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積雪冰凍天氣對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活造成嚴(yán)重影響。我國最早有記錄的電網(wǎng)覆冰事件發(fā)生在1954年。此后，大面積電網(wǎng)覆冰災(zāi)害事故時有發(fā)生，特別是2008年南方大面積冰凍災(zāi)害，導(dǎo)致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)遭到破壞和大面積停電，給國民經(jīng)濟(jì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

隨機(jī)性電網(wǎng)覆冰事件有7~12年的重現(xiàn)期，在2018年1月，華南和華東地區(qū)普遍出現(xiàn)大面積的積雪冰凍天氣，多地發(fā)布黃色預(yù)警，供電負(fù)荷急劇增大，并出現(xiàn)不同程度供電緊張的狀況。中西部地區(qū)上百條10kV及以上電壓等級輸電線路因覆冰積雪而中斷供電，多條110~500kV電壓等級輸電線路以及特高壓直流輸電線路發(fā)生覆冰舞動事件。

國內(nèi)外一直在探索研究防止電網(wǎng)發(fā)生冰雪災(zāi)害的方法。機(jī)器人除冰具有無人員傷亡、無須停電和轉(zhuǎn)移負(fù)載等優(yōu)點，但其不具備越障能力，只能在兩線塔之間作業(yè)。激光除冰可在不斷電的情況下快速除去高壓線表面所附著的冰層，但對架空線路進(jìn)行全線融冰的能耗比較大，其應(yīng)用范圍有限。低居里磁熱線通過發(fā)熱除冰，并在部分重覆冰線路上得以應(yīng)用，但其材料成本較高，并未得到廣泛的推廣。

現(xiàn)有的氟塑料、硅橡膠等憎水涂料，有較好的防水性能，但無明顯的防覆冰性能。使用低表面張力和黏合力等憎水性物質(zhì)，除冰效果有限并只在濕雪條件下起作用。交流融冰方法有較好的融冰效果，但和直流融冰相比，交流融冰所需的融冰電源遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直流融冰電源。智能循環(huán)電流融冰方法是將分裂導(dǎo)線子導(dǎo)線進(jìn)行分組并將輸電線路總負(fù)荷電流循環(huán)通流至各子導(dǎo)線組以實現(xiàn)輸電線路融冰。但在工程應(yīng)用上尚需進(jìn)一步改進(jìn)。

到目前為止，只有直流融冰技術(shù)在電網(wǎng)防冰減災(zāi)中發(fā)揮了實際性的作用，取得了巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益。但直流融冰方法也具有一定的局限性，如需要停電、操作不便、設(shè)備笨重、成本較高，且直流融冰方法并不能完全解決大面積冰凍災(zāi)害。目前整流閥電流最大只有6kA，不滿足特高壓融冰電流大于10kA的要求，融冰裝置無法對特高壓輸電線路實施融冰。

架空輸電線路大部分采用鋼芯鋁絞線。導(dǎo)線選型受電磁環(huán)境限制，當(dāng)需要較大直徑以降低表面電場、控制噪聲等指標(biāo)時，可采用擴(kuò)徑導(dǎo)線解決上述問題。疏絞型擴(kuò)徑導(dǎo)線主要應(yīng)用在西北高海拔地區(qū)750kV線路中，疏絞型擴(kuò)徑導(dǎo)線是在鋼芯鋁絞線的基礎(chǔ)上抽股獲得，目前主要采用的導(dǎo)線型號為LGJK-300/50、LGJK-310/50、LGJK-400/45。

為了獲得較大的導(dǎo)線直徑，輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室的研究人員，選擇鋁管支撐型擴(kuò)徑導(dǎo)線進(jìn)行研究。

圖1 500kV輸電線路布置方式示意圖

研究人員結(jié)合重冰區(qū)的輸電線路及改造過程中實際存在的一些問題，提出采用擴(kuò)徑導(dǎo)線代替分裂導(dǎo)線的非人工干預(yù)方法來達(dá)到減少覆冰的目的，本方法在不改變導(dǎo)線輸電面積的情況下，將輸電導(dǎo)線替換為擴(kuò)徑導(dǎo)線，可有效降低輸電線路的覆冰量。

圖2 大氣環(huán)境參數(shù)測量儀器

圖3 不同直徑導(dǎo)線的覆冰情況

除西北電網(wǎng)以外，我國其他地區(qū)是以500kV作為骨干電網(wǎng)，500kV輸電線路通常采用四分裂導(dǎo)線，因此本研究以4×LGJ-400/50為例，選取了具有相同輸電面積的三種擴(kuò)徑導(dǎo)線替換方案，對導(dǎo)線表面電場展開研究，并對四種導(dǎo)線布置方式進(jìn)行自然覆冰試驗，觀測其覆冰特性，分析分裂導(dǎo)線和擴(kuò)徑導(dǎo)線的區(qū)別。得到的主要結(jié)論如下：

• 1）通過對電暈臨界電壓和導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度的計算發(fā)現(xiàn)：本文選取的擴(kuò)徑導(dǎo)線替代分裂導(dǎo)線滿足線路運(yùn)行要求。
• 2）導(dǎo)線直徑越大，碰撞系數(shù)越低。在一定環(huán)境下，碰撞系數(shù)剛好為零時，導(dǎo)線直徑即為臨界覆冰直徑。當(dāng)導(dǎo)線直徑大于臨界直徑時，可認(rèn)為此時不覆冰。
• 3）導(dǎo)線覆冰具有明顯的周期性，在白天導(dǎo)線覆冰增長緩慢、夜晚增長迅速；覆冰前期導(dǎo)線覆冰增長迅速、后期覆冰增長緩慢。
• 4）當(dāng)處于相同環(huán)境下，與擴(kuò)徑導(dǎo)線相比，分裂導(dǎo)線有更大的碰撞系數(shù)和更長的計算直徑，根據(jù)覆冰增長公式可知分裂導(dǎo)線的覆冰量大于擴(kuò)徑導(dǎo)線。
• 5）通過雪峰山自然覆冰基地自然覆冰得到結(jié)論：與四分裂導(dǎo)線相比，擴(kuò)徑導(dǎo)線的覆冰減少量為30%~80%，導(dǎo)線直徑越大，分裂根數(shù)越少，減少覆冰量也越為明顯。

以上研究成果發(fā)表在2020年第11期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“采用擴(kuò)徑導(dǎo)線替代分裂導(dǎo)線的防冰方法”，作者為畢聰來、蔣興良、韓興波、楊忠毅、任曉東。