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      長距離地線融冰及工程實踐

      2015-09-29 00:28:56張益修趙全江胡守松柏曉路
      電力勘測設(shè)計 2015年4期
      關(guān)鍵詞:融冰接線分段

      張益修,李 健,趙全江,李 毅,胡守松,柏曉路

      (中南電力設(shè)計院,湖北 武漢 430071)

      長距離地線融冰及工程實踐

      張益修,李 健,趙全江,李 毅,胡守松,柏曉路

      (中南電力設(shè)計院,湖北 武漢 430071)

      摘要:架空輸電直流融冰技術(shù)由于其良好的融冰效果,在交流500 kV及以上線路導(dǎo)線融冰中得到廣泛應(yīng)用,地線融冰技術(shù)成為目前需要解決的問題。在500 kV施秉—賢令山線路防冰抗冰改造工程實踐中,通過對地線直流融冰技術(shù)進(jìn)行深入研究,針對本工程復(fù)雜的地線情況,進(jìn)行了地線直流融冰計算與分析,提出適合本工程的地線融冰方案并加以實施,取得了良好的效果,本文根據(jù)工程實踐并結(jié)合地線直流融冰技術(shù)提出下一步展望。

      關(guān)鍵詞:架空輸電線路;地線;覆冰;直流融冰。

      1 概述

      隨著電網(wǎng)的發(fā)展和全球極端氣候頻發(fā),尤其是2008年我國南方、華中、華東地區(qū)出現(xiàn)了歷史上罕見的低溫雨雪凝凍災(zāi)害,對電網(wǎng)造成了極大破壞,大面積停電使國民經(jīng)濟(jì)及人民生活都受到嚴(yán)重影響。在導(dǎo)線完成融冰后,架空地線在覆冰嚴(yán)重時也很容易引起斷線和桿塔損壞,從而影響線路的正常運(yùn)行。開展地線融冰研究和工程實踐,對于確保輸電線路在極端冰雪條件下的安全穩(wěn)定運(yùn)行,有著重要的意義。

      本文對地線直流融冰技術(shù)進(jìn)行了深入研究,在500 kV施秉—賢令山線路(下文簡稱500 kV施賢線)防冰抗冰改造工程實踐中,通過對全線地線直流融冰參數(shù)分析計算,根據(jù)計算結(jié)果選擇不同型號地線融冰電流以及地線絕緣配置水平,提出有效可行的地線直流融冰技術(shù)方案,對全線約1200 km線路成功實現(xiàn)了全覆蓋融冰。

      2 融冰電流選擇

      將電能轉(zhuǎn)化為熱能融冰是輸電線路融冰的基本思路。直流融冰技術(shù)是將覆冰線路作為負(fù)載,施加直流電源,地線由于電阻較大,通過大電流后電壓較大,融冰電壓可能會超過融冰裝置輸出電壓,如何保證輸出大電流,又要低電壓輸出時目前地線直流融冰技術(shù)需要解決的問題。對于長距離輸電線路,由于地線分段、氣象分段的不同,融冰電流的選擇既要滿足覆冰區(qū)段融冰所需熱能量要求,也要考慮到未覆冰區(qū)段導(dǎo)線溫升在安全范圍內(nèi),此外,不同材質(zhì)地線的融冰電流匹配問題也影響融冰方案的確定。

      2.1 地線融冰電流

      融冰電流是指輸電線路覆冰后,在相應(yīng)的環(huán)境溫度、風(fēng)速條件和給定的時間下,能使輸電線路覆冰融化的最小電流。目前輸電線路融冰電流計算常采用蘇聯(lián)的布爾斯道爾夫公式:

      式中:Ir為融冰電流(A);R0為0℃時導(dǎo)線電阻

      (Ω/m);Tr為融冰時間(h);Δt為導(dǎo)線實際溫度與外界溫度差(℃);RT0為等效冰層傳導(dǎo)熱阻(℃·cm/w);RT1為對流及輻射傳導(dǎo)熱阻(℃·cm/w);g0為冰的比重(g/cm);d為導(dǎo)線直徑(cm);b為覆冰厚度(cm);D為覆冰后導(dǎo)線外徑(cm)。

      由于施賢線全線全長約1200 km,地處貴州、廣西、湖南、廣東四省,氣象條件復(fù)雜,因此采用經(jīng)驗公式應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)脑6取=Y(jié)合全線氣象分區(qū)綜合分析,地線融冰計算條件取為環(huán)溫-5℃,風(fēng)速5 m/s,冰厚10 mm,1小時融冰。根據(jù)上式,對500 kV施賢線地線最小融冰電流進(jìn)行計算,計算結(jié)果見表1。

