2017第四屆軌道交通供電系統(tǒng)技術(shù)大會

會議由中國電工技術(shù)學會主辦，將于2017年11月28日在北京鐵道大廈召開，研討電工科技最新研究成果對軌道交通供電領域所帶來的革新影響和應用前景，推進協(xié)同創(chuàng)新。瀏覽會議詳情和在線報名參會請長按識別二維碼。

云南民族大學電氣信息工程學院的研究人員李紅坤、陳芳芳、高鑫，在2017年第10期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，首先介紹了我國架空線路覆冰的現(xiàn)狀，線路覆冰造成的危害，線路覆冰類型，形成原因、條件和不同類型的覆冰對電網(wǎng)所造成的影響。然后介紹了目前國內(nèi)外對架空線路覆冰的研究現(xiàn)狀，其中研究方法包括在線監(jiān)測法、稱重法、導線傾角法等，并簡單介紹了機械除冰法、短路與熱力除冰法及它們的適用條件。

“西電東送”是我國電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃的重要規(guī)劃之一。在“西電東送”過程中，架空線路要經(jīng)過復雜的地理、氣象環(huán)境。而隨著超高壓、特高壓電路的快速建設，對電網(wǎng)應對自然災害的能力就提出了更高的要求。

從全球范圍來看，最早記錄架空線路覆冰事故是在1932年；對于我國來說，最早記錄架空線路覆冰事故是在1954年。關(guān)于架空線路覆冰的問題，人們感受最深的一次恐怕就是2008年初的雨雪冰凍災害。此次自然災害是我國有氣象記錄以來最為嚴重的一次雨雪冰凍災害，使得云南、貴州、湖南、浙江等省的輸電線路長時間大面積的癱瘓，給國民經(jīng)濟和人民生活帶來了巨大的損失和不便。

隨著全球環(huán)境的不斷惡化，極端氣象天氣也不斷增多，架空線路覆冰問題會更加頻繁。對于架空線路覆冰問題的研究，主要存在于以下方面：對不同地段、不同線路，覆冰成因的不同和對電網(wǎng)的不同影響的研究；對于架空線路覆冰監(jiān)測的研究；覆冰線路除冰方法的研究。

只有正確認識架空線路覆冰的成因，做好監(jiān)控，用恰當?shù)姆绞郊皶r除冰，才能達到減小對生產(chǎn)、生活的影響。對于剛了解架空線路覆冰問題人們，此篇文章也可以使他們對此問題有整體的把握。

1 架空線路覆冰的成因與對電網(wǎng)的影響

1.1架空線路覆冰的成因

架空導線覆冰的形成原因是由多種條件決定的，主要有氣象條件、地理條件、海拔高度、導線懸掛高度、導線直徑、風向和風速、電場強度等[1]。氣象條件對架空線路覆冰的影響主要是由線路經(jīng)過地的環(huán)境溫度、空氣濕度以及風向風速等因素綜合造成的。

架空線路覆冰問題并非偶然事件，在我國很多地方每年冬天都會發(fā)生架空線路覆冰問題。但是不同地區(qū)、地形上架空線路覆冰的類型不太相同，具體來說可分為雨凇、霧凇、混合凇、濕雪四種。

“雨凇”從黑龍江到廣東，從新疆到山東都有不同程度發(fā)生，而中緯度地區(qū)尤為突出。“霧凇”主要發(fā)生在高山濕潤地區(qū)的冬季，例如吉林省長白山天池氣象站一帶，年平均霧凇出現(xiàn)天數(shù)為179天，從10月份到第二年的3月份，每月都有20天以上霧凇現(xiàn)象。“混合凇”是雨凇和霧凇交替成冰形成的，當溫度到冰點以下，風速較大地區(qū)易于形成。“濕雪”多出現(xiàn)于平原地區(qū)或低地無風地區(qū)。

1.2覆冰對電網(wǎng)的影響

架空線路覆冰對電網(wǎng)的影響主要有過負載、絕緣子冰閃、覆冰的導線舞動、脫冰閃絡等。過載會導致架空線路出現(xiàn)機械和電氣方面的故障，即會出現(xiàn)倒塔、金具的損壞和由弧垂增大而導致的閃絡燒線等。

當絕緣子上覆冰時，可以看作絕緣子上出現(xiàn)了污穢，而改變了絕緣子上的電場分布，特別是冰中往往會含有污穢，這就更易造成閃冰[2-3]。在風力的作用下，架空線路上的覆冰是不對稱的，這就造成線路極易發(fā)生舞動，且舞動幅度較大、持續(xù)時間長。對線路輕則引起相間閃絡、線路跳閘，重則引起斷線或倒塔。

2 架空線路覆冰的監(jiān)測

在架空線路覆冰時，如果能實時監(jiān)測到架空線路覆冰狀況，就能為以后除冰方式的選擇、除冰效果的判斷帶來極大的方便。所以對架空線路覆冰的監(jiān)測是解決線路覆冰問題的重要環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)外對于架空線路覆冰的監(jiān)控方法主要有：在線監(jiān)測法、圖像檢測法、氣象要素監(jiān)測法、稱重法、導線傾角法等。

2.1在線監(jiān)測法

在國外，在線監(jiān)測很早就用在線路覆冰的實時監(jiān)控中。早在上世紀七十年代，在加拿大魁北克省無人區(qū)的一條輸電線路中就使用了自動記錄線路覆冰的無源測冰儀。這套儀器連續(xù)記錄了四十多年該架空線路在冬季的覆冰數(shù)據(jù)。在線監(jiān)測發(fā)展到今天，很多國家都安裝了成套的實時在線監(jiān)測系統(tǒng)。

