CN101656407B

CN101656407B - 一种输电线路防覆冰的方法及装置

Info

Publication number: CN101656407B
Application number: CN2009101659458A
Authority: CN
Inventors: 李晓明
Original assignee: Wuhan University WHU; State Grid Corp of China SGCC
Current assignee: Wuhan University WHU; State Grid Corp of China SGCC
Priority date: 2009-08-18
Filing date: 2009-08-18
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2029-08-18
Also published as: CN101656407A

Abstract

本发明提供一种输电线路防覆冰的方法及装置，所述方法包括：确定覆冰线路的临界不覆冰电流；依次通过网络重构、无功补偿和/或有载调压增大覆冰线路的工作电流，使所述工作电流大于所述临界不覆冰电流。本发明通过提高线路的工作电流，用工作电流产生的线路功率损耗的热量来平衡线路覆冰所需要的热量，从而破坏覆冰形成的条件，防止线路形成覆冰。本发明还提供一种输电线路防覆冰的装置。本发明在覆冰前进行防御，避免覆冰的形成，从而可以避免覆冰后人力物力的大量投入，成本低，经济效益好；而且本发明不需要中断输电线路的运行便可以做到防覆冰，从而可以保证工农业生产的正常运行。

Description

一种输电线路防覆冰的方法及装置

技术领域

本发明涉及输电设备控制技术领域，特别涉及一种输电线路防覆冰的方法及装置。

背景技术

由于全球性气候变暖，加之我国受大气候、微地形和微气象条件的影响，近几年我国电网覆冰灾害不断加剧，覆冰影响范围日益扩大，造成的危害越来越严重。尤其是2008年我国南方大部分地区出现了历史上罕见的持续低温、雨雪冰冻极端天气，造成输变电设备设施严重覆冰，输电线路发生倒塔、断线及跳闸，部分地区大面积停电。此次雪灾给国家电网直接财产损失达104.5亿元，灾后电网恢复重建和改造需要投入资金390亿元。

目前，国内外尚无一种安全、经济、可靠、有效、简单的输电线路防除冰方法。我国电网这场冰灾，主要采用了人工敲击除冰法(机械除冰法中的一种)。人工敲击除冰法的优点是上手快、无需特殊的设备投入和特殊的技术要求，但缺点是需要大量的人力停电操作，时间长，工作量大，而且，人工敲击对铁塔、输电线和绝缘子的机械强度会有一定程度的损伤。在倒塔严重的区域，操作者上塔操作的人身安全也很难保障。

处理导线覆冰问题的基本原则应该是：以防为主，即先要防止导线覆冰，而不要等到导线严重覆冰以后再采取措施来除冰。为此，研究一种简单、易行、有效和节能的防覆冰技术非常必要。

对于输电线路防覆冰和融冰的研究，国内外相关机构一直十分重视。目前防覆冰和融冰方法有30余种。其中采用最广泛的是人工敲击除冰和采用新材料。人工敲击除冰以上已经介绍过，下面简单介绍下新型导线防覆冰和融冰。

新型导线防覆冰和融冰主要是在导线的结构和材料方面进行改进。如化学涂料防冰方法是在导线表面涂上憎水性涂料降低冰和导线之间的附着力。到目前为止，世界上还没有一种可以阻止冰形成的材料，也未见到实用于导线的防覆冰涂料，原因是涂料涂在导线上后，涂层容易破裂，这样憎水性再好的涂料有了裂纹后，水容易吸附到导体上，形成结冰，另外还有涂料的老化问题。

综上所述，现有的防除冰技术普遍存在需停电、安全性低、能耗大、花费时间长和投资大的问题。到目前为止，尚无安全、经济、可靠、有效、简单的防除冰方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种输电线路防覆冰的方法及装置，能够安全、经济的防止输电线路覆冰，并且不需停电。

