500 kV超高壓輸電線路負荷交流融冰研究

焦 震，杜 鵬，汪 曉，沈 楊，楊乃旗，周 凱

（國網安徽省電力有限公司檢修分公司，合肥 230000）

超高壓架空輸電線路覆冰是影響電力系統安全運行的災害之一，嚴重時會引起線路過載荷事故、不同期脫冰或不均勻覆冰事故、覆冰導線舞動等事故[1?2]。開展輸電線路除冰技術研究對保障電網正常運行具有重要意義。

目前國內外研究的主要除冰方法包括熱力融冰、機械除冰、自然除冰和混合除冰。其中：熱力融冰技術是指對輸電線路施加融冰電流，通過產生的焦爾熱，使線路覆冰加熱得以融化并脫落，主要包含交流短路融冰和直流短路融冰；機械除冰是指利用力學原理，破壞覆冰的受力平衡使其脫落，主要包括人工除冰、滑輪鏟刮除冰、機器人除冰等；自然除冰通過自然條件的變化除冰，主要包括覆冰重力、強風和自然溫升等。通過分析和比較，熱力融冰方法被認為是最為有效的防止電網冰災的方法，并廣泛應用于我國輸電線路除冰[3?6]。本文提出負荷交流融冰方法，通過增大負荷的方式，達到提升導線溫升而融冰的目的，負荷交流融冰方法的融冰線路處于帶電運行狀態，不影響電廠負荷的送出。

基于ANSYS軟件，本文以JLHA3?425絞線為例建立仿真模型，從熱力學原理對負荷交流融冰進行介紹，對施加融冰電流時的溫度分布情況進行研究，并分析覆冰厚度、融冰電流、環境溫度和風速等因素對融冰時間和最小融冰電流的影響[7?8]。通過安雙5375和安嶺5376線路的實例分析，驗證了負荷交流融冰的可行性。

1 有限元仿真及熱力學分析

1.1 仿真模型建立

仿真模型如圖1所示。圖中，導線外表面覆蓋冰層，冰層厚度和位置可以通過調整覆冰層半徑實現，并在導線覆冰模型外施加空氣域。本文以型號為JLHA3?425的500 kV導線為原型建立導線仿真模型，導線的股數為37股，每股線芯的直徑為3.83 mm，導線的外徑為26.81 mm，導線截面積為425 mm2，設置導線長度為200 mm，空氣域與覆冰層的間隙為10 mm。

圖1 仿真模型Fig.1 Simulation model

1.2 仿真參數設置及熱力學分析

本文仿真時需要綜合考慮電熱耦合、空氣流體和冰水相變問題，因此采用流體（fluent）分析和熱?電（thermal?electric）耦合分析。

熱傳學認為，凡有溫度差，就會有熱量自發地從高溫物體傳遞到低溫物體，負荷交流融冰正是基于此原理進行工作的。熱量傳遞主要有熱傳導、熱對流和熱輻射3種方式[9]。覆冰層與周圍的物體之間存在著熱輻射的熱量傳遞。由于仿真中幾乎不存在熱輻射，所以可以忽略，對整體結果影響很小。

輸電線路和覆冰層之間主要通過熱傳導進行熱量交換，線路產生的焦耳熱通過導線表面傳遞到覆冰層。設置導線通過總的負荷電流提供融冰所需焦耳熱，導線、冰層和空氣的材料參數如表1所示[10]。根據表中數據，設置導線的負荷交流電流，可以得到電流通過導線所產生的焦耳熱以及各部分之間的熱傳導。

表1 材料參數[10]Tab.1 Material parameters[10]

覆冰層和空氣之間主要是通過熱對流進行熱量交換，當覆冰層因為導線熱傳導引起覆冰層溫度上升后，覆冰層溫度高于環境溫度會通過熱對流進行散熱。因此，通過流體分析，獲取風速變化時覆冰層與空氣之間的換熱系數，用于熱?電耦合分析，可以獲得冰層和空氣之間的熱對流。

因為最小融冰電流是需要穩態時最終冰層溫度能夠達到0℃以上即認為達到融冰條件，此時電流即為最小融冰電流，所以采用穩態分析。融冰時間是需要獲得覆冰層溫度隨時間變化的情況，所以采用瞬態分析，通過流體分析并考慮冰水的相變。

