導(dǎo)線防冰雪技術(shù)應(yīng)用展望

， (西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

輸電線路的覆冰嚴(yán)重威脅著電網(wǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行，輕者引起閃絡(luò)跳閘，重者導(dǎo)致倒塔斷線，使電力設(shè)施遭到毀滅性破壞，對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重危害。中國(guó)是輸電線路覆冰災(zāi)害嚴(yán)重的國(guó)家之一。2005年華中地區(qū)冰災(zāi)、2008年南方地區(qū)大面積冰災(zāi)、2017年華中地區(qū)輸電線路舞動(dòng)都對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)造成極大破壞，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會(huì)和人民生活造成了極為嚴(yán)重的影響，因此，開展防覆冰技術(shù)研究，開發(fā)可靠的導(dǎo)線防冰雪技術(shù)，采用有針對(duì)性的預(yù)防措施和處理方法，已成為一個(gè)重要而緊迫的課題，對(duì)提高電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有非常重要的價(jià)值。

就目前來講，根據(jù)抗冰雪原理的不同，輸電線路導(dǎo)線防冰雪技術(shù)又分為以下幾種類型[1-2]：

1)發(fā)熱融冰：使輸電線本身或纏繞其上的電阻絲發(fā)熱，從而使冰融化。

2)振動(dòng)除冰：通過使輸電線產(chǎn)生振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)除冰的目的。

3)改進(jìn)結(jié)構(gòu)減冰：通過改進(jìn)外層鋁股單絲結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)線表面光滑，冰雪不容易附著在導(dǎo)線表面。

4)涂覆材料防冰：通過在導(dǎo)線表面涂覆某些材料減緩和防止導(dǎo)線結(jié)冰。

下面對(duì)目前國(guó)內(nèi)外導(dǎo)線防冰雪技術(shù)的科研成果進(jìn)行了調(diào)研總結(jié)，提出了下階段防冰雪導(dǎo)線應(yīng)用發(fā)展的方向。

1 導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)型式

中國(guó)導(dǎo)線型式普遍選用GB 1179-83 《鋁絞線及鋼芯鋁絞線》及GB/T 1179-2008 《圓線同心絞架空導(dǎo)線》中的定型產(chǎn)品，具有成熟的生產(chǎn)、運(yùn)行、施工經(jīng)驗(yàn)，但由于絞線中單絲均呈圓柱狀，因此絞制后單絲間往往存在較大的縫隙、凹槽，而這些縫隙、凹槽使覆冰可以牢牢地粘附在導(dǎo)線表面上。

對(duì)此，國(guó)外已研制開發(fā)出Z型結(jié)構(gòu)型式的防冰雪導(dǎo)線，已投入生產(chǎn)并掛網(wǎng)運(yùn)行。中國(guó)2006年發(fā)布了GB/5 20141-2006 《型線同心絞架空導(dǎo)線》，各電纜廠家在2008年特大冰災(zāi)后，也加大了這方面產(chǎn)品的研制，中天科技等電纜廠家已研制出梯型和Z、S型的型線同心絞導(dǎo)線。該系列導(dǎo)線絞合后，單絲間咬合更緊密，導(dǎo)線表面更光滑，可以減小覆冰在導(dǎo)線表面的附著力，過冷水滴、冰雪等不易聚集在導(dǎo)線表面，從而延緩了導(dǎo)線覆冰的時(shí)間；并且在相同鋁截面下可以減少導(dǎo)線直徑10%～15%，相應(yīng)減少了導(dǎo)線上的覆冰量,適合重冰線路使用。普通導(dǎo)線及型線導(dǎo)線結(jié)構(gòu)型式見圖1、圖2。

表1 不同冰區(qū)導(dǎo)線覆冰量比較表

注：上表覆冰密度取0.9 g/cm3。

圖1 普通導(dǎo)線結(jié)構(gòu)

圖2 型線導(dǎo)線結(jié)構(gòu)

分別從GB/T 1179-2008 《圓線同心絞架空導(dǎo)線》及GB/5 20141-2006 《型線同心絞架空導(dǎo)線》標(biāo)準(zhǔn)中選擇出相同鋁截面、結(jié)構(gòu)相近的JL/G1A-400/50鋼芯鋁絞線和JLX/G1A-400/52型線結(jié)構(gòu)鋼芯鋁絞線，對(duì)其在不同冰區(qū)下的覆冰量進(jìn)行計(jì)算比較，計(jì)算結(jié)果見表1。結(jié)果表明在未考慮導(dǎo)線粗糙程度對(duì)導(dǎo)線覆冰量影響的前提下，型線結(jié)構(gòu)仍較普通圓線結(jié)構(gòu)覆冰量減少了約3.2%～6.5%。