本发明提供一种输电线路防覆冰的方法，包括：

确定覆冰线路的临界不覆冰电流；

依次通过网络重构、无功补偿和/或有载调压增大覆冰线路的工作电流，使所述工作电流大于所述临界不覆冰电流；

所述确定覆冰线路的临界不覆冰电流具体为：

根据覆冰线路的型号、分裂数和经过区域的气象条件，根据三个公式分别计算覆冰线路的三个不覆冰电流，取三个不覆冰电流中的中间值为临界不覆冰电流，最大值为最大临界不覆冰电流，最小值为最小临界不覆冰电流；三个不覆冰电流i_c1、i_c2和i_c3的计算公式分别为：

i_{c 1} = \sqrt{225.43 \frac{Δt \sqrt{dv}}{R_{0}}}

公式(1)

公式(1)中Δt为导线表面的温升，单位为℃；d为导线外径，单位为mm；v为风速，单位为m/s；R₀为导线单位长度电阻，单位为Ω/km；

i_{c 2} = \sqrt{(W_{R} + W_{F}) / R_{0}}

公式(2)

公式(2)中R₀为导线单位长度电阻，单位为Ω/km；W_R为单位长度导线的辐射散热功率；W_F为单位长度导线的对流散热功率；

i_{c 3} = \sqrt{\frac{2 R}{R_{0}} [W_{s} - 2 I_{m} c_{w} T_{a} - (\frac{h_{p} r_{c} v^{2}}{{2 c}_{a}} + \frac{I_{m} v^{2}}{2})]}

公式(3)

公式(3)中W_s＝-πT_a(h+h_p)+0.95πσ_R[273⁴-(273+T_a)⁴]；T_a为环境温度，单位为℃；σ_R＝5.567×10-8W/(m²*k⁴)；

h和h_p分别为导线表面自然对流系数和强制对流系数；

R为线路半径，单位为mm；R₀为线路单位长度电阻，单位为Ω/km；

r_c为圆柱体导线表面局部恢复系数，对于导线覆冰表面，r_c取0.79；

I_m＝α₁wv；α₁为水滴在导线上的碰撞率；v为风速，单位为m/s；w为空气中液水含量，单位为kg/m³；

c_w为水的比热[J/(kg*K)]；c_a为空气比热[J/(kg*K)]；

通过网络重构增大覆冰线路的工作电流具体步骤为：

通过电网调度中心进行系统运行方式调整控制覆冰线路的功率损耗；首先按照覆冰线路临界不覆冰电流进行网络重构，使覆冰线路的工作电流大于临界不覆冰电流；如果采用临界不覆冰电流的网络重构不能满足防覆冰要求；则采用最大临界不覆冰电流进行网络重构，使覆冰线路的工作电流大于最大临界不覆冰电流。

优选地，通过无功补偿增大覆冰线路的工作电流具体为：

对于通过网络重构仍达不到防覆冰要求的线路，在此基础上，通过增大线路无功功率的传输容量，控制覆冰线路的功率损耗，使覆冰线路的工作电流大于临界不覆冰电流。

优选地，通过有载调压增大覆冰线路的工作电流具体为：

对于通过网络重构和无功补偿仍达不到防覆冰要求的覆冰线路，在此基础上，通过线路两端配置的有载调压变压器进行有载调压，一端降低线路的运行电压，增大线路的工作电流，使工作电流大于最小临界不覆冰电流，另一端升压至正常运行电压。

本发明还提供一种输电线路防覆冰的装置，包括：临界不覆冰电流确定单元和工作电流增大单元；

所述临界不覆冰电流确定单元，用于确定覆冰线路的临界不覆冰电流；

所述工作电流增大单元，用于依次通过网络重构、无功补偿和/或有载调压增大覆冰线路的工作电流，使所述工作电流大于所述临界不覆冰电流；

所述临界不覆冰电流确定单元，用于确定覆冰线路的临界不覆冰电流；具体为：

i_{c 1} = \sqrt{225.43 \frac{Δt \sqrt{dv}}{R_{0}}}

公式(1)

i_{c 2} = \sqrt{(W_{R} + W_{F}) / R_{0}}

公式(2)

i_{c 3} = \sqrt{\frac{2 R}{R_{0}} [W_{s} - 2 I_{m} c_{w} T_{a} - (\frac{h_{p} r_{c} v^{2}}{{2 c}_{a}} + \frac{I_{m} v^{2}}{2})]}