我國在線監(jiān)測的研究也在不斷發(fā)展。西安交通大學等單位通過建立導線覆冰厚度與導線弧垂的力學模型，并由后臺軟件按其模型計算出實時的覆冰厚度；后來華南理工大學改進了力學模型。西安理工大學在晉東到荊門1000kV特高壓交流架空線路中第一次實現(xiàn)了在線監(jiān)測。

從用途出發(fā)，在線監(jiān)測法可分為在線理論模型分析、在線覆冰監(jiān)測和在線融冰的控制三類。其分別解決了驗證氣象學模型、監(jiān)測現(xiàn)場覆冰和舞動，及時給出除冰信息和對整個融冰過程自動控制和監(jiān)測，并分析除冰效果等問題。

2.2稱重法（公式略）

稱重法的基本原理為：由于導線覆冰的原因，會導致桿塔發(fā)生一定量的傾斜，通過測量桿塔傾斜的大小和收集相應的氣象數(shù)據(jù)，模擬導線覆冰后重量增加的情況，反推線路覆冰的厚度，從而根據(jù)相關(guān)公式計算出覆冰的狀況。

對于一段架空線，通過對無覆冰和覆冰兩種狀態(tài)的對比，得到覆冰狀態(tài)下導線的應力，再利用狀態(tài)方程計算水平應力、導線長度、垂直荷載的變化求解架空線路覆冰的等效厚度。該方法簡單易行、可靠性高，但受環(huán)境影響較大，從長期來看不利穩(wěn)定運行。

2.3導線傾角法（公式略）

導線傾角法就是根據(jù)傳感器測量出來的線路參數(shù)，如覆冰狀態(tài)下導線的傾角和弧垂等，再結(jié)合實時的氣象數(shù)據(jù)，利用狀態(tài)方程來計算出導線覆冰的厚度。此方法在簡化不規(guī)則計算方面有其便利之處，但是當導線覆冰不均勻時，計算的結(jié)果與實際情況有較大的出入。

3 覆冰線路的除冰方法

目前輸電線路除冰的方法有幾十種，常用的除冰方法有機械除冰法、熱力除冰法、混合除冰法等。

3.1機械除冰

機械除冰是一種簡單的除冰方式，即一般直接使用人工除冰、滾筒除冰、機器人除冰、沖擊波機械法等。使用機械方法來破碎相同大小的冰塊所需能量遠低于熱力法，約為熱力方法所需能量的兩百分之一，但在實際應用中，機械除冰方式的能量效率范圍為3%~4%。機械除冰的方式雖然簡單，但除冰效率較低，使用受環(huán)境地形影響較大，不利于大面積推廣使用。

3.2短路與熱力除冰法

目前最有效的除冰方式有短路和熱力除冰法。短路是利用導線產(chǎn)生的電磁力，使導線相互撞擊從而達到除冰的效果；熱力除冰法是利用的原理為焦耳效應，其主要包括交流或直流融冰法、方式融冰法等。

短路融冰法：是指由一端供電而另一端短路，使線路一側(cè)中的短路電流大大增加，短路電流的大大增加會使導線產(chǎn)生電磁力，在電磁力的作用下導線會相互撞擊，從而使導線覆冰脫落，達到除冰的目的。面對架空線路覆冰問題，國內(nèi)外都在短路除冰方面積累了一定的經(jīng)驗。當選擇這種除冰方式時，會增加相應的輔助設備，如為實現(xiàn)短路而在短路側(cè)加裝開關(guān)設備等。

交流融冰法：不管是交流電還是直流電，當有電流流過導線時，導線都會發(fā)熱。對于現(xiàn)在的電網(wǎng)來講，大部分采用的是交流輸電，這就可以直接利用自己電網(wǎng)的交流電來進行融冰，從而達到降低費用的目的。當面對長距離輸電時，為了滿足融冰功率的要求，要提供能夠滿足要求的融冰電壓，從而獲得滿足要求的電流[8]。

方式融冰法：這種方法不需要加入其它的附加設備，僅僅是通過改變電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。但一般而言，正常運行的輸電線路所產(chǎn)生的負荷電流相對于能達到融冰的電流還較小，產(chǎn)生的熱量不足以防止線路結(jié)冰或者除冰。所以要想用這種方融冰就必須改變線路的正常運行方式，從而達到負荷電流所產(chǎn)生的熱量能達到融冰的要求。這種方法一般用在單分裂導線中，考慮到融冰電流較大和對電網(wǎng)穩(wěn)定性的考慮，對于多分裂導線而言，一般不用此方法。

4結(jié)論

從以上的論述不難發(fā)現(xiàn)，目前，不管是在架空線路覆冰機理的分析方面，還是對架空線路覆冰的監(jiān)測方面，或者是對架空線路除冰方式的選擇方面都存在一定的問題。對于架空線路覆冰問題依舊沒有很好的解決方法。

未來除了在設計之初對線路做合理規(guī)劃，對現(xiàn)有方法做細致分析和研究外，伴隨著大數(shù)據(jù)和人工智能的快速發(fā)展，在對對架空線路覆冰問題上，可以使之與之相結(jié)合，使得不管是在覆冰形成機理分析方面，還是在監(jiān)控模型分析優(yōu)化方面，或者是在除冰方式的選擇等問題上，都能得到很好的優(yōu)化或者解決。