(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司曲靖局云南曲靖655000)
摘要：现阶段，电力系统面临的主要自然灾害就是输电线路覆冰,研制有效的融冰方法十分关键。本文应用直流融冰的方法,引入传热学基本原理,分析了输电线路直流融冰的热平衡过程及直流融冰时间的计算,并通过试验验证了计算的准确性。分析了覆冰厚度、环境温度和风速对融冰时间的影响。结果表明,覆冰厚度、环境温度和风速对融冰时间都有不同程度的影响。
关键词：输电线路；融冰时间；影响因素
1输电线路冰害原因
输电线路的冰害主要由以下几点产生：（1）低温降雪，冬季南方的气温低，雪覆盖在输电线路与设备上并在表面冻结成冰；（2）水气依附，冬季冷空气来袭，空气中的水分子遇冷后依附在输电线路和设备的表面形成云中覆冰；（3）蒸汽凝华，冬天温度较低，空气中大量的水蒸气会因为温度过低而出现凝华，附着在输电线路和设备表面形成凝华覆冰。如果输电线路上的覆冰存在时间不断延长，则覆冰的体积会不断变大，造成输电线路表面的损坏。人工去覆冰容易造成线路的剧烈摇晃甚至断裂。如果不及早去除覆冰，天气转暖后覆冰自动脱落会使线路发生大幅度晃动。覆冰较为严重时，输电线路和相关设备的表层都会被冻住，严重时还会对输电线路和设备的内部造成性能损伤，甚至导致电气事故和机械事故的发生。如果覆冰量非常大，输电线路和设备会难以承受，电气支架会有倒塌的危险，影响电力的正常供应。
2直流融冰时间
假设融冰时环境温度为Te,℃;线路长度为L,km;其单位长度的电阻为R,Ω/km;冰的密度为ρ,kg/m3。融冰之前输电线上冰的温度T=Te,则其所需要的融冰热量可以分为５类:
(1)单位时间冰表面散失的热量(Q1)
Q1=PR+PC(1)式中:PC为对流散热,PR为辐射散热。当输电线中的电流产生的热量等于冰表面散失的热量时,即IC2Rt=Q1,此时电流称为临界融冰电流。只有当输电线流过的融冰电流有效值大于IC时才能融冰。式(1)中:
PR=2πεσRi[(ti+273.15)4-(te+273.15)4](2)
式中:ε=0.8为冰面发射率;σ=5.67×10-8W/(m2•℃
4)为辐射常数;te和ti分别为环境温度和冰表面温度,℃。Pc=2πRih(ti-te)(3)其中h表示外冰层与环境的总换热系数。
h=h1+h2(4)
(5)式中:
h1——外冰层对流换热系数
h2——外冰层辐射换热系数
Ri——冰层厚度与导线半径之和
λa——空气的热传导率,取0.0024J/(kg•℃)
Nu1、Nu2——覆冰导线的自然对流和强制对流的
Nusselt数Ｂ、ｂ——Gr数决定的系数,在覆冰条件下,取Ｂ为
0.48、ｂ为0.25
Gr、Pr、Re——Grashof数、Prandlt数和Reynolds数
g——重力加速度,取9.8m/s2
v——空气动力粘度,取1.328×10-5m/s2
μ——空气动粘度系数,取1.72×10-5kg/(m•s)
Ca——空气比热容,取1005J/kg•K
ρa——空气密度,取1.293kg/m3
va——风速,按三级平均风速。取4.4m/s
C、n——Reynolds数(Re)决定的系数。
(2)单位长度导线上融化冰的温度从Te升高到0℃而吸收的热量(Q2)
Q2=C×(0-Te)×ρ×Am(6)式中:C为冰的比热容,C=2090J/kg;Am为融冰面积。
(3)单位长度导线上0℃的冰融化成水所需要吸收的潜热(Q3)
Q3=ρ×Am×Lf(7)式中:Lf为冰融解潜热,Lf=335000J/kg。