公式(3)

h和h_p分别为导线表面自然对流系数和强制对流系数；

c_w为水的比热[J/(kg*K)]；c_a为空气比热[J/(kg*K)]；

所述工作电流增大单元，用于通过网络重构增大覆冰线路的工作电流，使所述工作电流大于所述临界不覆冰电流，具体为：

优选地，所述工作电流增大单元，用于通过无功补偿增大覆冰线路的工作电流，使所述工作电流大于所述临界不覆冰电流，具体为：

对于通过网络重构仍达不到防覆冰要求的线路，，在此基础上，通过增大线路无功功率的传输容量，控制覆冰线路的功率损耗，使覆冰线路的工作电流大于临界不覆冰电流。

优选地，所述工作电流增大单元，用于通过有载调压增大覆冰线路的工作电流，使所述工作电流大于所述临界不覆冰电流，具体为：

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的输电线路防覆冰的方法及装置，通过网络重构、无功补偿和/或有载调压增大输电线路的工作电流，使线路的工作电流大于其临界不覆冰电流，用工作电流产生的线路功率损耗的热量来平衡线路覆冰所需要的热量，从而破坏覆冰形成的条件，防止线路形成覆冰。该方法在覆冰前进行防御，避免覆冰的形成，从而可以避免覆冰后人力物力的大量投入，成本低，经济效益好；而且本发明不需要中断输电线路的运行便可以做到防覆冰，从而可以保证工农业生产的正常运行。

附图说明

图1是本发明输电线路防覆冰方法第一实施例流程图；

图2是本发明输电线路防覆冰方法第二实施例流程图；

图3是本发明三个不覆冰电流曲线图；

图4是本发明输电线路防覆冰装置实施例结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

参见图1，该图为本发明输电线路防覆冰方法第一实施例流程图。

S101：确定覆冰线路的临界不覆冰电流。

从电网中选择穿越覆冰地区的可能覆冰线路，根据所选线路的型号、分裂数和线路经过区域的气象条件，计算可能覆冰线路的临界不覆冰电流。

线路的型号、分裂数和经过区域的气象条件不同，则线路的覆冰电流不同。

S102：依次通过网络重构、无功补偿和/或有载调压增大覆冰线路的工作电流，使所述工作电流大于所述临界不覆冰电流。

需要说明的是，所述网络重构、无功补偿和有载调压调整后的线路工作电流是依次增大的。网络重构调整后，有的线路的工作电流仍然小于临界不覆冰电流，此时对这些线路进行无功补偿调整。无功补偿调整以后，有可能还有一些线路的工作电流小于临界不覆冰电流，此时对这些线路进行有载调压进行调整，直至所有线路的工作电流均大于临界不覆冰电流。

在弱覆冰气象条件、枯大运行方式下，有可能出现所选定的线路只经过网络重构一个措施就全达到了防覆冰的要求。或者经过网络重构和无功补偿两个措施使所选定的线路全达到了防覆冰的要求。但是，在强覆冰气象条件、枯小运行方式下，可能出现所选定的线路经过网络重构和无功补偿两个措施后，只有很少几条线路可以达到防覆冰的要求，极端情况下可能没有线路达到防覆冰的要求。因此，网络重构、无功补偿和有载调压这三个方法是可以选择的，有的线路只用到其中的一个或两个，有的可能三个均要用到才能达到防覆冰要求。

本实施例提供的输电线路防覆冰的方法，通过网络重构、无功补偿和/或有载调压增大输电线路的工作电流，使线路的工作电流大于其临界不覆冰电流，用工作电流产生的线路功率损耗的热量来平衡线路覆冰所需要的热量，从而破坏覆冰形成的条件，防止线路形成覆冰。该方法在覆冰前进行防御，避免覆冰的形成，从而可以避免覆冰后人力物力的大量投入，成本低，经济效益好；而且本发明不需要中断输电线路的运行便可以做到防覆冰，从而可以保证工农业生产的正常运行。

