配電網融冰技術綜述

徐嘉欣，謝 雄，李達義，陳澤林

（1.華中科技大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學附屬中學國際部，湖北 武漢 430074）

0 引 言

近年來，電網覆冰事故在全球范圍內頻繁發生，對輸電線路的正常運行產生了極大的影響，并給人們正常的生產生活造成了嚴重損失。為了使覆冰問題對電網的影響降到最低，電能得到順利輸送，國內外就線路覆冰問題展開了研究并提出一系列融冰技術。

我國電網發展迅速，配電網覆蓋的范圍越來越廣闊，越來越多的配電線路架設在地形條件復雜、氣候惡劣的偏僻地區，其運行受到自然條件尤其是冰凍災害的嚴重影響，成為目前冰災防治工作的難點。配電線路覆冰的防護手段與輸電線路和電網整體無異，主要使用電流融冰技術與機械除冰手段。但與輸電線比，配電網具有運行電壓較低、鋁絞線橫截面積較小、分布廣、支線多以及線型復雜等特點，很多源自于高電壓等級的線路防冰方法并不完全適合直接應用在低電壓的配電網線路中[1]。因此，針對配電網線路覆冰防護的研究工作是十分必要的。

本文將闡述線路覆冰的分類和形成機理，分析國內外線路融冰技術的研究現狀，結合配電網的特點對這些融冰方法進行評估，并提出未來配電網融冰技術的發展建議。

1 電力線路覆冰

1.1 電力線路覆冰機理

覆冰是目前對電力系統的安全穩定運行威脅最大的自然災害，是一種受多因素影響的復合物理現象，涉及氣象、地理等方面。主要是受暖濕氣流和冷空氣影響，二者缺一不可，南方地區有時比北方地區更易發生覆冰災害[2]。

從熱力學的角度對覆冰的過程進行分析，覆冰本質上就是水釋放熱量凝固的過程。云層中累積的冰晶首先遇到暖氣流，吸熱液化成水；水繼續下降遇到冷氣流迅速冷卻，這些雨滴雖然已經降到0 ℃以下，但由于空中缺少凝結核，還無法形成雪花或冰，此時形成的水滴被稱為過冷水。當這些過冷水接觸到溫度低于0 ℃的電力線路時會迅速釋放熱量凝固，并在導線上不斷累積成固態冰層，造成導線覆冰[3]。

1.2 電力線路覆冰災害分類

根據形態、密度的不同，電力線路上覆冰可以細分為雪凇、霧凇、雨凇、混合凇4種類型[4,5]。

雪凇對線路的影響較小，因為其密度小，本身不易在導線上累積，大多可被自然風力吹落，導線受力負擔小。

霧凇是指空氣中的水蒸氣在碰到溫度低于0 ℃的物體后直接凝華，在導線上形成的乳白色不透明的冰晶物[4]。霧凇的密度不高，易從附著物上脫落，一般不會造成嚴重電力事故。

雨凇是指過冷卻水滴遇到溫度低于0 ℃的物體后凝固凍結所形成的冰覆蓋層[6]。相較于其他形式的覆冰，雨凇密度更大，可以在條件適宜時持續增長，具有極強的破壞性，每年在我國湖南、四川等南方地區造成嚴重的影響。

混合凇由霧凇和雨凇交替在導線表面交替凍結形成的透明和不透明重疊的冰層，其特性和對電力線路的危害程度也介于二者之間。

2 電網融冰技術現狀分析

覆冰問題的嚴重性引起了國內外相關領域的重視，過去70年來，技術人員們對輸電線路的融冰方式和技術展開了研究，并取得了一定的成果，部分技術已投入使用。

目前，國內外融冰技術主要有機械破冰法、熱力融冰法和其他除冰法。簡單劃分如圖1所示，本文主要介紹前兩類。

圖1 國內外融冰技術分類

2.1 機械除冰法

機械除冰法是利用各種機械動力使冰內部產生應力破壞，從導線表面脫離。利用人工進行力學效應破冰，主要包括地面敲打法、滑輪刮鏟法和電脈沖除冰法[7]。

2.1.1 地面敲打法

該方法是我國配電網目前使用的主要除冰方法，由操作員站在地面上使用竹竿等工具敲擊導線表面附著的冰層使其脫落[8,9]。這一方法全程需要人工參與，不僅效率低，而且存在安全隱患，敲冰中冰層脫落有一定幾率砸到工作人員。

2.1.2 滑輪刮鏟法

該方法也是人工除冰，但是在線路上安裝滑輪，工作人員不再需要用工具敲擊線路上的冰，只需要在地面上拉動滑輪，滑輪在線路上移動從而鏟除覆冰[10]。

得益于人工智能等科技的發展，目前已經有可用于除冰的滑鏟機器人出現，該方法操作簡單且成本并不高昂，因此有較廣的應用。

2.1.3 電脈沖除冰

電脈沖除冰是通過振動除冰，但是與其他裝置不同，它不再拘泥于使用外部裝置產生振動使冰層破裂，而是使用儲能電容對脈沖線圈進行放電。線圈中會產生一個強磁場，在該磁場的作用下，線圈外部的冰層在反復收縮膨脹后破裂[11]。電脈沖技術除冰原理如圖2所示。

