面，施加零電位，另一端進行電位耦合，施加13A的電流。即3根銅導線施加約39A電流。?經過ANSYS軟件仿真分析后，能夠得到覆冰導線的溫度分布云圖如圖2所示。從圖2中可以看出鋼芯溫度最高，從鋼芯向冰層外部逐漸降低。

圖1??覆冰地線3D仿真模型???????????????????????圖2?臨界電流仿真溫度分布云圖

圖3中給出了溫度半徑的變化圖，由圖3中可以看出溫度隨著地線半徑變化的趨勢，鋼芯部分最高溫度達7.?23℃。在4mm至6mm之間為外層鋼導線，其溫度變化不大，基本接近3℃。6mm處為地線和覆冰層接觸界面，溫度為1℃左右。至16mm為外層覆冰，溫度逐步減低，至覆冰層最外層溫度為0.3℃左右。設定不同的覆冰厚度、環境溫度和風速，求出一組臨界融冰電流曲線。

在一般的情況下，如果輸電線路已經架設好，其地線的型號一般不會更改，如果需要確定覆冰地線的臨界融冰電流值，只要知道導線所處的氣象條件即可。

圖3???溫度隨附覆冰地線半徑的變化圖（位置/m）

從圖4的臨界電流計算結果可以看出，在覆冰厚度不變的條件下，隨著環境溫度的降低，融冰電流基本呈步進增加。隨著風速的增加，融冰電流呈非線性增長。由于對流系數的影響，在3m/s至9m/s斜率比較大，之后的增長趨于平緩。從圖5可以看出，風速固定不變時，融冰電流隨環境溫度升高而減小，基本呈線性關系。當環境溫度為固定值時，融冰電流隨著覆冰厚度增加而增大。

圖4??覆冰厚度為10?mm時臨界電流計算結果?????圖5風速為3m/s臨界融冰電流的計算結果

3.2最大允許融冰電流

給覆冰導線通入一定電流，使其在在一定的外部環境和風速的條件下開始融冰，但是其導線內芯的最高溫度不能高于70℃的條件下，所允許的最大電流值我們稱之為最大融冰電流。國家規定地線最大融冰電流一般不超過100℃。

計算最大融冰電流的方法：導線在沒有覆冰的條件下，在一定的外部溫度和風速中，給導線通入電流，以3A為步進，當導線的鋼芯內部的最高溫度高于100℃，我們稱之為最大融冰電流，最大融冰電流仿真結果如圖6所示。本文參考的最高限定溫度為100℃。最大融冰電流計算結果如表3所示。

環境溫度

圖6??最大融冰電流仿真溫度分布云圖

在不同的外部條件下，最大融冰電流和臨界電流之間的可調范圍不同。為了得到融冰電流的調節范圍。本文選取覆冰厚度20mm，計算出不同環境溫度和風速下，最大融冰電流和臨界電流的比率。

從表4中可以看出，當覆冰厚度為20mm時，外部環境溫度不變，隨著風速的增大，最大電流與臨界電流比率增大，最大可達2.582，可調節范圍大。當風速固定不變，其比率隨著外部環境溫度降低而減小。最小為1.347，可調節范圍小。

環境溫度

表4最大電流和臨界電流比率

4試驗數值與計算結果對比分析

本文在低溫氣候實驗室進行了融冰試驗，模擬風速3m/s，環境溫度-3℃;以及風速5m/s，環境溫度-5℃等覆冰氣象條件。對覆冰導線通入融冰電流，并逐漸增大，記錄覆冰開始融化時的電流，即為臨界融冰電流試驗值。并與計算值進行對比如表5所示。

從表5中可以看出，計算值往往要大于試驗值，并且有一定誤差。這是由于本文中假定導線外部覆冰是均勻的、邊界條件以及對流系數的設定采用經驗值，而且忽略了輻射散熱對融冰過程的影響。這些因素都造成仿真結果和實驗數據之間的差距，但兩者之間相差不大。能夠比較好的驗證臨界融冰電流的可靠性。實際融冰過程中，如銅導線的電流大于上述表中值，即可實現融冰。

參???數

試驗值

計算值

試驗值

計算值

表5???GJ-70地線融冰導線臨界電流對比表

5結論

對于地線的融冰電流的仿真分析設計到多個學科的綜合知識運用，不僅包括電氣，還需要一定的熱學知識基礎。本文通過對GJ-70地線進行建模和仿真。運用ANSYS有限元分析軟件，在不同的覆冰厚度前提下，設置不同溫度和風速條件，對架空地線融冰的臨界電流和最大融冰電流進行分析和對比，可以得出以下結論。

（1）?臨界和最大融冰電流隨著環境溫度的降低而呈單調增加趨勢，電流與環境溫度的變化基本呈線性關系。

（2）?當風速增大時，所需要的融冰電流也增大;當外部環境的溫度降低時，所需要的融冰電流也會增大。臨界和最大融冰電流與風速變化呈現出非線性關系。

（3）隨著覆冰導線外部環境越惡劣，最大融冰電流和臨界電流可調范圍逐漸減小。

本文針對地線的融冰電流計算，通過ANSYS軟件對其進行仿真分析是合理的，仿真和試驗得出的結果相差不大，具有一定的參考價值和可信度。但本文的仿真結果及計算數據還需要更多的試驗數據對比和改進。為了獲得更準確的數據，還需要更進一步的改進數值計算方法。

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