鐵路電力系統(tǒng)防冰融冰技術(shù)研究報(bào)告

BeijingJiaotongUniversity

鐵路電力系統(tǒng)防冰融冰技術(shù)

研究報(bào)告

一、小組成員及分工二、研究的背景及意義

供電系統(tǒng)在遭遇的各種自然災(zāi)害中，冰災(zāi)是最嚴(yán)重的威脅之一，當(dāng)嚴(yán)重冰災(zāi)持續(xù)來襲時(shí)，輸電線路難免會(huì)出現(xiàn)覆冰。鐵路電力系統(tǒng)受大氣候、微地形、微氣象條件的影響，又因?yàn)榘l(fā)生冰害事故時(shí)往往天氣惡劣、冰雪封山交通受阻、通信中斷、搶修十分困難，因而經(jīng)常造成系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間停電，給鐵路客貨運(yùn)輸造成嚴(yán)重?fù)p失，經(jīng)濟(jì)損失慘重。

近些年來，冰災(zāi)破壞程度越來越強(qiáng)，影響越來越廣，應(yīng)對(duì)難度也越來越大。在鐵路方面不斷高速發(fā)展的情況下，鐵路電力系統(tǒng)在工程和運(yùn)行中如何應(yīng)對(duì)電網(wǎng)覆冰帶來的危害，成為一項(xiàng)重要課題。三、研究成果(一)

目前電網(wǎng)電力系統(tǒng)主要采用的防冰融冰技術(shù)

當(dāng)嚴(yán)重的冰災(zāi)持續(xù)來襲時(shí)，露天電力設(shè)備和輸電線路覆冰在所難免，因此有必要對(duì)這些電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行除冰。主要有以下幾個(gè)大類：

1.過電流融冰法

過電流融冰技術(shù)是在線路導(dǎo)線或地線上通過加以高于正常電流值的傳輸電流，提高電路產(chǎn)熱量，從而達(dá)到融冰目的，其大致可分為以下幾種：

（1）帶負(fù)荷融冰法；

（2）基于移相器的帶負(fù)荷融冰法；

（3）用自耦式變壓器對(duì)特殊結(jié)構(gòu)的多分裂導(dǎo)線進(jìn)行融冰法。2.交流短路融冰法

短路電流融冰法就是在架空線路的某一點(diǎn)裝設(shè)三相融冰短路線(但不接地)，再對(duì)線路送實(shí)際融冰電源，經(jīng)過一段時(shí)間后，線路發(fā)熱，從而將架空線路上的覆冰融化。工作中常采用以下兩種方法：

（1）先將線路短路，由發(fā)電機(jī)帶融冰線路零起升流。一般情況下，零起升流法只適用于需要的融冰電流較小的輸電線路，且要求發(fā)電機(jī)容量較大。（2）先將線路短路，控制斷路器對(duì)三相短路線路進(jìn)行全電壓沖擊合閘。這種方法，必須根據(jù)融冰電流及短路電流大小選用適宜的短線回路阻抗，一般的都是通過第一級(jí)的電壓對(duì)相應(yīng)的高一級(jí)的線路實(shí)行短路融冰，電壓水平維持在正常的運(yùn)行狀態(tài)。

3.利用直流電流加熱線路融冰

直流融冰是將覆冰線路作為負(fù)荷，提供直流電源產(chǎn)生較低的電壓來提供短路電流，使之產(chǎn)生熱量，加熱導(dǎo)線，從而達(dá)到覆冰融化的目的的一種融冰方法。這種方法直流電流產(chǎn)生的熱量必須大于導(dǎo)線散熱量和融冰熱量之和，電線上的覆冰才能融化。

4.其它除冰方法

（1）機(jī)械除冰法：滑輪刮鏟法是目前唯一可行的輸電線路除冰的機(jī)械方法，其過程是由地面工作人員拉動(dòng)可以在線路上行走的滑輪達(dá)到鏟除覆冰的目的�；�本的機(jī)械除冰法對(duì)設(shè)備、環(huán)境要求較低、耗能小、價(jià)格低廉，但操作困難、安全性能亦需完善，所以該方法并不適用于我國西部高海拔、地形復(fù)雜地區(qū)。（2）被動(dòng)除冰：就是依靠自然的力風(fēng)、地球吸引力、隨機(jī)散射和溫度變化等被動(dòng)脫冰的方法。這種方法不需要附加外界能量條件，已經(jīng)運(yùn)用到輸電線路上的有線夾、除冰環(huán)、阻雪環(huán)、憎水憎冰涂料、風(fēng)力錘等來預(yù)防或減少輸電線路上的覆冰。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是費(fèi)用低，但也有一定的缺點(diǎn)就是不能完全阻止覆冰的形成，這只僅僅適用于特定的地區(qū)，范圍較窄。