      2.2地線允許電流

      地線允許電流是指融冰過程中,在相應(yīng)的環(huán)境溫度和風(fēng)速條件下,短時間內(nèi)地線達(dá)到允許溫度所通過的最大電流。

      當(dāng)環(huán)境條件一定時,地線允許電流取決于允許溫度、融冰時間外,其允許溫度可按照電線強(qiáng)度損失不超過5%控制。

      對于鋁包鋼和光纖復(fù)合架空地線(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire, OPGW),其允許電流較大,地線允許溫度可按大跨越允許溫度考慮,鋁包鋼絞線地線允許溫度取100℃, OPGW光纜允許溫度取90℃。對于鍍鋅鋼絞線短時最大允許溫度,中國電科院曾做過耐熱試驗,在180℃下,400 h后鍍鋅鋼絲強(qiáng)度殘存率約為98.12%,滿足要求;1000 h后其強(qiáng)度殘存率約為97.92%。因此,180℃時鍍鋅鋼絲的強(qiáng)度幾乎不隨時間而下降,具有良好的耐熱性能,最高允許溫度取180℃。

      本工程融冰區(qū)段較長,氣象條件復(fù)雜,為安全考慮,環(huán)境溫度取5℃,風(fēng)速取2 m/s。根據(jù)摩根公式計算不同型號地線允許電流,計算結(jié)果見表1。

      表1 不同地線型號融冰電流及最大允許電流

      3 融冰分段及接線方式

      3.1融冰分段

      融冰分段主要受融冰電壓大小、不同型號地線融冰電流匹配等因素影響。融冰分段不宜過長,需保證融冰電壓需低于直流融冰裝置額定輸出電壓。為保證融冰段全段融冰,分段內(nèi)不同地線融冰電流需匹配,融冰電流不大于段內(nèi)所有地線的最大允許電流。

      以500 kV黎桂甲線地線融冰方案為例,綜合考慮該線路不同型號地線融冰電流的匹配以及融冰操作便捷性,可實現(xiàn)黎平站和桂林站融冰裝置均能完成融冰,將黎桂甲線分為三個融冰區(qū)段,根據(jù)電阻匹配原則,既可完成每個分段單獨融冰,又能三段并聯(lián)實現(xiàn)全線融冰,融冰方案見表2。

      表2 黎桂甲線融冰方案

      3.2融冰接線方式

      融冰接線方式宜盡可能操作簡單,分段位置盡可能交通便利,方便運(yùn)行操作。

      對于架設(shè)雙普通地線的線路,由于同區(qū)段的兩根地線型號相同,不存在電阻參數(shù)差異過大而導(dǎo)致電流分配嚴(yán)重不均勻的情況。從簡化融冰步驟、縮短融冰時間的角度考慮,采用將同區(qū)段的兩根普通地線并聯(lián)的融冰接線方式,同時通過優(yōu)化地線融冰開斷點,實現(xiàn)分段并聯(lián)和分段單獨融冰相結(jié)合的接線方式進(jìn)行融冰,即每個分段可單獨實現(xiàn)地線融冰,也可實現(xiàn)不同分段并聯(lián)融冰,接線方式見圖1。

      圖1 地線分段并聯(lián)融冰接線示意圖

      對于架設(shè)一根普通地線與一根OPGW的線路,為避免兩者串聯(lián)或并聯(lián)融冰時電阻較大的地線發(fā)生熔斷,可通過優(yōu)化地線融冰開斷點,結(jié)合融冰電流計算,可實現(xiàn)普通地線和OPGW分段并聯(lián)或分段單獨融冰相結(jié)合的接線方式進(jìn)行融冰,即普通地線和OPGW每個分段可單獨實現(xiàn)地線融冰操作,也可實現(xiàn)不同分段并聯(lián)融冰,接線方式見圖2。

      圖2 地線分段融冰接線示意圖

      4 地線絕緣配置

      500kV施賢線采用分段絕緣、單點接地運(yùn)行模式,要實現(xiàn)地線融冰,必須將全線地線(含OPGW)進(jìn)行絕緣改造,使其具備接入直流電流形成回路的能力。因此需根據(jù)融冰電壓和感應(yīng)電壓合理進(jìn)行地線絕緣配置,選擇地線絕緣水平和絕緣間隙,使改造后的地線既滿足正常運(yùn)行工況下感應(yīng)電壓限值及防雷要求,又滿足融冰工況下絕緣強(qiáng)度要求。

      4.1融冰電源

      目前500 kV施賢線全線有桂林站、黎平站兩套直流融冰裝置。其中桂林站直流融冰裝置額定直流電流為4500 A,額定直流電壓約為±25 kV,融冰功率為225 MW;黎平站直流融冰裝置額定直流電流為4500 A,額定直流電壓為±11.2 kV。