参见图2，该图为本发明输电线路防覆冰方法第二实施例流程图。

S201：确定覆冰线路的临界不覆冰电流。

根据覆冰线路的型号、分裂数和经过区域的气象条件，根据三个公式分别计算覆冰线路的三个不覆冰电流。

需要说明的是，这三个不覆冰电流是在同一条件下计算的。

三个不覆冰电流i_c1、i_c2和i_c3的计算公式分别为：

i_{c 1} = \sqrt{225.43 \frac{Δt \sqrt{dv}}{R_{0}}}

公式(1)

i_{c 2} = \sqrt{(W_{R} + W_{F}) / R_{0}}

公式(2)

i_{c 3} = \sqrt{\frac{2 R}{R_{0}} [W_{s} - 2 I_{m} c_{w} T_{a} - (\frac{h_{p} r_{c} v^{2}}{{2 c}_{a}} + \frac{I_{m} v^{2}}{2})]}

公式(3)

h和h_p分别为导线表面自然对流系数和强制对流系数；

c_w为水的比热[J/(kg*K)]；c_a为空气比热[J/(kg*K)]。

取三个不覆冰电流中的中间值为临界不覆冰电流，表示为：i_cmid＝mid{i_c1，i_c2，i_c3}。

取三个不覆冰电流中的最大值为最大临界不覆冰电流，表示为：i_cmax＝max{i_c1，i_c2，i_c3}。

取三个不覆冰电流中的最小值为最小临界不覆冰电流，表示为：i_cmin＝min{i_c1，i_c2，i_c3}。

S202：对覆冰线路进行网络重构、无功补偿和有载调压的数字仿真，确定最佳的调整方案。

需要说明的是，优选计算最大临界不覆冰电流i_cmax的气象条件是：环境温度为-5℃，风速为5m/s；优选计算最小临界不覆冰电流i_cmin的气象条件是：环境温度为-1℃，风速为0.5m/s。

S203：由确定的最佳调整方案，首先通过网络重构增大覆冰线路的工作电流，使工作电流大于临界不覆冰电流。

具体为：通过电网调度中心进行系统运行方式调整控制覆冰线路的功率损耗；首先按照覆冰线路临界不覆冰电流进行网络重构，使覆冰线路的工作电流大于临界不覆冰电流；如果采用临界不覆冰电流的网络重构不能满足防覆冰要求；则采用最大临界不覆冰电流进行网络重构，使覆冰线路的工作电流大于最大临界不覆冰电流。

S204：通过无功补偿增大覆冰线路的工作电流，是工作电流稍大于临界不覆冰电流。

具体为：对于通过网络重构仍达不到防覆冰要求的线路，通过增大线路无功功率的传输容量，控制覆冰线路的功率损耗，使覆冰线路的工作电流大于临界不覆冰电流。

S205：通过有载调压增大覆冰线路的工作电流，直至所有线路的工作电流均大于临界不覆冰电流。

具体为：对于通过网络重构和无功补偿仍达不到防覆冰要求的覆冰线路，通过线路两端配置的有载调压变压器进行有载调压，一端降低线路的运行电压，增大线路的工作电流，使工作电流大于最小临界不覆冰电流，另一端升压至正常运行电压。

有载调压的控制方法是先降后升，多步调整，直至覆冰线路的工作电流大于线路临界不覆冰电流为止。

电压调整的步数等于调压的幅度与单步调压的电压变化量之比。

单步调压的电压变化率和母线侧的电压偏移应不大于相关国家标准的规定。

下面结合具体实施例详细说明本发明输电线路防覆冰方法的具体实现方式。

选择某电网西北部，多山地，气候条件相对恶劣，冬季输电线路经常发生覆冰。

根据资料显示，覆冰一般发生在风速3m/s以下，温度0℃～-5℃时。

选定强覆冰气象条件：风速5m/s，温度-5℃时的临界不覆冰电流作为制定控制策略的参考电流。

实际运行中，极大多数线路覆冰都发生在先下小雨，后下湿雪的气象条件下，气温先在0℃以上，后降到0℃以下。先是无风或有轻微的南风，湿度很大，后变为北风，并逐渐增大，湿度迅速降低，湿雪变为干雪。