（3）熱力融冰：增大導(dǎo)線的傳輸電流融冰或采用短路電流融冰，加裝低距離溫度磁環(huán)或低距離溫度磁力線，促使導(dǎo)線自身發(fā)熱，溫度升高。這種融冰方法要消耗較高的電能。

這幾種方法以外，也有利用電磁脈沖、氣動(dòng)脈沖、電暈放電、電子凍結(jié)、碰撞前顆粒加熱和凍結(jié)等防冰除冰的方法，但這些都是理想或試驗(yàn)階段中，未能實(shí)現(xiàn)，還不夠成熟，還需要加以研究和探討。目前國內(nèi)外設(shè)計(jì)的除冰機(jī)械人通常由爬行機(jī)構(gòu)、越障機(jī)構(gòu)、除冰機(jī)構(gòu)三部分組成，并且向著小型化、實(shí)用化、可越障、智能化的方向發(fā)展。(二)

鐵路電力系統(tǒng)的防冰融冰技術(shù)

由于地形限制和負(fù)荷特點(diǎn)，決定貫通線通常采用架空和高壓電纜混合聯(lián)結(jié)的方式，同時(shí)因?yàn)閭鬏斬?fù)荷輕，導(dǎo)線截面積較小，且貫通線長(zhǎng)度較短，一般不超過70km，所以鐵路貫通線存在特殊性，即在覆冰融掉的同時(shí)，融冰電流又不能太大，致使電纜過熱導(dǎo)致絕緣損傷。鐵路供電系統(tǒng)中的主要外線即貫通線融冰不能簡(jiǎn)單地取用或移植電網(wǎng)電力系統(tǒng)的防冰技術(shù)。

1.架空與電纜混合的鐵路電力線路融冰技術(shù)

交流融冰對(duì)純架空線路是較為容易的，適應(yīng)大部分一般鐵路35／10kV貫通線供電系統(tǒng)。因?yàn)殡娏骺梢源笥谠试S載流量的1．15倍以上，脫冰方式可以根據(jù)融冰電流進(jìn)行選擇，即可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件及其貫通線運(yùn)行要求進(jìn)行靈活選擇和配置。貫通線采用架空和電纜混合線路時(shí)，由于融冰電流受到高壓電纜耐受電流能力限制，使得融冰電流限制較為困難。綜合考慮，以融冰時(shí)間在1～2h較為適宜。2.采用10kV電源的融冰方案

直接短路法是電力部門常用的高效融冰方法。要求10kV電源必須完好且容量足夠，通�？扇诒�的線路長(zhǎng)度需要配套。研究表明：對(duì)LGJ35～70導(dǎo)線，可融冰線路長(zhǎng)度以35km左右為宜；對(duì)LGJ95～l50導(dǎo)線，則適度減少到30km左右(對(duì)應(yīng)融冰電流350～470A)。超過此長(zhǎng)度，需要考慮分段融冰法。通常采用中間短路的方式，兩端注入電源，則融冰線路長(zhǎng)度超過70km，足以覆蓋所有常規(guī)的貫通線長(zhǎng)度。通常所需的有功功率為2700～3700kW，需要跨過調(diào)壓器直接從外部電網(wǎng)引入接線，相應(yīng)的開關(guān)保護(hù)設(shè)計(jì)需要配套。如果有電纜串聯(lián)，則應(yīng)串聯(lián)小電抗等限流措施保護(hù)導(dǎo)線電纜部分以免過熱受損。(三)

鐵路電力系統(tǒng)防冰融冰技術(shù)建議

1.適度提高貫通線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)防冰工作的系統(tǒng)性研究。在線路設(shè)計(jì)和運(yùn)行階段都要加強(qiáng)防冰措施，即設(shè)計(jì)避冰、改進(jìn)抗冰、運(yùn)行除冰。在線路設(shè)計(jì)階段，對(duì)于進(jìn)入重冰區(qū)的線路，必須提高線路、桿塔、絕緣子和附屬金具等設(shè)備的防冰雪、雨霧和污染的等級(jí)；對(duì)于已有線路，在滿足經(jīng)濟(jì)性和時(shí)間條件許可的情況下，對(duì)線路及其相關(guān)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，如更換新型導(dǎo)線、采用防冰涂料、增加防覆冰裝置等，以增強(qiáng)其抗冰雪能力。

2.參照電力部門的融冰管理方法，及早研究制定鐵路電力系統(tǒng)機(jī)械除冰操作規(guī)范、熱力融冰操作規(guī)范等，制定應(yīng)對(duì)大雪和冰災(zāi)的應(yīng)急預(yù)案。針對(duì)鐵路電力系統(tǒng)融冰的特殊性，優(yōu)化采用最佳電流值配置的短路熱力融冰方法，適時(shí)建立冰情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.基于電力線路防冰技術(shù)研究，通過加強(qiáng)對(duì)導(dǎo)線覆冰機(jī)理、模型，覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)機(jī)理和電力線路各種防冰除冰技術(shù)的改進(jìn)及其實(shí)用化的研究，進(jìn)一步對(duì)牽引供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)和附加導(dǎo)線的覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)機(jī)理進(jìn)行深入研究。