      融冰裝置輸出的直流電壓為6脈動電壓或12脈動電壓,由于負(fù)載線路情況以及直流濾波器配置不同,存在不同幅值的波動,融冰裝置輸出電壓波形見圖3。

      圖3 融冰裝置輸出電壓波形

      4.2地線絕緣水平選擇

      對于地線直流融冰,融冰電壓為融冰電流在地線上產(chǎn)生的壓降,融冰區(qū)段越長,融冰電壓越大。通過對500 kV施賢線各分段融冰電壓計算,融冰電壓最大值為±16.0 kV。

      地線絕緣后,由于相導(dǎo)線與地線間存在電場及磁場的相互耦合,線路正常運(yùn)行時在地線上將產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓。地線絕緣分段線路越長,感應(yīng)電壓越大。按各融冰區(qū)段地線首端接地、分段絕緣的接地方式,計算500 kV施賢線全線地線感應(yīng)電壓,全線融冰區(qū)段最長約150 km,計算出感應(yīng)電壓最大值約為5.3 kV。

      由于感應(yīng)電壓較融冰裝置輸出電壓要小很多,地線絕緣水平主要受融冰裝置輸出電壓控制,充分考慮直流融冰裝置輸出電壓存在的諧波分量,地線絕緣水平按35 kV考慮。

      4.3地線絕緣子選擇

      地線復(fù)合絕緣子的選擇,在正常運(yùn)行和融冰條件下滿足工作感應(yīng)電壓和融冰電壓的要求,同時需滿足污穢耐壓水平和覆冰耐壓水平。35 kV地線復(fù)合絕緣子參數(shù)見表3。

      表3 地線復(fù)合絕緣子參數(shù)

      4.4地線間隙配置

      絕緣地線的間隙值應(yīng)既滿足冬季融冰要求,又滿足防雷及正常運(yùn)行方式時的要求。即要避免融冰電壓擊穿保護(hù)間隙,又要保證冰閃電壓、污閃電壓、單相接地故障以及雷擊時保護(hù)間隙有效擊穿。

      根據(jù)地線復(fù)合絕緣子人工覆冰耐受試驗結(jié)果,該地線復(fù)合絕緣子在間隙取值為40 mm,覆冰厚度為10 mm時,閃絡(luò)電壓在30~35 kV之間,滿足融冰電壓的要求。復(fù)合絕緣子污穢閃絡(luò)電壓約為30 kV,滿足本工程污穢耐壓水平要求。

      通過對500 kV施賢線單相接地故障時絕緣地線上的感應(yīng)電壓進(jìn)行了初步的研究計算,結(jié)果表明在單相接地故障時,40 mm的地線絕緣間隙可被擊穿。

      地線的全線絕緣將降低地線上感應(yīng)電荷的聚集速度;但從定量上說,這種影響不足以破壞地線的感應(yīng)電荷在雷電下行先導(dǎo)在向下梯級發(fā)展過程中達(dá)到的準(zhǔn)靜態(tài)平衡狀態(tài)。通過電磁暫態(tài)程療(Electro-Maguetic Transient Drogram,EMTP)計算,當(dāng)?shù)鼐€與桿塔絕緣的空氣間隙距離在20 ~100 mm時,線路的反擊耐雷水平下降3 ~5 kA 左右。因此,地線的絕緣間隙距離為20~100 mm時,其引雷能力沒有實質(zhì)性的削弱。

      綜合考慮,地線絕緣間隙距離采用40 mm。

      5 融冰配套裝置

      5.1融冰接地刀閘

      為實現(xiàn)地線分段融冰,運(yùn)行人員需上塔操作,在每個融冰分段點均考慮安裝融冰接地刀閘。由于OPGW光纜地線融冰長度較長,感應(yīng)電壓較大,為保證運(yùn)行維護(hù)安全,在每個OPGW接頭位置安裝融冰接地刀閘。

      線路正常運(yùn)行時,合上融冰接地刀閘,地線接地;在進(jìn)行融冰操作時,人員上塔完成融冰設(shè)備操作后,斷開刀閘,實現(xiàn)地線融冰。在安裝與運(yùn)行時,須確保上塔人員的安全。

      地線融冰接地刀閘結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。

      圖4 融冰接地刀閘

      5.2OPGW絕緣配套設(shè)備

      要實現(xiàn)OPGW絕緣,需對OPGW引下線夾、接頭盒、余纜架等配套設(shè)備進(jìn)行絕緣化改造。

      光纜接頭位置均需安裝絕緣接頭盒、絕緣余纜架和絕緣引下線夾。對于非分段的光纜接頭位置,在光纖接續(xù)的同時,還需保持電氣連接,需采用普通絕緣接頭盒。對于光纜融冰分段位置的接頭盒,需斷開兩側(cè)OPGW的電氣連接,但仍要保證光纖的接續(xù),采用光電分離接頭盒。