此外，根據(jù)覆冰觀測(cè)和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線覆冰或積雪過程中，總是先在導(dǎo)線迎風(fēng)側(cè)形成覆冰或積雪，后在冰雪重力作用下，使導(dǎo)線發(fā)生扭轉(zhuǎn)，覆冰或積雪繼續(xù)在導(dǎo)線迎風(fēng)面堆積，使導(dǎo)線再次扭轉(zhuǎn)，該過程重復(fù)發(fā)生，使覆冰或積雪在導(dǎo)線表面不斷增長(zhǎng)。其發(fā)展過程如圖3所示。根據(jù)覆冰或積雪這一發(fā)展過程，可以優(yōu)化導(dǎo)線排列結(jié)構(gòu)，如法國(guó)耐克森公司的aero-z型架空導(dǎo)線，增大了導(dǎo)線的扭距，可以減小導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)，從而減少覆冰或積雪在導(dǎo)線表面的聚集。

圖3 覆冰或積雪在導(dǎo)線表面的發(fā)展過程

綜上所述，導(dǎo)線采用型線結(jié)構(gòu)可改善導(dǎo)線表面狀況、減小導(dǎo)線直徑、提高導(dǎo)線的抗扭轉(zhuǎn)性能，較圓線結(jié)構(gòu)在防冰雪方面具有優(yōu)勢(shì)。目前該項(xiàng)技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外多條線路上推廣采用，具有一定的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

2 發(fā)熱融冰

2.1 耐熱導(dǎo)線

目前中國(guó)輸電線路通常采用鋁、鋁合金等良導(dǎo)體與機(jī)械性能較好的鋼絲絞制而成的鋼芯鋁絞線、鋼芯鋁合金絞線，導(dǎo)線允許溫度不超過70℃～80℃；而鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線，由于在普通的金屬鋁中添加了金屬鋯等成分，提高了材料的再結(jié)晶溫度，使其能在較高的溫度下不降低機(jī)械強(qiáng)度，其最高允許溫度可達(dá)150℃。

按中國(guó)規(guī)程要求輸電線路一般按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇導(dǎo)線截面，僅對(duì)于大跨越線路按照導(dǎo)線允許載流量來選擇。對(duì)于重冰區(qū)線路采用鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線后，按導(dǎo)線允許載流量來選擇后，較普通鋼芯鋁絞線、鋼芯鋁合金絞線可減小導(dǎo)線截面積、重量，從而減小桿塔冰風(fēng)荷載，降低單基塔重，節(jié)約線路初投資；雖然導(dǎo)線電暈、電阻產(chǎn)生的電能損失相對(duì)增加，但由于重冰區(qū)區(qū)段長(zhǎng)度較短，相對(duì)總的電能損失增加不多,并且對(duì)于相同的工作負(fù)荷電流，鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線溫度較普通導(dǎo)線高,能避免過冷卻水滴在導(dǎo)線上凍結(jié)，從而使導(dǎo)線不結(jié)冰或盡量減少導(dǎo)線覆冰量的可能。下面從GB/T 1179-2008 《圓線同心絞架空導(dǎo)線》標(biāo)準(zhǔn)中分別選擇在中國(guó)500 kV線路中廣泛采用的LGJ-500/45鋼芯鋁絞線、A3/S1A-523/68鋼芯鋁合金絞線與中天科技生產(chǎn)的JGQNRLHX/EST-480/90、NRLH60/G1A -300/40、NRLH60/G1A -240/30鋼芯耐熱鋁合金絞線進(jìn)行比較。各導(dǎo)線參數(shù)見表2。

按GB 50545-2010 《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的載流量公式計(jì)算，各導(dǎo)線相同工作電流情況下導(dǎo)線表面溫升比較見表3。

由表3可以看出相同輸送功率情況下，耐熱鋁合金導(dǎo)線由于將導(dǎo)線最高允許溫度提高到150℃，因此耐熱鋁合金導(dǎo)線的截面、直徑可較常規(guī)鋼芯鋁(鋁合金)絞線大大降低。表3選擇的耐熱鋁合金導(dǎo)線均能滿足常規(guī)500 kV線路極限輸送容量的要求。

按導(dǎo)線覆冰形成機(jī)理的研究，影響導(dǎo)線覆冰的氣象因素主要有4種，即空氣溫度(Ta)、風(fēng)速風(fēng)向(V)、空氣或云中過冷卻水滴直徑(MHD)、空氣中液態(tài)水含量(LWC)。這4種因素的不同組合確定了導(dǎo)線覆冰類型，各種類型覆冰形成的氣象條件見表4。