4.認(rèn)真考察和評(píng)估電網(wǎng)預(yù)防和應(yīng)對(duì)各種意外大規(guī)模災(zāi)害和事故的能力，制定適應(yīng)不同等級(jí)電網(wǎng)、不同地區(qū)電網(wǎng)特點(diǎn)的應(yīng)急計(jì)劃，以及災(zāi)后快速恢復(fù)和重建機(jī)制。四、研究總結(jié)

鐵路電力系統(tǒng)由于其線路結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，除了采用基本的電力系統(tǒng)防冰融冰技術(shù)外，還要特殊考慮其貫通線的防冰融冰方法，目前這一方面還尚未完善，還有進(jìn)一步的研究?jī)r(jià)值。五、參考文獻(xiàn)

[1]張紅偉.淺談電網(wǎng)防冰融冰技術(shù)及應(yīng)用[J].淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，201*，11(3)：91-92.

[2]吳天啟.鐵路電力系統(tǒng)防冰除冰技術(shù)[J].中國鐵路，201*(8)：26-29[3]劉文濤,和識(shí)之,陳亦平等.基于直流融冰的電網(wǎng)大面積冰災(zāi)防御策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,201*,36(11):102-107.

[4]張慶武,呂鵬飛,王德林等.特高壓直流輸電線路融冰方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,201*,33(7):38-42.

擴(kuò)展閱讀：電網(wǎng)冰災(zāi)案例及抗冰融冰技術(shù)綜述

第2卷第2期/Vol.2No.2201*年4月/Apr.201*南方電網(wǎng)技術(shù)SOUTHERNPOWERSYSTEMTECHNOLOGY特約抗冰融冰技術(shù)/pp.1-48Special:Anti-/De-icingTechnology

文章編號(hào)：1674-0629(201*)02-0001-06

中圖分類號(hào)：TM711；TM712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

電網(wǎng)冰災(zāi)案例及抗冰融冰技術(shù)綜述

許樹楷，趙杰

(南方電網(wǎng)技術(shù)研究中心，廣東廣州510623)

ReviewofIceStormCasesimpactedseriouslyonPowerSystems

andDe-icingTechnology

XUShu-kai,ZHAOJie

(CSGTechnologyResearchCenter,Guangzhou,Guangdong510623,China)

Abstract：Theworldwideicestormcasesimpactedseriouslyonpowertransmissionsystemsarepresented.Furthermore,withareviewofliteraturesrelatedtoanti-icing/de-icingtechnologyforpowergrids,anintegratedschemeforresponsingicestormisproposedwiththreeaspects.Firstly,tobuildupamonitoringsystemfortheimportanttransmissionlinesthatcanactivateforriskanalysisofdamageandthuscanenhancetheanti-icingcapabilityofpowergrids.Secondly,toupgradethedesignstandardoftransmissionlinesinthepotentialheavyiceregion,andtoemployvariousmeasuresfordifferentareas,suchasclassicanti-icing/de-icingmethodsreviewedinthispaper,ornoveltechnologybeingdevelopedforthispurpose.Finally,tosetupadecisionsupportsystemtohelpeffectuallymaketheresourceinconformitytorestorethegridforquickpowersupplywhenseriousicestormbefalls.

電流融冰”和“直流電流融冰法”等方法外，開展基于新技術(shù)、新材料的抗冰防冰措施研究，因地制宜采用抗冰融冰技術(shù)。三是建立完善的電網(wǎng)恢復(fù)決策支持系統(tǒng)，當(dāng)輸電系統(tǒng)遭遇冰災(zāi)時(shí)，能有效地整合資源，修復(fù)電網(wǎng)，迅速地恢復(fù)電力供應(yīng)。

關(guān)鍵詞：冰災(zāi)；電網(wǎng)；抗冰；融冰

冰災(zāi)對(duì)電力傳輸?shù)奈：υ谟�，電網(wǎng)系統(tǒng)覆冰嚴(yán)重時(shí)會(huì)斷線、倒桿塔，導(dǎo)致大面積停電事故，且事故發(fā)生在嚴(yán)冬季節(jié)，大雪封山，公路結(jié)凍，難于搶修，造成長(zhǎng)時(shí)間停電。因此，冰雪、凍雨是許多國家電網(wǎng)系統(tǒng)所面臨的嚴(yán)重威脅之一。自20世紀(jì)40年代以來，冰災(zāi)的威脅是半個(gè)多世紀(jì)來電力系統(tǒng)工業(yè)界與學(xué)術(shù)界一直竭力應(yīng)對(duì)的一大技術(shù)難題。

