500 kV超高壓輸電線路負荷交流融冰分析

何相升，羅 剛，胡龍江，張山河，張 燦

（國網湖北省電力有限公司 超高壓公司，湖北 襄陽 441000）

0 引 言

超高壓鉸孔輸電線路覆冰是影響電力系統穩定運行的因素之一，該現象嚴重時還會導致線路出現超載荷、不均衡覆冰以及不同時間脫冰等問題，采用輸電線路除冰技術能夠有效保障電網安全運行。目前，國內外集中研究項目有混合除冰、機械除冰、自然除冰以及熱力融冰。其中機械除冰是通過力學原理不斷降低覆冰承受力，使其能夠自動脫落，主要使用手段有滑輪鏟刮和人工除冰法。自然融冰是在自然條件下集中除冰，如借助自身升溫、強風等。熱力融冰技術是將融冰電流增加到輸電線路中，以此產生焦耳熱，促使線路覆冰融化脫落，主要包括直流短路和交流短路融冰方法。通過實踐分析和比較，熱力融冰法是目前最有效預防電網出現冰災的方法，已經被廣泛應用到輸電線路的除冰工作中。

1 仿真模型及熱力學

仿真模型導線的表面覆蓋了一層冰層，集中調整覆冰層半徑后，可以就此改變冰層厚度和實際位置，同時在導線覆冰模型外部添加一定的空氣域[1]。針對500 kV JLHA3-425型導線進行研究，一共有37股線芯，每一股線芯直徑在3.83 mm左右，導線截面積約為420 mm2。同時，將導線長度設定為200 mm，空氣域和覆冰層之間的距離保持在10 mm左右。

本次仿真模型綜合考量了空氣流體、電熱耦合與冰水相變之間存在的問題，使用流體與熱電耦合進行分析。熱傳學提出，如果存在一定溫差，其中的熱量會自動從高溫處傳遞到低溫處，負荷交流融冰的工作原理也是如此。熱量的傳遞主要是通過熱輻射、熱對流以及熱傳導3種形式進行[2]。因為仿真模型中沒有存在相應的熱輻射現象，所以忽略不計。覆冰層和輸電線路之間的熱量交換形式主要為熱傳導，當線路中產生一定的焦耳熱后，該熱量就會順著導線表面進入到覆冰層中[3]。設置導線通過總的負荷電流提供融冰所需的焦耳熱，具體參數見表1。

表1 不同材質的參數

按照參數預設導線負荷交流電流的實際數據，以此得到電流在導線中產生的焦耳熱，包括各方面之間產生的熱傳導數據。

覆冰層與空氣間的熱量交換形式主要是熱對流方法，在導線熱傳導作用下，覆冰層溫度逐漸提高，整個溫度超過周邊環境溫度就會在熱對流下散熱。通過流體分析法計算風速變化情況，得到覆冰層與空氣之間產生的熱量交換數據，并將其加入到熱電耦合解析中，進而得出冰層和空氣之間的熱對流。

當最小融冰電流處于穩定狀態時，最后的冰層溫度可以超過0 ℃，則達到了融冰條件。針對最小融冰電流，應使用穩態分析法來掌握融冰條件。對于融冰具體時間，還要了解覆冰層溫度在時間變化下的狀態，使用瞬態分析法和流體分析法可以得到冰水的相對變化數據[4]。

在穩態分析下，結合流體分析方法來調整覆冰層周邊的溫度和風速，同時在實際運行中得到不同風速數據指標下覆冰層和空氣之間的熱量交換數據，之后將流體分析法計算出的熱量交換數據作為熱電耦合模塊的數據參考，同時調整好導線截面的環境溫度和負荷電流，在穩定運行溫度中得到仿真模型運作結果[5]。在瞬態仿真下，計算線芯電流在時間不同的情況下所產生的焦耳熱數據，并以此計算出覆冰層和導線截面熱量，將其作為流體分析熱參數，進而調節環境溫度以及冰、水參數，之后再深入分析融化、凝固數據，啟動仿真模型后就可以獲得瞬態溫度分布情況和冰水相對變化數據[6]。