因此，在下雨、雪的初期，导线如果不覆冰，则以后导线就不易覆冰。

选择该电网的运行数据，电网区内负荷43万kW，发电量41万kW，另外2万kW由网外发电厂供给。从电网中选出可能覆冰的线路有14条，其中：220kV线路6条，110kV线路8条。

在计算条件为：空气液水含量w＝0.0003kg/m³；环境温度Ta＝-5℃的情况下，采用线路不覆冰电流计算公式(1)、公式(2)和公式(3)计算三个不覆冰电流i_c1、i_c2和i_c3，曲线如图3所示，横坐标是风速v，单位是m/s；纵坐标是电流，单位是A。线路型号和长度见表1。

最大临界不覆冰电流为i_c2，最小临界不覆冰电流为i_c1。为了反映一般情况，仿真计算取中间值i_c3为临界不覆冰电流，即采用式(3)计算。

仿真计算的基础条件为：

计算工具：采用电力科学研究院微机版PSASP电力系统分析程序完成所有计算和分析工作。

计算水平年及计算范围：计算水平年选择为2008年，计算范围选择某地区电网。

运行方式：运行方式按照枯大和枯小两种方式进行。

计算电压等级：计算电压等级选择110kV及其以上等级。

发电机功率因数：枯小运行方式下，由于负荷降低，考虑将火电满发，水电出力降低，发电功率因数不低于0.85。

电压水平控制：根据《电力系统技术导则》、《电力系统设计技术规程(试行)》、《电力系统电压和无功电力技术导则(试行)》的要求。

变压器抽头正常调节范围：0.95～1.05。

暂态稳定计算模拟方式：三永故障：0″故障；0.12″切除。

稳定准则和稳定判据：根据《电力系统安全稳定导则》、《电力系统技术导则》、《电力系统设计技术规程》、《电力系统暂态稳定计算暂行规定》等规程规定。

表1是利用网络重构增大线路的工作电流的计算结果。

表1是采用网络重构方法对14条可能覆冰的线路进行网络重构的结果。网络重构使两条线路在不增加任何设备投入，不影响电网安全运行的情况下满足防覆冰的要求。即：I7-J7线路的工作电流为435.64A，大于该线路的临界不覆冰电流397.93A。I9-J9线路的工作电流为314.61A，大于该线路的临界不覆冰电流243.90A。

下面对12条仍不满足防覆冰要求的线路通过无功补偿进行调整。

表2是采用无功补偿增大线路工作电流的计算结果。

表2是采用无功补偿方法对12条可能覆冰的线路进行网络重构的结果。需要说明的是，将网络重构后的电流作为无功补偿前的线路电流。

采用无功补偿方法对仍不满足防覆冰要求的12条可能覆冰线路进行无功补偿增大其线路损耗。

从表2的结果可以看出，有4条线路通过无功补偿设备的运行方式和容量的调整工作电流大于线路的临界不覆冰电流，即：I10-J10、I11-J11、I12-J12和I13-J13。

下面对仍不满足防覆冰要求的8条线路通过有载调压进行调整。

表3是采用有载调压增大线路工作电流的计算结果。

表3是采用有载调压方法对仍不满足防覆冰要求的8条可能覆冰线路进行有载调压增大其线路损耗的结果。

从表3的结果可以看出，有8条线路通过有载调压后的工作电流大于线路的临界不覆冰电流，即：I1-J1、I2-J2、I3-J3、I4-J4、I5-J5、I6-J6、I8-J8和I14-J14。

以上是本发明依次采用网络重构、无功补偿和有载调压增大线路工作电流的具体步骤。

本发明实施例提供的输电线路防覆冰方法主要是以防御为主，当监测到输电线路满足可能覆冰的条件时，启动防覆冰的措施，这样可以避免覆冰引起停电和倒塔事故。并且本发明防覆冰方法无需中断线路的供电，社会效益好。充分利用电网的现有设备和资源，投资少，成本低。现有的防覆冰和融冰方法主要是人工操作，不但工作量大，成本高；而且需要停电实施，本发明充分利用电网现有的设备和资源，无需大量的人工和专用设备的投入，防御冰灾的效益高，成本低。