為了抗擊冰害對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的影響，各國除了在線路設(shè)計(jì)階段已經(jīng)針不同地區(qū)氣象條件的差異，制定相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范和導(dǎo)則之外，還投入了很大的力量研究線路在冰災(zāi)條件下的抗冰融冰技術(shù)。為了掌握已有的研究成果，本文在全面收集有關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，整理了近年來世界范圍電網(wǎng)系統(tǒng)主要冰災(zāi)案例，對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)抗冰融冰技術(shù)和應(yīng)用情況進(jìn)行深入的討論和分析，展望了電網(wǎng)系統(tǒng)抗冰融冰技術(shù)的發(fā)展方向。

Keywords：icestorm;powergrid;anti-icing;de-icing

摘要：介紹了近年來世界范圍主要冰災(zāi)案例。綜述有關(guān)電網(wǎng)應(yīng)對(duì)冰災(zāi)影響的文獻(xiàn)資料，認(rèn)為開展電網(wǎng)冰災(zāi)綜合防治體系，主要包括以下3個(gè)層面：一是在覆冰嚴(yán)重的重要線路推廣使用覆冰監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，分析電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)，提高電網(wǎng)防冰抗冰的災(zāi)害預(yù)防能力。二是適當(dāng)提高潛在的重冰地區(qū)輸電線路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)不同的區(qū)域，除應(yīng)用成熟的“過

1近年來世界范圍主要冰災(zāi)案例1.1201*年中國南方電網(wǎng)的冰災(zāi)

201*年年初，受北方南下強(qiáng)冷空氣和西南暖濕2

南方電網(wǎng)技術(shù)

201*年

第2卷

氣流共同影響，南方區(qū)域的貴州、廣西、廣東、云南等省遭遇歷史上罕見的雪凝災(zāi)害性天氣，電力基礎(chǔ)設(shè)施遭到大面積的嚴(yán)重破壞，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2月27日，低溫雨雪冰凍災(zāi)害造成南方電網(wǎng)10kV及以上線路7541條被迫停運(yùn)，35kV及以上變電站859座被迫停運(yùn)，10kV及以上線路倒桿倒塔及損壞126247基。

1.21998年美加冰災(zāi)[1]

從1998年1月5日0時(shí)開始，美國東北部和加拿大東南部?jī)鲇甑臍庀髼l件持續(xù)了6天，降水量驚人。從Ontario東南部和紐約北部到魁北克的西南部，凍雨量累計(jì)超過80mm。冰災(zāi)對(duì)加拿大和美國都造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。加拿大的Ontario東南部和魁北克南部省份的受災(zāi)情況最為嚴(yán)重，造成了28人死亡，超過100人緊急送院治療。由于覆冰嚴(yán)重，大量輸電線路鐵塔、樹木等倒塌，電力供應(yīng)中斷，交通堵塞，通訊異常。大約60萬人撤離家園，10萬人需要到臨時(shí)收容站避寒。風(fēng)暴給電網(wǎng)帶來了嚴(yán)重的影響，造成了范圍廣闊的電力中斷。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，Hydro-Quebec的電力網(wǎng)絡(luò)超過3000km受到冰災(zāi)影響，造成1000座高壓輸電桿塔、30000座配電桿塔倒塌，4000臺(tái)變壓器需要修復(fù)。Hydro-Quebec和OntarioHydro電網(wǎng)系統(tǒng)的維修費(fèi)用為10億（加拿大元）。美國在大范圍和持續(xù)的電力中斷下，20條主要輸電線路、13000座電線桿、1000臺(tái)高壓設(shè)備和5000臺(tái)變壓器需要更換，費(fèi)用高達(dá)1750萬美元。

美加冰災(zāi)造成470萬加拿大人和50萬美國人遭受停電影響，其中40萬戶居民停電超過兩個(gè)星期，電網(wǎng)系統(tǒng)的修復(fù)直到10月份才完成。據(jù)估算[2]，冰災(zāi)給美加造成的經(jīng)濟(jì)損失折合到201*年1月約為35億美元。

1.3其他主要冰災(zāi)案例[2]

瑞典1921年10月的冰災(zāi)帶來了嚴(yán)重的積冰現(xiàn)象，考慮到現(xiàn)時(shí)的電網(wǎng)規(guī)模，據(jù)專家推測(cè)當(dāng)時(shí)的低溫、大雨和強(qiáng)風(fēng)天氣如在現(xiàn)在發(fā)生，必定會(huì)給電網(wǎng)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的災(zāi)害，估計(jì)冰災(zāi)將造成瑞典20%～50%的桿塔倒塌[2]。

美國1972年1月，冰災(zāi)襲擊哥倫比亞州，造成兩條500kV線路嚴(yán)重?fù)p毀，線路覆冰達(dá)到9mm。

法國1999年12月，3天的風(fēng)暴嚴(yán)重破壞了輸電網(wǎng)絡(luò)，造成38條主要輸電線路停運(yùn)，5GW電力

不能送出，超過350萬戶居民停電。

瑞典南部201*年1月遭受嚴(yán)重暴風(fēng)雪災(zāi)害，風(fēng)速達(dá)到46m/s。電網(wǎng)系統(tǒng)、電話通訊以及鐵路公路等長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)。65萬人得不到電力供應(yīng)，電網(wǎng)修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)7周。