圖2 電脈沖技術除冰

該方法在局部除冰效果較好，當線路較長時難以有效除冰，目前仍然處于實驗室研究階段。

2.2 熱力融冰法

上述機械除冰法目前在國內外多用于局部范圍內的線路覆冰情況，作為一種輔助清除手段。對于大范圍長線路的覆冰問題，國內外公認的最有效的方式是熱力融冰法，即通過增加導線中的電流密度實現融冰。

2.2.1 離線融冰

（1）傳統交流短路融冰。

目前電網中的線路主要是交流，尤其是配電網，這為交流融冰提供了條件，易于直接融電網中取得融冰電源。

交流短路融冰是指在線路上設置1個短路點，利用短路時形成的線路大電流發熱融冰，該電流一般控制在臨界融冰電流和最大允許融冰電流之間。根據短路的故障類型，可以具體劃分為三相短路、兩相短路和單相短路融冰，實際應用中，多使用三相短路提高融冰電流。

常規的交流短路直接使用變電站變壓器出線端作為融冰電源，無需另外配置，且只需對線路進行短路，操作較為簡單，因此該方法成為了目前國內外融冰技術的一大熱門。當在配電網中使用該方法時，因為無需配置大容量的無功補償裝置，所以有更大的優勢。

針對上述方法存在的融冰電壓無法調節的缺陷，又提出了可調電容串聯補償、多功能變壓器等改進方案。

（2）可調電容串聯補償式融冰。

在線路中串聯一個電容器補償線路自身電感，因為該電容器可調，所以線路中的短路電流可調，可以提供不同長度、線徑的線路所需要的融冰電流。另外，在接入電容器的同時還應該配套增加保護裝置[12,13]，如圖3所示。這種方法適用性更廣，但由于增加了裝置，操作更加復雜，成本也有所提高。

圖3 可調電容串聯補償式交流融冰

（3）多功能變壓器融冰。

使用多功能融冰變壓器作為融冰電源，高壓側匝數可以通過有載開關調節，低壓側有多個抽頭，由此可以得到多種變比、多種融冰電流，適應于不同融冰導線的長度以及線型。

多功能融冰變壓器能適應線路長度的較大范圍變化的融冰及在融冰過程中電流的變化，主要用于對線路末端和支線進行融冰，作為補充融冰手段。在非覆冰期，可作為1臺三相配電變壓器使用；在覆冰期，不僅可以作為融冰變壓器使用，還可以帶少量負載。

（4）直流短路融冰

直流短路融冰技術是目前國內外融冰技術的另一大熱門[14-16]。現代直流技術的發展和大電流可控整流元器件的開發，促進了直流融冰技術的發展。直流融冰可用于直流線路或交流線路，直流線路多用于特高壓輸電線路，本文暫不討論，當用于交流線路時多采用短路融冰法。

直流短路融冰與交流短路融冰基本原理相同，都是使用短路大電流加熱覆冰線路，區別在于直流短路法需要使用大容量整流裝置將交流電轉化為直流電流。直流融冰所需的電源容量取決于融冰線路的電阻和長度，在相同融冰電流需求下，直流融冰所需容量遠小于比交流融冰，并且整流器的引入使得直流電壓可調控，因此適用于不同電壓等級融冰。

該技術在高壓直流輸電系統和高電壓等級交流輸電線路中有較大優勢[17]。由于整流裝置產生諧波且自身成本較高在低壓配電網無明顯優勢。

2.2.2 在線融冰

在線融冰是指在線路不停運的前提下，增大線路電流實現線路融冰。相比前文提到的需要停電的融冰方案，供電可靠性更高，對正常的生產生活造成的影響較小。

目前提出的在線融冰方案有調整潮流法、增加無功電流法、移相變壓器法、分裂導線交替融冰法以及適用于中性點不接地系統的零序電流融冰法。

（1）調整潮流融冰。

無須增設專用融冰裝置，而是通過電網電力調度調整潮流分布，往覆冰線路輸送更多功率，使線路中產生大電流、線路發熱量增加，以實現融冰。潮流調整常用方式有幾種，其中最有效的方式是停運并聯線路，其他方式如轉移負荷、改變首末端開機容量等都沒有顯著效果。

輻射狀網絡的功率分布完全取決各點負荷，所以該方法不適用于輻射狀網絡。閉式網絡的自然功率分布與其阻抗成反比，可以調控，但由于環網自身的支撐能力，往往需要停運多條并聯線路才能達到融冰的效果。配電網中接線方式多為輻射狀或環網，因此潮流調整手段常常有限。