當穩態分析時，通過流體分析設置環境溫度和風速，運行求解得到不同風速下的覆冰層與空氣的換熱系數，然后將流體分析求解的換熱系數結果作為熱?電耦合模塊分析的參數，并在導線的截面設置負荷電流和環境溫度，運行即可得到穩態溫度的仿真結果。當瞬態仿真時，通過電分析模塊分析得到不同時間線芯電流產生的焦耳熱，以其求解得到的覆冰層與導線界面熱量作為流體分析的熱參數，并設置冰、水參數和環境溫度，進行凝固&融化（so?lidification&melting）分析，運行仿真得到瞬態溫度分布和冰水相變結果。

2 結果分析

2.1 穩態仿真結果分析

以負荷電流800 A、風速5 m/s、覆冰厚度8 mm、環境溫度?5℃為例，覆冰導線截面的溫度分布如圖2所示。由于是穩態最終結果，所以是換熱平衡之后的結果。由圖可見，導線線芯的溫度最高，外層溫度逐漸降低，符合實際線路融冰情況，并且電流為800 A時穩態溫度較大，此時遠遠大于融冰條件。

圖2 溫度分布結果Fig.2 Distribution results of temperature

設置初始風速為5 m/s，覆冰厚度為8 mm，環境溫度為?5℃，分析只改變1個因素時線路的最小融冰電流的變化情況。

覆冰層外表面迎風側與空氣之間的換熱系數與最小融冰電流隨風速的變化如圖3所示。當風速不超過20 m/s時，隨著風速的增加換熱系數的增加逐漸變小，并且覆冰層外表面迎風側換熱系數與風速幾乎呈冪函數關系，可見風速越大冰層表面的換熱越強；最小融冰電流隨風速的增大而逐漸變大，且隨著風速的增大最小融冰電流的增幅逐漸減小，與換熱系數和風速的變化關系基本保持一致。這是因為風速會影響冰層表面的對流，風速越大換熱越快。

圖3 換熱系數和最小融冰電流與風速的關系Fig.3 Relationship of heat transfer coefficient and minimum ice melting current with wind speed

改變環境溫度時，仿真得到環境溫度與最小融冰電流的關系如圖4所示。最小融冰電流隨環境溫度的降低而逐漸變大，且隨著溫度降低最小融冰電流的增幅變小，近似呈冪函數的關系。這是因為環境溫度會影響到冰層表面的對流和輻射熱損失，環境溫度越低，冰層表面的對流和輻射熱損失就越大，所需要的融冰電流就越大。

圖4 環境溫度與最小融冰電流的關系Fig.4 Relationship between ambient temperature and minimum ice melting current

改變冰層厚度時，仿真得到冰層厚度與最小融冰電流的關系如圖5所示。最小融冰電流隨冰層厚度的增大而逐漸變大，并且近似呈線性關系。這是因為冰層厚度會影響熱傳導，冰層越厚熱傳導所需時間越長，冰層融化所需的融冰電流也就越大。

圖5 覆冰厚度與最小融冰電流的關系Fig.5 Relationship between ice thickness and minimum ice melting current

由上述分析發現，當線路的負荷交流大于最小融冰電流時，導線覆冰層開始融化。

2.2 瞬態仿真結果分析

以負荷電流800 A、風速5m/s、覆冰厚度8 mm、環境溫度?5℃為例，運行10 min時覆冰相變和溫度分布如圖6所示。對于冰水相變，設置結果為0時表示形態為冰，結果為1.00時表示融化為水。由圖6可見：此情況下10 min時覆冰層開始融化，并且與線芯接觸的覆冰層首先融化。運行60 min時覆冰相變和溫度分布如圖7所示。由圖7可見，覆冰層溫度大部分高于0℃，冰水相變結果與溫度分布結果一致，內層幾乎完全融化。