德國201*年11月的冰雪災(zāi)害造成超過70條輸電線路倒塌，20萬人停電。

2抗冰融冰技術(shù)

為應(yīng)對(duì)越來越頻繁的冰災(zāi)對(duì)電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的嚴(yán)重威脅，電力工業(yè)界與學(xué)術(shù)界發(fā)展了多種抗冰和除冰/融冰技術(shù)，并對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)在冰災(zāi)后的恢復(fù)重建進(jìn)行了研究，可以總結(jié)為電網(wǎng)系統(tǒng)冰災(zāi)的綜合防治體系，具體可分為以下3個(gè)層面。

2.1電網(wǎng)系統(tǒng)的冰災(zāi)監(jiān)測(cè)和預(yù)警

輸電線路在設(shè)計(jì)階段就已針對(duì)冰區(qū)制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[7]，出于經(jīng)濟(jì)因素方面的考慮，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不能

無限制地提高。在極端惡劣天氣條件影響下，線路和桿塔覆冰載荷可能大大超過了原來的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，給輸電系統(tǒng)帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。

文獻(xiàn)[8]介紹了一種評(píng)估冰災(zāi)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)帶來風(fēng)險(xiǎn)的方法，并以此開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，已在加拿大BritishColumbia輸電公司使用。模型把輸電系統(tǒng)覆冰數(shù)據(jù)作為輸入，應(yīng)用故障樹技術(shù)，評(píng)估系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算結(jié)果給出桿塔和線路倒塌的估計(jì)情況。模型還可以評(píng)估加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)不同部分后，系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)情況的變化以及投資效益。

文獻(xiàn)[9-11]從氣象條件出發(fā)研究惡劣冰災(zāi)的天氣模型，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速、降水量等功能，以及線路覆冰模型。該方法通過選擇不同的天氣參數(shù)，利用MonteCarlo方法計(jì)算不同天氣條件下，具體輸電桿塔和線路所受影響，評(píng)估整個(gè)電網(wǎng)的可靠性。然而，由于氣象條件復(fù)雜多變，天氣模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性還需要進(jìn)一步的檢驗(yàn)。

在重冰區(qū)電網(wǎng)上安裝測(cè)量?jī)x器對(duì)線路覆冰進(jìn)行監(jiān)測(cè)是簡(jiǎn)單有效的一種方法。1998年以后加拿大魁北克建立了冰災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[12]，某些地方安裝了覆冰測(cè)量?jī)x（Loadcells），能夠直接測(cè)量線路覆冰情況，而有些地方僅安裝了冰率表（iceratemeter,IRM）。研究人員希望通過積累的大量數(shù)據(jù)，從統(tǒng)計(jì)方法入手，開發(fā)架空線路覆冰情況評(píng)估的數(shù)字模型，模型可以只通過收集氣象數(shù)據(jù)和冰率表信號(hào)，就能計(jì)算

第2期

許樹楷，等：電網(wǎng)冰災(zāi)案例及抗冰融冰技術(shù)綜述

3

導(dǎo)線覆冰量，以替代線路直接安裝傳感器的測(cè)量方法[13,14]，節(jié)約投資。

2.2輸電線路融冰技術(shù)

當(dāng)嚴(yán)重的冰災(zāi)持續(xù)來襲時(shí)，輸電線路覆冰在所

難免。研究人員已經(jīng)開發(fā)了多種融冰技術(shù)，部分技術(shù)已進(jìn)入實(shí)用階段，有些技術(shù)要應(yīng)用到電網(wǎng)系統(tǒng)中還有一定的困難，如電脈沖除冰法由于無法找到合適的激勵(lì)源，難以除去足夠長(zhǎng)度線路上的覆冰[22]。

目前電網(wǎng)系統(tǒng)除冰的基本思路有三大類[3]：將電能轉(zhuǎn)化為熱能融冰；

將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能以破壞輸電線上的覆冰的物理結(jié)構(gòu)，達(dá)到使覆冰脫落的目的；

直接破壞物理結(jié)構(gòu)的機(jī)械法除冰，例如，在線路上安裝遙控除冰機(jī)[4,5]。

通過電能轉(zhuǎn)化為熱能的融冰技術(shù)，需要針對(duì)覆冰導(dǎo)線計(jì)算融冰電流的大小和作用時(shí)間，在這方面已經(jīng)有了成熟的覆冰導(dǎo)線融冰計(jì)算數(shù)學(xué)模型[23]。

