采用渦流自熱環防止輸電線路冰雪災害的方法研究

馬國平

（國網固原供電公司，寧夏 固原 756000）

想要有效防止冰雪災害影響輸電線路情況的發生，相關人員需要不斷探索相關的技術。通過分析相關實踐可知，后期處理并不是解決輸電線路冰雪災害的唯一方法，相關人員將重點集中在冰雪災害預防方面，在此過程中必須針對輸電線路實際情況采取有針對性的措施，使得輸電線路擁有越來越高的綜合運行能力。

1 冰雪災害對輸電線路的不良影響

在出現冰雪災害后，有很大概率導致輸電線路中形成冰塊。由于冰雪災害導致的冰塊會不均勻地分布在輸電線路中，在一定的風力作用下會影響輸電線路正常運行。同時，在線路閃絡問題方面，冰塊也是主要的影響因素。覆蓋閃絡問題雖然不會嚴重破壞輸電線路，但是卻會破壞絕緣子，致使絕緣子性能大幅度降低[1]。另外，在閃絡情況下，若是無法及時消解冰塊的作用，再加上冰塊擁有較大重量，其經過一段時間發展可能超出線路最大承重量，導致輸電線路出現短路的問題。

2 輸電線路除冰技術研究現狀及渦流自熱除冰原理

2.1 輸電線路除冰技術研究現狀

輸電線上覆冰的積累是一種水、熱等多因素耦合作用的物理過程。針對輸電線上覆雪的各種影響因素，國內外學者在多年的工作中，針對輸電線上各種覆雪原因提出多種防冰措施，包括機械除冰、涂覆防冰、熱動力融冰、電脈沖除冰等。然而，這些措施都有各自的局限性，并不能從根本上解決輸電線路覆冰的問題。目前，直流融冰法是我國普遍應用的一種有效的主動除冰技術。但直流融冰法要求線路停電才能進行，設備造價較高，且直流融冰器從投入運行到生效都需要一定的時間。因此，面對快速而又大范圍的寒流天氣，直流融冰似乎也沒有太大的作用。

在輸電線的導線上添加熱磁性物質，是一種在不停電情況下自動防結冰的方法。“七五”科技攻關期間，武漢高壓研究所及其他科研機構開發了多種低居里點（LC） 合金，并將它們制成了熱磁性絲，包覆在金屬絲的表面，從而達到了防覆冰的目的。但是，LC 材料制作成本高昂，而且熱磁導線的安裝難度太大，使得其很難普及。高小玫等對各種磁致制冷裝置的熱輻射進行了數值模擬，對磁致制冷裝置的優化設計具有一定的指導意義。李窘等研制出了一種具有低居里點磁性的抗覆冰金屬絲，并通過天然試驗對其進行了驗證。蔣興良等對此進行了分析和研究，認為采用附加磁制冷材料來達到不停電除冰的目的是完全可行的，但仍需進一步降低其成本，提高其制造技術水平。

2.2 渦流自熱環除冰原理

在使用交流電時，金屬絲的外部會形成一個交變磁場，在交變磁場作用下，金屬絲周圍會產生很強的交變磁感應，從而產生磁滯、渦流等現象。同時，若在鐵磁性材料表面覆蓋具有更低電阻率的導電性涂層，將會在鐵磁性材料所引起的交流磁場中產生渦流損失，從而進一步增加其所產生的熱量。在輸電線表面覆冰過程中，只要鐵磁性材料的磁熱足夠大，就能減緩、延緩線路表面覆冰的形成或融化覆冰。

現階段，國內一般輸電線路中，電流密度在0.9～1.6 A/mm2之間。例如，橫截面400 mm 的鋼芯鋁絞線，其在正常工作條件下輸運電流達到360～640 A，周圍磁場最大值達到3 000～4 000 A/m。在這種強磁場條件下，金屬絲周圍鐵磁性物質產生的交流磁感可以達到0.5～1 T。在鐵磁性物質中，磁場強度H以及磁感應強度B的計算公式分別為

式中：Hm、Bm分別為磁場強度以及磁感應強度峰值；ω1為工頻角頻率，取值為50 Hz；δ 為相位差。

3 渦流自熱環除冰試驗

為了充分展現渦流自熱環的實際除冰效果，在研究中將使用多功能人工氣候室演化自然覆冰過程，開展渦流自熱環除冰試驗，采用型號為LGJ-400/35 鋼芯銅絞線。

3.1 試驗裝置

該人工氣候室為11.8 m 高，7.8 m 直徑；其可在-45～70 ℃內自由調節溫度；同時可調節0～12 m/s風速；擁有20%～100%濕度調節范圍。將一定數量的國際電工委員會 (International Electro technical Commission，IEC) 標準噴頭設置在噴霧系統中，將過冷卻水滴確定為20～500 μm 直徑調節范圍。最終證明，該模擬環境能夠使開展覆冰試驗各項要求得到有效滿足。

試驗電源為大電流發生器，具備5 000 A 最大輸出電流和30 kV·A 額定容量，相關人員可利用配套調壓器調節試驗電流大小。同時配備了拉力傳感器、鉗式電流表等測量工具。

3.2 試品與布置方式

使用LGJ-400/35 鋼芯銅絞線作為試品。為了更好地開展對照試驗，將其合理劃分為試驗小段，試驗導線擁有3 m 長度、27 mm 直徑，20 ℃工況下導線具有0.073 89 Ω/km 單位電阻率。