      絕緣引下線夾將OPGW引下部分與桿塔塔身絕緣。OPGW配套設(shè)備絕緣示意圖見圖5。

      5.3融冰操作裝置

      要實現(xiàn)地線的長距離分段融冰,按融冰方案將導(dǎo)線、地線短接,將導(dǎo)線上的電流引入地線,并構(gòu)成回路,因此需設(shè)計一套專用的融冰操作裝置,主要包括35 kV交聯(lián)聚乙烯電纜和配套的操作桿、合流線夾,見圖6。其中合流線夾安裝于橫擔(dān)正下方導(dǎo)線跳線處,與跳線間隔棒安裝方式相同,用于與導(dǎo)線相連。融冰操作桿下端與連接地線的電纜頭連接,便于操作人員上塔通過操作桿將地線與導(dǎo)線短接。

      圖5 OPGW配套設(shè)備絕緣示意圖

      圖6 地線融冰裝置示意圖

      6 結(jié)論與展望

      (1)通過合理地進(jìn)行分段、接線,將導(dǎo)線直流融冰技術(shù)應(yīng)用于長距離線路的地線融冰是可行的,500 kV施賢線的地線融冰取得了良好效果,也證明直流地線融冰是行之有效的,值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

      (2)地線絕緣改造后的絕緣配合問題,如過電壓、間隙選擇等需做進(jìn)一步深入實驗和研究。

      (3)目前的融冰操作設(shè)備需人工上塔操作,為提高地線融冰接線效率以及安全可靠性,需進(jìn)一步開展對地線自動融冰接線裝置的研究開發(fā)。

      (4)地線融冰距離主要受限于直流融冰裝置輸出電壓和地線復(fù)合絕緣子耐壓水平,應(yīng)加強(qiáng)對直流融冰裝置研制和新型復(fù)合絕緣子的研究,同時進(jìn)一步開展如絕緣地線等新技術(shù)在地線融冰中的應(yīng)用研究。

      參考文獻(xiàn):

      [1] 劉澤洪.直流輸電線路覆冰與防治[M].北京:中國電力出版社,2012.

      [2] 中國南方電網(wǎng)公司.電網(wǎng)防冰融冰技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2010.

      [3] 張訊,馬曉紅,班國邦.直流融冰技術(shù)在架空地線上的應(yīng)用與研究[J].貴州電力技術(shù),2011.(7).

      [4] 傅闖,等.輸電線路融冰技術(shù)研究與應(yīng)用評述[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2012.6(3).

      [5] 饒宏,等.南方電網(wǎng)直流融冰技術(shù)研究[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2008.2(2).

      [6] 周鵬,李光輝.架空地線的融冰方法及改進(jìn)措施[J].湖南電力,2008,28(4).

      [7] 陳義剛,范松海.架空地線的絕緣化改造及融冰方法[J].四川電力技術(shù),2012.6.35(3).

      [8] 吳強(qiáng),吳向東.輸電線路地線直流融冰絕緣間隙的研究和應(yīng)用[J].湖北電力,2012,36(6).

      [9] 中南電力設(shè)計院.2012年施賢線防冰抗冰項目施工設(shè)計說明書[R].武漢:中南電力設(shè)計院,2012.

      中圖分類號:TM75

      文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

      文章編號:1671-9913(2015)02-0051-05

      * 收稿日期:2014-07-29

      作者簡介:張益修(1985- ),男,碩士,工程師,從事輸電線路設(shè)計工作。

      De-icing and Engineering Practice of Long Distance Ground Wire

      ZHANG Yi-xiu, LI Jian, ZHAO Quan-jiang, LI Yi, HU Shou-song, BAI Xiao-lu
      (Central Southern Electric Power Design Institute, Wuhan 430071, China)

      Abstract:Due to the good effect of DC based de-icing technique used in overhead transmission line, it has been widely used in conductor de-icing of 500kV and above AC transmission line line. The ground wire de-icing technology becomes the current problem to be solved. In Shi Bing - Xian Ling Shan 500kV transmission line anti-icing renovation project, according to the complex ground wires, we made deeply study on the DC based de-icing technique for the project and calculated and analyzed. Then we proposed appropriate solutions for de-icing of this project and achieved good effect. This paper based on engineering practice combined with DC based de-icing technology and proposed next prospect.

      Key words:overhead transmission; ground wire; Ice; DC based de-icing; engineering practice.

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