(4)单位长度输电线脱落的冰吸收的热量(Q4)剩余冰单位长度的面积A1可表示为A1=π[(d+r)2-r2]-Am。
冰从导线上脱落时并未融化,剩余的冰层也会带走热量影响融冰时间的精确性。所以单位长度输电线路上剩余冰层吸收的热量Q4为:
Q4=-C×ρ×A1(Te-0.5Ti)(8)
式中:Ti为融冰时冰表面的温度;ρ为冰的密度,ρ=917kg/m3
(5)输电线温度从Te升高到Tmelt吸收的热量(Q5)
Q5=-(CAlρA1AA1+CFeρFeAFe)Te(9)
式中:CAl、CFe分别为铝和铁的比热容CAl=880J/(kg•℃),CFe=460J/(kg•℃),ρAl、ρFe、AAl、AFe分别为铝和铁的密度和截面积ρAl=2.7×103kg/m3,ρFe=7.86×103kg/m3。假设输电线路上流过的电流I大于临界融冰电流IC,经过时间t后输电线上的冰层融化并开始掉落,根据以上分析,融冰的热平衡方程式可表示为:I2RT=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5(10)导线在临界融冰条件下，因此,可得到融冰时间的表达式为:
3融冰时间的影响因素
3.1气象因素
在线路覆冰中气象因素起着至关重要的作用。作为自然现象的线路覆冰往往与多种气象因素有关，比如空气中水汽的含量、风速风向的状况等。不同类型的覆冰也是因为不同的导线温度产生的。
3.2风速因素
在线路覆冰中风速因素也是主要的影响因素，风速越大,冰表面的对流散热越快,在环境温度、电流大小、覆冰厚度保持不变时,冰表面散失的热量加快,因此,融冰时间会变长。以下为环境温度为-5℃,覆冰厚度为10mm时,风速对融冰时间的影响。
3.3导线特性因素
（1）导线自身条件的影响。线路覆冰的严重性与导线的材料有关。导线的直径、导线的硬度、电流的通过量以及导线的电场的不同，都会使线路产生覆冰。①导线刚度：在迎风面上线路覆冰会出现新月型。这类覆冰重心不稳，很容易让导线出现扭转据。而导线旋转的幅度大小与导线的刚度成反比，导线的旋转又会带来线路覆冰的再次增加。②电场与负荷电流，电场能够产生磁力，进而使围绕在导线周围的水汽产生了两极，使水滴因为引力而靠近导线周围，线路覆冰量也因此增多。线路覆冰还有导线温度有关，当电流稍弱时，导线的焦耳热不足以使导线温度一直保持0℃之上，这增加了线路覆冰量。当电流强度大时，产生的焦耳热使导线表面温度保持在0℃，起到了导线自身防止线路覆冰作用。（2）线路走向及悬挂高度的影响。在我国的冬春季节，若导线与风向一致，则水汽会因为风的影响远离导线，线路覆冰现象不会发生。电力导线为东西走向时，此时线路与风向垂直，在风力的作用下，水汽会大量的凝聚在导线上，进而线路覆冰现象严重。
4直流融冰的风险性评估
1)技术性和经济性。直流融冰是一种有别于交
直流短路电流融冰方法的技术性能相对较低，对操作人员的除冰知识和技术要求不高，所以技术人员只需进行简单的培训就可以执行除冰操作，而且维护简单，具有良好的应用前景和推广价值。2)操作性和安全性。虽然直流短路电流融冰方法具有如此多的优点，但在具体实施过程中，这类方法可能会受到地理条件和电源等因素的限制。直流融冰装置对技术人员要求不高，在融冰过程中，不会危及操作人员的人身安全，安全可靠。
结语
综上所述，在输电线路融冰中，直流融冰技术非常重要。直流融冰技术对于融冰电流能够进行精确有效的控制，在输电线路融冰方面发挥着十分重要的作用，值得推广和应用。
参考文献:
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