基于上述输电线路防覆冰的方法，本发明还提供了输电线路防覆冰的装置，下面结合具体实施例来详细说明其组成部分。

参见图4，该图为本发明输电线路防覆冰的装置实施例结构图。

本发明实施例提供的输电线路防覆冰的装置包括：临界不覆冰电流确定单元401和工作电流增大单元402。

所述临界不覆冰电流确定单元401，用于确定覆冰线路的临界不覆冰电流。

所述气象条件包括强覆冰气象条件和弱覆冰气象条件。

所述工作电流增大单元402，用于依次通过网络重构、无功补偿和/或有载调压增大覆冰线路的工作电流，使所述工作电流大于所述临界不覆冰电流。

本实施例提供的输电线路防覆冰的装置，通过网络重构、无功补偿和/或有载调压增大输电线路的工作电流，使线路的工作电流大于其临界不覆冰电流，用工作电流产生的线路功率损耗的热量来平衡线路覆冰所需要的热量，从而破坏覆冰形成的条件，防止线路形成覆冰。该方法在覆冰前进行防御，避免覆冰的形成，从而可以避免覆冰后人力物力的大量投入，成本低，经济效益好；而且本发明不需要中断输电线路的运行便可以做到防覆冰，从而可以保证工农业生产的正常运行。

下面详细介绍所述临界不覆冰电流确定单元401怎样确定覆冰线路的临界不覆冰电流。

i_{c 1} = \sqrt{225.43 \frac{Δt \sqrt{dv}}{R_{0}}}

公式(1)

i_{c 2} = \sqrt{(W_{R} + W_{F}) / R_{0}}

公式(2)

i_{c 3} = \sqrt{\frac{2 R}{R_{0}} [W_{s} - 2 I_{m} c_{w} T_{a} - (\frac{h_{p} r_{c} v^{2}}{{2 c}_{a}} + \frac{I_{m} v^{2}}{2})]}

公式(3)

h和h_p分别为导线表面自然对流系数和强制对流系数；

c_w为水的比热[J/(kg*K)]；c_a为空气比热[J/(kg*K)]。

所述工作电流增大单元402，用于通过网络重构增大覆冰线路的工作电流，使所述工作电流大于所述临界不覆冰电流，具体为：

通过电网调度中心进行系统运行方式调整和网络重构控制覆冰线路的功率损耗；首先按照覆冰线路最小临界不覆冰电流进行网络重构，使覆冰线路的工作电流大于最小临界不覆冰电流；如果采用最小临界不覆冰电流的网络重构不能满足防覆冰要求；则采用最大临界不覆冰电流进行网络重构，使覆冰线路的工作电流大于最大临界不覆冰电流。

所述工作电流增大单元402，用于通过无功补偿增大覆冰线路的工作电流，使所述工作电流大于所述临界不覆冰电流，具体为：

所述工作电流增大单元402，用于通过有载调压增大覆冰线路的工作电流，使所述工作电流大于所述临界不覆冰电流，具体为：

对于通过网络重构和无功补偿仍达不到防覆冰要求的覆冰线路，在此基础上，通过线路两端配置的有载调压变压器进行有载调压，一端降低线路的运行电压，增大线路的工作电流，增加线路的功率损耗，使工作电流大于最小临界不覆冰电流，另一端升压至正常运行电压。

本发明实施例提供的输电线路防覆冰装置主要是以防御为主，当监测到输电线路满足可能覆冰的条件时，启动防覆冰的措施，这样可以避免覆冰引起停电和倒塔事故。并且本发明防覆冰方法无需中断线路的供电，社会效益好。充分利用电网的现有设备和资源，投资少，成本低。现有的防覆冰和融冰方法主要是人工操作，不但工作量大，成本高；而且需要停电实施，本发明充分利用电网现有的设备和资源，无需大量的人工和专用设备的投入，防御冰灾的效益高，成本低。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。