圖6 10 min瞬態仿真結果Fig.6 Transient simulation results at 10 min

圖7 60 min瞬態仿真結果Fig.7 Transient simulation results at 60 min

為了保證冰層融化，設置瞬態仿真初始負荷電流為1 000 A，風速為5 m/s，覆冰厚度為8 mm，環境溫度為?5℃，只改變其中1個因素，分析融冰時間的變化情況。

風速和環境溫度與融冰時間的關系如圖8所示。可見：融冰時間隨風速的增大和環境溫度的降低逐漸變長，并且近似呈指數關系；當達到臨界風速和臨界溫度的時候，冰層不會融化。這是因為風速和環境溫度會影響冰層表面的對流，當冰層表面損失的熱量大于或等于導線的焦耳熱時，冰層不會發生融化。

改變冰層厚度時，仿真得到冰層厚度與融冰時間的關系如圖9所示。如融冰時間隨冰層厚度的增大逐漸變長，并且近似呈線性關系。這是因為冰層厚度會影響熱傳導的進行，冰層越厚熱量傳導所需時間越長，冰層融化所需時間也越長。

圖8 風速、溫度與融冰時間的關系Fig.8 Relationship of wind speed and temperature with ice melting time

圖9 覆冰厚度與融冰時間的關系Fig.9 Relationship between ice thickness and ice melting time

改變負荷電流時，仿真得到負荷電流與融冰時間的關系如圖10所示。可見：融冰時間隨負荷電流的增大而逐漸變小，近似呈指數關系；并且存在臨界負荷電流，當負荷電流小于該臨界電流時，冰層不會發生融化。這是因為負荷電流越大，導線產熱越多，冰層融化越快，當負荷電流產熱小于冰層散熱時，冰層不會發生融化。

圖10 負荷電流與融冰時間的關系Fig.10 Relationship between load current and ice melting time

3 實例驗證分析

根據上述結果，對500 kV安雙5375和安嶺5376線路進行負荷交流融冰，驗證負荷交流融冰的可靠性。

在2020?01?16T07：00對安雙5375和安嶺5376線路進行巡視，發現線路出現覆冰情況，覆冰情況比較嚴重，需要進行融冰。2020?01?16T15：00，對安嶺5376線路58號—59號覆冰區段巡視，導地線、絕緣子及桿塔覆冰厚度1～2mm，線路局部覆冰厚度達10mm，現場溫度0.2℃，風速1.62 m/s。為了達到快速融冰的效果，選擇調整線路總負荷電流為1 700 A進行線路融冰，安嶺5376負荷如圖11示，截止2020?01?16T16：31，經過91 min，導線覆冰全部脫落。

圖11 安嶺5376負荷Fig.11 Load of Anling 5376 line

2020?01?16T23：00對安雙5375線路58號—59號覆冰區段巡視，導地線、絕緣子及桿塔有1～2 mm覆冰，線路局部覆冰厚度達13 mm，現場溫度0.1℃，風速1.11 m/s。為了達到快速融冰的效果，選擇調整線路總負荷電流為1 700 A進行線路融冰，安雙5375負荷如圖12所示。至2020?01?16T01：30，經過150 min，導線覆冰全部脫落。融冰前后的導線如圖13所示。

圖12 安雙5375負荷Fig.12 Load of Anshuang 5375 line

圖13 融冰前后的導線Fig.13 Wire before and after ice melting

因為安雙5375覆冰厚度更大，所以在同樣負荷電流情況下融冰時間更長，并且現場環境因素更復雜，融冰時間要略長于仿真所得數據。500 kV安雙5375和安嶺5376線路融冰實例驗證了負荷交流融冰的可行性，并且為了快速融冰需要綜合考慮覆冰厚度、溫度和風速因素，設置負荷電流時由于實際運行線路工況的復雜性，可以基于仿真結果選擇更大的負荷電流進行融冰。

4 結論

本文建模分析了高壓輸電線路負荷交流融冰的影響因素，主要結論如下。

（1）最小融冰電流與風速和環境溫度近似呈冪函數關系，與覆冰厚度呈線性關系。

（2）融冰時間與風速、環境溫度和負荷電流呈指數關系，并且存在臨界風速、溫度和電流，當越過臨界線時冰層不會發生融化。

（3）融冰時間隨冰層厚度的增大逐漸變長，并且近似呈線性關系。

（4）通過500kV安雙5375和安嶺5376線路的應用，驗證了負荷交流融冰的可行性。