（1）過電流融冰法。

此種方法在不停線路/母線、系統(tǒng)正常運(yùn)行下增加覆冰線路電流，增大線路發(fā)熱，以實(shí)現(xiàn)保線融冰的目的，又可分為如下幾類：

通過調(diào)度改變潮流分布。主要依靠科學(xué)調(diào)度，提前改變電網(wǎng)潮流分配，使線路電流達(dá)到臨界電流以上防止導(dǎo)線覆冰。1998年美加冰災(zāi)后，魁北克水電研究中心設(shè)計(jì)了一套針對(duì)120～315kV的融冰策略[15]，通過開發(fā)的仿真軟件模擬線路覆冰情況，通過調(diào)整線路電流仿真融冰效果。仿真工具能夠測(cè)試不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下線路的融冰情況，挑選出最優(yōu)的線路融冰順序，降低網(wǎng)絡(luò)覆冰，通過最優(yōu)控制達(dá)到線路覆冰最小化的效果。

該融冰策略能夠在實(shí)際操作中指導(dǎo)運(yùn)行人員的調(diào)度安排，可以稱得上是潮流融冰的輔助決策系統(tǒng)，并能夠?yàn)榫唧w實(shí)施融冰方案提供準(zhǔn)備。但是正常運(yùn)行方式下通過調(diào)度轉(zhuǎn)移潮流存在諸多不便，可能會(huì)引起系統(tǒng)不穩(wěn)定；潮流轉(zhuǎn)移的程度也有限，對(duì)大面積冰災(zāi)來襲時(shí)顯得是杯水車薪。

值得一提的是，隨著輸電網(wǎng)絡(luò)FACTS設(shè)備的大量應(yīng)用，電網(wǎng)在潮流控制方面更加靈活有效，通過改變潮流分布的融冰方法能夠在應(yīng)對(duì)冰災(zāi)方面發(fā)揮更大的作用。

基于移相器的帶負(fù)荷融冰法，即ONDI(on-loadnetworkde-icer)[27-29]法。帶負(fù)荷融冰的方

法最早在1990年提出，并在此后得到了發(fā)展。此方法利用移相變壓器角度的變化改變平行雙回線的潮流分布，通過增加其中一回線的電流來增加線路發(fā)熱，達(dá)到融冰的目的，其原理如圖1所示。

圖1移相變壓器控制線路融冰電流示意圖[28]

Fig.1IllustrationofACDe-icingwithaPhase-Shifting

Transformer[28]

ONDI融冰方法需要在線路安裝移相變壓器，操作過程中增加了系統(tǒng)無功轉(zhuǎn)移量，會(huì)對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定造成影響。采用帶負(fù)荷融冰方式，加拿大科學(xué)家設(shè)計(jì)了針對(duì)Matapédia電網(wǎng)的融冰方案，總共覆蓋超過900km的230kV和315kV線路，目前還未進(jìn)入實(shí)施階段。

對(duì)于多分裂導(dǎo)線，可以通過把線路電流集中在某一分裂導(dǎo)線上，增大發(fā)熱量而融冰，通過各分裂導(dǎo)線間的切換，使線路覆冰完全融化[26]。這種方法的使用要求線路分裂導(dǎo)線間相互絕緣，需要對(duì)線路進(jìn)行大范圍改造。

交流短路融冰法。人為的將兩相或者三項(xiàng)導(dǎo)線短路，形成短路電流(控制在導(dǎo)線最大允許電流范圍之內(nèi))加熱導(dǎo)線來達(dá)到融冰的目的。這種方法在國內(nèi)外都達(dá)到了實(shí)用化的階段，1993年加拿大Manitoba水電局開始采用的短路電流融冰[3]，俄羅斯巴什基爾電網(wǎng)也大量應(yīng)用了短路融冰技術(shù)[30]。

由于500kV線路多采用大截面及多分裂導(dǎo)線，需要的融冰電流很大，4×300型號(hào)最小融冰電流約2500A，4×400型號(hào)約為3000A。

從表1結(jié)果看出[31]，35kV與110kV做融冰電

4

南方電網(wǎng)技術(shù)

201*年

第2卷

源，500kV線路中的短路電流不能達(dá)到最小融冰電流；220kV做融冰電源，短路電流可以達(dá)到融冰需要的電流，但線路長(zhǎng)度必須在一定距離之內(nèi)。例如4×400的導(dǎo)線，長(zhǎng)度不能超過150km，并且系統(tǒng)提供無功容量超過1GVA，可能存在系統(tǒng)無法滿足要求的問題。對(duì)于500kV做融冰電源，短路電流可以達(dá)到融冰所需要的電流，但無功容量更大（2GVA以上），還必須考慮系統(tǒng)能否保持穩(wěn)定運(yùn)行。因此，對(duì)于500kV或更高電壓等級(jí)輸電線來說，由于難以找到滿足要求的融冰電源，采用交流短路融冰方案是不可行的。