在人工氣候室內完成導線并列安放工作可使用絕緣支架支撐，為了防止因為相鄰導線對流場遮擋引發覆冰差異情況的發生，需保證導線間保持0.5 m以上間隔。將拉力傳感器固定在導線的一端用于測量覆冰質量，而且相關人員應在充分考慮導線弧垂參數的情況下將高度差控制在合理范圍內。為了使傳輸電流處于相同水平，在除冰試驗中連接銅帶首位和各試驗段導線時需要利用夾具，串流受流[2]。每次開展覆冰試驗都需要使用試驗導線3 段，方便對比試驗結果。具體操作方法為，將電流傳輸到導線1 和導線2 中，導線3 不通電，并且將4 個渦流自熱環以相同間距布置在導線1 上。因試驗導線為3 m 長度，因此以0.6 m 間隔布置渦流自熱環，采取此種布置方式，導線的附加磁熱除冰功率為2.76 W/m，詳細布置情況見圖1。

圖1 除冰試驗布置方式

3.3 試驗程序

1） 預處理工序。將試驗導線段取出來，使用工業酒精、純凈水、濕布等完成表面處理工作，保證其表面干凈、無毛刺。將一定數量的渦流自熱環取出來，使用純凈水、工業酒精等將其表面處理干凈。

2） 安裝布置試樣。在人工氣候室內并列布置試驗導線段，根據上述試驗設計將渦流自熱環安裝在導線1 上，之后將試驗電流引線有效連接。

3） 覆冰試驗流程。將制冷系統打開，同時將電流傳輸到試驗導線中。當人工氣候室具有與設計溫度相同的室溫時，開始進行覆冰試驗。每次應持續2 h 覆冰。詳細覆冰試驗參數見表1，其中空氣中液滴中值體積直徑用MVD 表示，空氣中液態水含量用LWC 表示。

表1 覆冰試驗參數

4 試驗結果與討論

4.1 覆冰形貌分析

為了使渦流自熱環的覆冰效果得到更加清晰的展現，在本次研究中只選取具有代表性的覆冰形貌開展分析。最終結果為，在1 號試驗中會有混合凇覆冰或霧凇覆冰形成，但是未有冰棱產生。同時覆冰位置并不包含渦流自熱環布置位置，證明試驗所用環境參數下，渦流自熱環自身所產生的熱量，可對環身處形成覆冰的情況起到有效的抑制作用。另外，因為渦流自熱環的作用范圍有限，在導線上存在間隔覆冰的情況，降低了相互之間的附著力，能夠為熱力融冰和自然融冰過程中冰層自然脫落提供有利環境。

3 號試驗在經過120 min 覆冰時，在渦流自熱環所處位置并未出現覆冰。雖然使用了可滿足覆冰條件的試驗參數，但是仍然避免了出現雨凇覆冰的情況，通過觀察可知，已經有明顯的冰棱出現在導線其余部位。通過分析試驗結果可知，與導線其他部位相比，在渦流自熱環部位明顯會流失更多的水滴。對引發這種現象的原因進行分析，其主要是受到了導線表面水膜沿弧垂流動效應的影響。在渦流自熱環處覆冰，因為無法滿足形成磁熱的條件，向水膜中流動的未凍結水滴在接觸渦流自熱環時也會擁有更高的流失速度[3]。由此可知，當有水膜存在于導線表面時，渦流自熱環也能夠在一定程度上限制其他部位形成覆冰。

4.2 覆冰質量分析

通過分析隨著覆冰時間變化各導線上覆冰質量變化情況可知以下3 點。一是在不斷延長覆冰時間的過程中各組實驗中導線覆冰質量呈現出非線性增長。相較于導線3，導線2 均擁有較差的覆冰質量。這是由于有電流通入導線2 中，針對導線覆冰的問題導線的焦耳熱能夠發揮一定的抑制作用。與導線2 相比，導線1 明顯擁有更差的覆冰質量，說明在增長導線表面覆冰質量方面渦流自熱環可發揮一定的減緩作用。二是從整體方面開展分析，后兩組試驗明顯比前兩組擁有更好的覆冰質量。兩種試驗現象不同的原因主要是設置了存在差異的覆冰試驗參數。另外，通過兩組覆冰參數試驗結果比較可知，在存在雨凇時渦流自熱環具備更強大的覆冰質量抑制作用，其也驗證了渦流自熱環可以提升雨凇覆冰液滴散失速度的結論。三是與200 A 傳輸電流相比，當使用400 A 傳輸電流時導線表面明顯擁有更差的覆冰質量。一方面在通入電流后會使導線本身產生更多的焦耳熱；另一方面在傳輸電流為200 A和400 A 時均無覆冰在渦流自熱環處產生，但是當傳輸電流較大時會致使更厚的水膜在導線表面形成，加快液滴在自熱環處的散失速度，以此使渦流自熱環擁有更快的除冰效率。

5 結論

通過上文分析，最終可得出以下結論。一是與未設置渦流自熱環的導線相比，布置渦流自熱環的導線明顯擁有更少的覆冰質量。二是在提升傳輸電流的過程中渦流自熱環也會擁有更高的除冰效率。并且因為渦流自熱環能夠以更快速度散失導線表面水膜，在覆冰類型為雨凇覆冰時可達到更高除冰效率。三是導線傳輸電流與渦流自熱環存在密切聯系，在擁有較小傳輸電流的情況下，使用越高的傳輸電流即存在越高的渦流自熱環磁熱量。四是輸電線路所處環境能夠直接影響導線表面臨界覆冰功率，其與風速參數成正比例關系，與溫度參數成反比例關系。