表2 導(dǎo)線參數(shù)表

表3 導(dǎo)線表面溫升比較表

注：1)環(huán)境溫度取40℃；2)功率因數(shù)取0.95；3)表中按500 kV電壓等級(jí)，單回三相，每相導(dǎo)線四分裂計(jì)算輸送功率。

表4 覆冰的形成條件

表5 典型覆冰條件下導(dǎo)線不覆冰的臨界電流

按表4給出的典型覆冰條件，對(duì)5種導(dǎo)線不覆冰的臨界電流進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表5[3]。

通過表5可以看出典型覆冰氣象條件下，耐熱鋁合金導(dǎo)線的臨界電流均小于普通鋼芯鋁(鋁合金)絞線，其中隨著耐熱鋁合金導(dǎo)線截面的減小其臨界電流亦在減小。NRLH60/G1A-240/30導(dǎo)線在雨凇情況下的臨界電流值基本與中國(guó)500 kV線路一般正常輸送容量1 000 MW時(shí)對(duì)應(yīng)的四分裂導(dǎo)線每根子導(dǎo)線的工作電流300 A接近。因此在冬季通過科學(xué)調(diào)度，提高易覆冰線路輸送功率，并選用導(dǎo)線直徑、臨界電流均較小的耐熱鋁合金導(dǎo)線，再輔之其他導(dǎo)線防冰雪的措施，可以減少導(dǎo)線覆冰量或使導(dǎo)線不覆冰。但耐熱鋁合金導(dǎo)線導(dǎo)電率較鋼芯鋁絞線低，且運(yùn)行溫度高在運(yùn)行中損耗較大，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)采用最小年費(fèi)用法并結(jié)合工程施工運(yùn)行情況，綜合比較選用合理的導(dǎo)線型式。

2.2 低居里鐵磁材料

鐵磁材料的居里點(diǎn)特性，指當(dāng)材料在其居里點(diǎn)溫度以下時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度增高，表現(xiàn)為鐵磁體；而在居里點(diǎn)溫度以上時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度顯著下降，表現(xiàn)為順磁體[4]。目前常用的鐵磁材料有鐵(Fe)、鎳(Ni)、鈷(Co)，其中鐵(Fe)的居里溫度為1 034 K，鎳(Ni)的居里溫度為627 K，鈷(Co)的居里溫度為1 397 K。鈷(Co)不僅居里溫度高且價(jià)格昂貴，因此目前普遍采用鐵鎳合金做為鐵磁材料，為降低鐵鎳合金的居里溫度，摻入鉻(Cr)、硅(Si)元素，制成Fe-Ni-Cr-Si低居里鐵磁合金材料。該類材料在居里點(diǎn)溫度以下時(shí)，受電場(chǎng)影響，其表面磁滯、渦流明顯，發(fā)熱量顯著上升，可以融冰或避免導(dǎo)線結(jié)冰。并且在居里點(diǎn)溫度以下時(shí)，在導(dǎo)線電流大到某一數(shù)值后，鐵磁材料磁感應(yīng)強(qiáng)度接近飽和，此后隨著導(dǎo)線電流的增加，鐵磁材料產(chǎn)生的損耗基本不變，武漢高壓研究所等單位研制的一種低居里點(diǎn)鐵磁材料發(fā)熱功率與導(dǎo)線傳輸電流的特性曲線見圖4[5]；而此類鐵磁材料在居里溫度以上時(shí)，材料磁感顯著降低，發(fā)熱很少或不發(fā)熱，線路損耗相對(duì)增加不多。

圖4 低居里點(diǎn)鐵磁材料發(fā)熱功率與導(dǎo)線傳輸電流的特性曲線

英國(guó)學(xué)者對(duì)普通LN-ACSR-940鋼芯鋁絞線、外層纏繞、不纏繞鐵磁線的情況進(jìn)行了試驗(yàn)比較，導(dǎo)線外層纏繞鐵磁線后發(fā)熱明顯增加，且通過適當(dāng)提高鐵磁線中鎳金屬含量，可進(jìn)一步提高導(dǎo)體的發(fā)熱量，導(dǎo)體中的電流與發(fā)熱量的關(guān)系曲線見圖5。

圖5 電流與發(fā)熱量的關(guān)系曲線

英國(guó)等其他國(guó)家亦已開發(fā)出具有同樣特性的鐵磁線，其中英國(guó)學(xué)者通過對(duì)鐵磁材料中鎳(Ni)含量的比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，并通過磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)試、發(fā)熱試驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)室人工降雪模擬試驗(yàn)，合理確定了Fe、Ni、Cr、Si四種元素的含量，該種鐵磁線已在覆雪嚴(yán)重的輸電線路上掛網(wǎng)運(yùn)行，并取得不錯(cuò)的防雪效果。