2 解析結果數據

2.1 穩態仿真

設置仿真模型中的負荷電流為800 A，風速為5 m/s，覆冰厚度在8 mm左右，環境溫度控制在-5 ℃，通過改變其中一個參數來分析線路最小融冰電流的變動情況。

在風速作用下，觀察覆冰層表面風速和空氣間熱量交換情況，由此得到最小融冰與熱量交換情況之間的變化關系，如圖1所示。

圖1 熱量交換速度和最小融冰電流與風速之間的聯系

如果風速低于20 m/s，覆冰層表面迎風側換熱系數和風速之間呈現出冪函數關系，風速越大，冰層的熱量交換越快。最小融冰電流在風速提升中不斷加強，如果風速增大，最小融冰電流的增長幅度就會變小，和風速變化、熱量交換數據的變化具有一致性[7]。冰層表面的對流效果受風速影響，風速越大，熱量交換也會隨之加快[8]。

調節環境溫度后，仿真模型中最小融冰電流與冰層厚度之間的聯系如圖2所示。

圖2 環境溫度與最小融冰電流的關系

隨著溫度不斷降低，最小融冰電流逐漸增大，其增長幅度逐漸變小。該現象主要是冰層表面的輻射熱和對流損失受到環境溫度的直接影響，如果環境溫度降低，冰層表面的輻射熱和對流損失會越大，對于融冰電流的需求也會逐漸增加[9]。

調整冰層厚度后，仿真模型中的最小融冰電流和冰層厚度變化之間的聯系如圖3所示。

圖3 覆冰厚度與最小融冰電流的關系

隨著冰層厚度不斷增加，最小融冰電流不斷提高，呈現線性關系。冰層厚度影響著熱傳導的運行，若冰層厚度逐漸加厚，熱傳導時間也會逐漸拉長，同時冰層融化對融冰電流的需求將會不斷增加[10]。

2.2 瞬態仿真

在瞬態仿真模型下，設置負荷電流為800 A，風速控制在5 m/s，覆冰厚度在8 mm左右，環境溫度調節為-5 ℃。為了滿足冰層融化條件，瞬態仿真的初始數據與穩態仿真的數據相同。當其中一個條件發生變化后，全面解析融冰時間的變動。

如果風速逐漸增大，環境溫度也隨之下降，則融冰時間就會不斷延長，與指數關系相近。如果風速和溫度都接近最大數值后，冰層并不會融化。其主要是因為冰層表面的對流效果受到環境溫度和風速的干擾，如果冰層表面損失熱度大于焦耳熱，則冰層不會融化[11]。

如果冰層厚度變大后，融冰時間隨之變長，那么2者之間接近于線性關系。熱傳導受冰層厚度影響，冰層越厚，熱量傳輸時間就會更長，而融冰時間也會隨之延長[12]。

將負荷電流大小做出相應調整，仿真模型中的負荷電流和融冰時間呈現指數關系，負荷電流增大，融冰時間就會變小。如果負荷電流低于臨界標準數據，則冰層將不會融化。負荷電流增大時，需要更多的導線產熱，在此情況下的冰層融化速度加快。如果負荷電流產生的熱量小于冰層散熱量，則冰層不會融化[13]。

3 實踐證明分析

基于上述分析，在安雙5375線路上運用負荷交流融冰法來驗證其可操作性和有效性。實驗時間為2021年12月28日，早晨進行安雙5375線路巡查時發現線路產生了覆冰問題，且情況比較嚴重，必須要及時融冰處理。該日中午巡查該線路的覆冰路段發現絕緣子、桿塔以及導地線的覆冰厚度在1～2 mm，線路局部冰層厚度達到10 mm左右，線路周邊溫度為0.2 ℃，風速為1.62 m/s。為了提高融冰效果，選擇1 700 A的負荷電流線路進行融冰。在91 min融冰工作中，最終讓導線覆冰全部脫落，成功證明了負荷交流融冰具有可操作性。具體應用時，考慮到影響融冰效果的各種因素，需要設定合適的負荷電流。因為實際操作流程比較復雜，所以在仿真模型中其負荷電流可以設置得更大[14]。

4 結 論

綜合考量高壓輸電線路負荷交流融冰的干擾系數來構建仿真模型，仿真結果表明最小融冰電流和風速、環境溫度之間呈現冪函數關系，和覆冰厚度呈現線性關系。此外，融冰時間和環境溫度、風速以及負荷電流之間呈現指數關系，和冰層厚度呈現線性關系。通過500 kV安雙5375線路證實了負荷交流融冰的可操作性，值得推廣。