（2）增加無功電流融冰。

在不影響負荷的正常供電的情況下，增加線路上傳輸的無功功率，使線路上發熱增加實現融冰。

文獻[18]在線路首端安裝電容器，末端并聯電抗器，由電容器通過線路向電抗器提供無功，此時線路上流通電流是負荷吸收電路和電感吸收無功電流的疊加。

實際應用時，無功功率的流向控制較難，并且改變無功分布對系統的穩定性有較大影響，一般情況下不采用該方法。

（3）移相變壓器融冰。

雙回線路中串聯接入1個移相變壓器，改變電壓相角產生電壓差驅動環流的生成，以此增大其中一回線的電流大小，從而實現發熱融冰，如圖4所示[19]。目前國內貴州電網已開展對于基于移相變壓器的融冰技術的研究工作[20-22]。該方案適用于主網環網局部融冰，移相變壓器本質上就是在線路中附加了1個循環功率，改變了線路中功率分布，此時線路上電流為負載電流和移相變壓器環流的疊加。

圖4 基于移相變壓器的融冰原理

但也存在一些問題，首先變壓器相角差帶來的環流過大，通常為正常電流的5倍以上，給設備帶來安全隱患。其次環流的產生使得電網需要對該段繼電保護裝置需要重新進行整定，并且需要配置大容量的無功補償裝置。然后移相變壓器僅在融冰過程中使用，為了不影響電網的正常運行，往往需要在短時間內完成安裝和拆卸，此過程需要暫時停電并且操作人員工作量較大[23]。

（4）分裂子導線交替融冰方案。

文獻[24]提出使用4分裂導線分組融冰的方法，在融冰段線路內安裝絕緣間隔棒，使各子導線彼此絕緣，通過控制開關使該段運行電流全部集中到某1根或2導線中實現大電流融冰，其他組依次重復此過程，但此方案需要頻繁開斷電路，對斷路器損傷大。

文獻[25]在此基礎上進行了改進，提出一種非接觸式耦合在線融冰方案，該方案同樣需要在子導線間安裝絕緣間隔棒，但融冰時不再使用斷路器開斷線路，而是基于文獻[26]提到的分布式潮流控制器的原理，在子導線上卡合單匝耦合變壓器，這樣可以在不影響系統運行的情況下，實現將電流“移動”到某1根或2根子導線中，借助大電流先后對各導線融冰。

這兩種方法都是利用了分裂導線實現交替融冰，實際工程中分裂導線多用于超高壓輸電線路，配電網因電壓較低尚未廣泛采用，因此該方案并適用于配電網。

（5）零序電流融冰技術。

在配電網中，為了保障用電可靠性，中性點一般采取不接地或經消弧線圈接地，這就使得配電網即使發生了單相接地故障，仍然允許帶故障繼續運行1～2 h[27-30]。而目前的熱力融冰方案基本都要求在1 h內完成，這就為實現在線融冰提供了可能。

文獻[31]基于配電網的以上特點，提出1種零序電流在線融冰技術。該方法使用由可調電抗器和接地變壓器組合成的裝置與避雷線一起構成零序回路，在融冰期間經刀閘接入運行，利用產生的零序電流進行在線融冰[32]。電網中變壓器二次側和負載側多為三角形連接，因此零序電流并不會影響負載，只會在該段融冰線路的零序回路中流通。

如圖5所示，整個融冰裝置主要由2個部分構成，其中接地變壓器與變電站相連，可調電抗器與避雷器相連。接地變壓器提供中性點，對正負序電流而言阻抗極大，而對零序電流阻抗近似為0，適合構成零序回路；可調電抗器用來提供可調的融冰電流，可適用于不同線路的融冰情況。當線路發生單相接地短路時即可形成零序電流通路，覆冰段電流為負載電流和零序電流的疊加，產生大量熱量融冰。

圖5 在線融冰原理示意

目前該方案已在粵北山區某支線上進行試點，驗證方案的可行性。

3 發展前景

配電網是電力系統的重要組成部分，作為電網向用戶輸送電能的最后一環，也是確保供電安全和質量的最后一道屏障。配電網在給人們帶來極大便利的同時，也面臨著氣候等問題的考驗。目前配電網對覆冰問題的防治方法與主網并無較大差異，以人工機械除冰、電流融冰為主。

近年來，人們在傳統電流融冰基礎上又提出了一系列在線融冰技術，減小了融冰過程對電力系統的影響，但大多數方案都是基于高壓主網設計，在配電網中并不能有效發揮作用。僅有一種零序電流融冰技術，充分利用配電網中性點不接地特點提出零序電抗一體融冰裝置，為配電網融冰研究提供了新思路。未來需要更加重視配電網自身特性，因地制宜，不斷研究新技術、新方法，使得電網在惡劣環境中穩定運行。