由于目前鐵磁材料采用Fe、Ni、Cr、Si等元素，原材料費(fèi)用高，制造工藝復(fù)雜；國(guó)內(nèi)對(duì)鐵磁材料的研究還相對(duì)落后，目前研制出的鐵磁材料居里點(diǎn)溫度在60℃～80℃之間，使線路在大部分時(shí)間運(yùn)行情況下，鐵磁線仍發(fā)熱，線路損耗大大增加，且施工也較為復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)外僅有少量線路采用，下階段能否通過鐵磁材料配方的調(diào)整優(yōu)化降低其居里點(diǎn)溫度，成為該類低居里鐵磁材料推廣應(yīng)用于防冰雪導(dǎo)線的關(guān)鍵。

3 涂覆材料

根據(jù)覆冰形成機(jī)理，覆冰是空氣中的過冷卻水滴在導(dǎo)線表面凍結(jié)并持續(xù)發(fā)展的過程。因此通過在導(dǎo)線表面涂覆憎水性涂料，一方面可減少冰雪在導(dǎo)線上的粘附力；另一方面也可減少過冷卻水滴在導(dǎo)線表面的集聚，從而抑制覆冰的形成和發(fā)展。

在人工氣候模擬箱中通過溫控系統(tǒng)控制覆冰氣溫和成冰水溫，對(duì)同種鋁單絲涂附不同涂料后的覆冰特性進(jìn)行了比較，試驗(yàn)表明涂料的表面張力越小，憎水性越強(qiáng)，防止鋁單絲覆冰的效果越明顯。該試驗(yàn)中鋁單絲不同涂料表面覆冰增長(zhǎng)情況見圖6[6]。

圖6 不同鋁單絲表面覆冰質(zhì)量增長(zhǎng)情況

用作導(dǎo)線的防冰雪涂料，一方面要有較高的熱傳導(dǎo)性，另一方面又要有較低的表面張力和較強(qiáng)的憎水性，并在野外惡劣的自然條件下具有很好的抗老化性能及耐候性，否則每次冰雪來臨前重新涂刷的話，運(yùn)行維護(hù)成本太高。由于防冰雪導(dǎo)線用涂料起步較晚，目前各科研院校在實(shí)驗(yàn)研究中已開發(fā)出部分導(dǎo)線防覆冰涂料，雖然其疏水性能均達(dá)到了較高的水平，但除冰效果有限并只在濕雪條件下起作用，在氣溫低、水霧呈過冷卻的情況下，防冰效果均不理想。因此對(duì)于涂料中成膜物質(zhì)的選擇、配套顏料的制備、涂料合成工藝等方面還有待進(jìn)一步科研攻關(guān)，但防冰雪涂料應(yīng)用前景還是非常明朗的。

4 結(jié) 語

雖然目前導(dǎo)線防冰雪技術(shù)的研究仍處于起步階段，但通過對(duì)導(dǎo)線結(jié)構(gòu)型式及材質(zhì)的優(yōu)化、型線工藝的成熟、耐熱導(dǎo)線的逐步推廣、低居里鐵磁材料的研發(fā)、防冰雪導(dǎo)線涂料的破題，導(dǎo)線防冰雪技術(shù)的研究和攻關(guān)已取得初步成效。通過以上調(diào)研結(jié)論，從提高導(dǎo)線防冰防雪能力方面對(duì)今后重冰線路設(shè)計(jì)具有重要的參考和借鑒意義。今后在此基礎(chǔ)上繼續(xù)加大投入力度，并將理論研究與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，必將對(duì)以避、抗為主的重冰線路的設(shè)計(jì)理念產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，并進(jìn)一步提高重冰區(qū)線路的安全性，降低運(yùn)行維護(hù)的難度。

[1] 蔣興良，易輝.輸電線路覆冰及防冰[M].北京：中國(guó)電力出版社，2002.

[2] 劉和云. 架空導(dǎo)線覆冰防冰的理論與應(yīng)用[M]. 北京:中國(guó)鐵道出版社,2001.

[3] 審?fù)绖?電力系統(tǒng)輸電線路抗冰除冰技術(shù)研究進(jìn)展綜述[J].機(jī)電工程,2008，25(7)：72-75.

[4] 蔣興良，范松海，孫才新，等.低居里點(diǎn)鐵磁材料在輸電線路防冰中應(yīng)用前景分析[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2008，2(2)：19-22.

[5] 梅冰笑，潘學(xué)明.輸電線路防覆冰臨界電流密度預(yù)測(cè)模型研究[J].電氣應(yīng)用，2009，28(4)：72-76.

[6] 汪佛池，李成榕，呂玉珍，等.憎水涂層對(duì)鋁單絲表面覆冰性能的影響[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(10)：123-128.