表1500kV線路交流短路融冰估算結(jié)果

Tab1CalculationResultofACShort-CircuitDe-icing

Methodfor500kVTransmissionLines

融冰電500kV線路不同長(zhǎng)度融冰時(shí)的短路電流及容量源系統(tǒng)100km150km200km電壓短路容量短路容量短路容量/kV電流/A/MVA電流/A/MVA電流/A/MVA3572244481293612211022684321512288113421622045361729302411522268864500

103108929

6873

5953

5155

4465

注：計(jì)算時(shí)忽略系統(tǒng)內(nèi)阻抗。

（2）利用直流電流加熱線路融冰。

1998年的北美冰風(fēng)暴災(zāi)難后，加拿大魁北克水

電公司考慮了各種線路融冰措施。通過加強(qiáng)網(wǎng)架的辦法帶來的投資巨大，而交流短路融冰不能解決

200km范圍的線路覆冰問題[16,18]。所以，最終選擇

了與AREVA公司合作，投入2500萬歐元開發(fā)了一套高壓直流融冰裝置，并于201*年11月裝設(shè)于魁

北克Lévis變電站。如圖2所示，直流融冰裝置的核心為換流閥，

額定容量250MW，融冰時(shí)直流側(cè)電壓等級(jí)為±17.4kV，通過在覆冰線路上流過可控的直流電流實(shí)現(xiàn)不

同長(zhǎng)度和不同導(dǎo)線的有效融冰。對(duì)于典型的735kV

線路4分裂1354MCM導(dǎo)線，融冰電流為7200A，在氣溫-10°C、風(fēng)速10km/h條件下，通電30min

可以融化半徑12mm的線路覆冰。融冰裝置覆蓋4

條735kV單回線路和1條315kV雙回線路，其中735kV線路最長(zhǎng)為242km。該裝置在非融冰期以SVC方式運(yùn)行，輸出無功容量從+250Mvar至-125Mvar，起到穩(wěn)定電壓的作用[17,18]。

（3）高頻高壓激勵(lì)融冰法。

20世紀(jì)末CharlesRSullivan等提出了用8～200kHz高頻激勵(lì)融冰的方法[19-21]，機(jī)理是高頻時(shí)冰是一種有損耗電介質(zhì)，能直接引起發(fā)熱，且集膚效應(yīng)導(dǎo)致電流只在導(dǎo)體表面很淺范圍內(nèi)流通，造成電阻損耗發(fā)熱。文章推薦較好的除冰頻率范圍是20～150kHz，但由于有高頻電磁波干擾，在很多國家受限制。不過，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生大面積停電事故時(shí)，融冰可能比電磁干擾重要。另外，可以選擇不在管制范圍內(nèi)的較低頻率，如8kHz，但此時(shí)介質(zhì)損耗和集膚效應(yīng)很難取得平衡，需要通過采取移動(dòng)電源激勵(lì)點(diǎn)而使駐波移動(dòng)的方法來改善。

（a）融冰裝置主電路(a)CircuitinDe-icerMode

（b）裝置TCR運(yùn)行模式主電路(b)ConverterUsedasTCR

圖2加拿大魁北克投運(yùn)的直流融冰裝置結(jié)構(gòu)圖[18]

Fig.2ConfigurationofDCDe-icerinHydro-Québec

Canada

第2期

許樹楷，等：電網(wǎng)冰災(zāi)案例及抗冰融冰技術(shù)綜述

5

覆冰較薄線路的電暈放電會(huì)削弱高頻波的傳播，阻止功率到達(dá)和有效的融解覆冰較厚區(qū)域的冰，可以考慮通過調(diào)制電壓波形或增加頻率解決該問題。目前，采用該方法研制的融冰裝置在實(shí)驗(yàn)室對(duì)1m長(zhǎng)線路進(jìn)行的融冰試驗(yàn)效果顯著，然而還不足以作為成熟的技術(shù)大范圍推廣應(yīng)用。

（4）架空線路電磁力除冰。

該方法由加拿大魁北克水電公司提出，其原理是在線路額定電壓下短路，短路電流產(chǎn)生的電磁力使導(dǎo)線相互撞擊，使覆冰脫落[24,25]。這種方法的應(yīng)用會(huì)給系統(tǒng)帶來穩(wěn)定性問題，線路壓降也比較大。加拿大魁北克水電研究所(Hydro-Quebec’sResearchInstitute,IREQ)高壓試驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果表明，315kV輸電線路可以在冰災(zāi)緊急情況下使用，而735kV線路由于引起的穩(wěn)定性問題過于嚴(yán)重，不推薦使用。

從國外目前技術(shù)水平來看，過電流融冰“”和“直流電流融冰法”是最為成熟可行的兩種融冰手段。與“改變潮流分布融冰”和“帶負(fù)荷融冰法”相比，使用“交流短路融冰法”和“直流電流融冰法”需要把線路調(diào)整到停運(yùn)狀態(tài)，損失了部分輸電能力，但能夠徹底融解線路覆冰，保證電網(wǎng)安全運(yùn)行。

2.3冰災(zāi)后電網(wǎng)系統(tǒng)的恢復(fù)

上述提到的融冰措施在解決輸電線路覆冰問題上發(fā)揮了一定的作用，然而由于極端氣象條件發(fā)生的頻度加快程度加劇，冰災(zāi)不可避免會(huì)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成破壞。所以，研究電網(wǎng)系統(tǒng)遭受破壞后的重建方案和措施是電網(wǎng)冰災(zāi)綜合防治體系不可分割的一部分。

文獻(xiàn)[34]中介紹了美國研究人員在緊急、短期和長(zhǎng)期三個(gè)階段對(duì)搶修地點(diǎn)和相關(guān)資源的安排策略計(jì)算模型。

瑞典研究人員采用蒙特卡羅（MonteCarlo）方法計(jì)算輸電線路受損段落的修復(fù)時(shí)間，將在后續(xù)工作中進(jìn)一步考慮極端天氣條件下輸電線路損壞順序、修復(fù)程序和電網(wǎng)恢復(fù)時(shí)間[33]。

ABB研究人員開發(fā)了針對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的災(zāi)害停電管理系統(tǒng)（outagemanagementsystem,OMS），該管理系統(tǒng)在災(zāi)害發(fā)生時(shí)，通過收集用戶停電報(bào)告、線路保護(hù)動(dòng)作數(shù)據(jù)、電網(wǎng)破壞評(píng)估報(bào)告等資料，分析搶修人員配置、費(fèi)用、電網(wǎng)損壞、修復(fù)時(shí)間等因素之間的關(guān)系，提供給指揮人員作為決策支持，起到合理配置資源和高效完成搶修任務(wù)的作用[32]。

3抗冰融冰技術(shù)的發(fā)展方向

為了最大程度降低冰災(zāi)對(duì)電網(wǎng)的影響，有必要建立全面、系統(tǒng)的電網(wǎng)抗冰救災(zāi)應(yīng)急機(jī)制和方案。

文獻(xiàn)[35]從已有6次颶風(fēng)和8次冰災(zāi)數(shù)據(jù)出發(fā)，建立美國東部電網(wǎng)的加速失效時(shí)間模型，預(yù)測(cè)災(zāi)害來臨時(shí)可能的停電區(qū)域和持續(xù)時(shí)間，通過累計(jì)停電開始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間，估算電網(wǎng)修復(fù)時(shí)間。這種方法已在美國東部的3家電力公司（Dominion、Duke和Progress）中使用，201*年該系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)冰災(zāi)過程中發(fā)揮了令人滿意的作用。開發(fā)人員希望通過進(jìn)一步收集相關(guān)數(shù)據(jù)和改進(jìn)模型，使研究成果在電網(wǎng)災(zāi)害防治中發(fā)揮更大的作用。

從各國應(yīng)對(duì)冰災(zāi)的情況看，電網(wǎng)系統(tǒng)冰災(zāi)的防治不能一概而論，對(duì)于不同的地理位置、氣象條件和不同的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，輸電線路遭受冰災(zāi)的具體情況各有特點(diǎn)[36]，必需因地制宜制定綜合防治體系。

4結(jié)論

從世界范圍來看，遭受冰雪災(zāi)害嚴(yán)重的地區(qū)在應(yīng)對(duì)冰災(zāi)危害時(shí)，并不采用單一的措施，而是從監(jiān)測(cè)預(yù)警、融冰和災(zāi)后重建等方面，建立全面、系統(tǒng)的電網(wǎng)冰災(zāi)綜合防治體系，最大限度降低損失。開展電網(wǎng)冰災(zāi)綜合防治體系，主要包括以下3個(gè)層面。

（1）在覆冰嚴(yán)重的重要線路推廣使用覆冰監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，分析電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)，提高電網(wǎng)防冰抗冰的災(zāi)害預(yù)防能力。利用監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)協(xié)助指導(dǎo)抗冰融冰等技術(shù)手段的實(shí)施，提前做好抗冰融冰應(yīng)急預(yù)案，應(yīng)對(duì)冰災(zāi)發(fā)生。

（2）適當(dāng)提高重冰區(qū)輸電線路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步深入研究輸電線路抗冰融冰技術(shù)。除推廣應(yīng)用成熟的“過電流融冰”和“直流電流融冰法”等方法外，開展基于新技術(shù)、新材料的抗冰防冰措施研究，因地制宜采用抗冰融冰技術(shù)。

（3）建立完善的電網(wǎng)恢復(fù)決策支持系統(tǒng)，當(dāng)輸電系統(tǒng)發(fā)生斷線、倒塔和停電事故時(shí)，能整合資源，高效有序地開展搶修工作，迅速恢復(fù)電力供應(yīng)。

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