CN111525446A - 一种结合短路电流与冲击载荷的覆冰输电线路脱冰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种结合短路电流与冲击载荷的覆冰输电线路脱冰方法，属于电网冰灾防治技术领域，该方法包括以下步骤：对于覆冰的输电线路，首先通入短路电流加热导线，当通入电流时间大于融冰时间t′时，即认为冰层内表面与导线外表面之间产生气隙，此时停止通电并对线路施加冲击载荷，从而致使覆冰脱落。本发明将短路电流融冰与冲击载荷除冰有效地结合在一起，解决了现有输电线路除冰速度慢、除冰率低且除冰位置不可控的问题，大大提高了覆冰输电线路的脱冰效率。

Description

一种结合短路电流与冲击载荷的覆冰输电线路脱冰方法

技术领域

本发明涉及电网冰灾防治技术领域，尤其涉及一种结合短路电流与冲击载荷的覆冰输电线路脱冰方法。

背景技术

由于电力一般输送距离较大，输电线路需要穿越很多地质条件较差或气候恶劣的地区。输电线路不仅会受到大风和地震等灾害的侵袭；而且在寒冷地区，覆冰附着在输电塔线上，也会对输电线路的安全运行造成威胁。导线覆冰后，不仅会导致输电线路荷载增大，严重时能够引起机械事故(金具断裂、绝缘子串损坏、导地线断股断线、横担塔头扭曲变形，甚至倒塔)，甚至会进一步导致输电线路产生多种严重的电气事故(闪络、短路、烧伤(断)导线等)。因此，如何使覆冰导线的覆冰脱落以保证输电线路的安全运行，就成为了电力行业关注的热点问题。

目前，应用最多的除冰方法是短路电流融冰以及冲击载荷除冰。短路电流融冰，就是将导线短路形成短路电流加热导线，从而达到融冰目的，通常需要1-3小时；其操作简单，可实现长距离融冰，但若输电线路覆冰层较厚，则需要通入更长时间的短路电流，增加了能量消耗以及人力等其他成本；同时，不能确定最初覆冰的脱落位置，可能会对线路造成损伤。冲击载荷除冰，是指利用覆冰在高应变条件下容易发生脆断的特性，在某一档主动施加初始冲击载荷，从而引发输电塔线系统的振动，进而诱发线路其他位置更多的覆冰相继脱落。与短路电流融冰相比，除去同等数量的冰，冲击载荷除冰更节省能量，且可精确定位覆冰区段并实现紧急覆冰情形下的快速及时除冰作业；但是通过试验研究可知，在线路上施加冲击载荷后，大量覆冰被折断为独立的小节后仍然附着在线路上，只有少部分覆冰在冲击载荷下脱落，且脱落后线路上依然有一层粗糙的薄冰，除冰效率及脱冰率较低；施加的冲击载荷也可能造成线路损坏。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种结合短路电流与冲击载荷的覆冰输电线路脱冰方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种结合短路电流与冲击载荷的覆冰输电线路脱冰方法，其流程如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：对需要进行除冰的覆冰输电线路停电并安装融冰设备，将输电线用导线短接，形成短路；

步骤2：输入短路电流I，加热输电线，使覆冰受热融化；

所述短路电流I为直流电或者交流电。

因为交流短路融冰操作简单，经济性好，主要在电压等级较低的线路上应用，但是由于线路感抗的影响，其对电源要求很高，当线路较长或者500kV以上等级的线路，很难找到满足要求的融冰电源；而直流融冰没有线路感抗的影响，更适合于电压等级高、跨距长的架空线路融冰；因此本方法可根据具体情况任意搭配交流短路电流融冰或者直流短路电流融冰使用，从而安装相应的融冰装置；

所述短路电流I的计算公式如下：

其中，λ_Θ1为冰层的热传导率，r_ice为覆冰输电线的半径(若为椭圆形覆冰输电线，可按照输电线荷冰质量相等原则进行等效为圆形覆冰输电线)，h为冰层外表面与空气的热交换系数，T_air为环境温度，R_T为输电线在温度T℃时的电阻率，r_c为输电线半径。

此时，短路电流I的计算值为临界电流值，所述临界电流值是指在覆冰导线内通入短路电流，加热导线，产生焦耳热。部分热量通过导线传递给冰层，使导线和冰层升温；部分热量(即潜热)使冰层融化；余热到达冰层外表面通过辐射和对流传热与空气进行热交换。当冰层内表面温度达到0℃，且导线产生的焦耳热与冰层外表面的对流和辐射热损失相等时，冰层处在融与不融的临界状态。

步骤3：判断输入短路电流的时间t是否大于计算的融冰时间t’，使覆冰内表面与输电线之间产生微小的气隙；若不大于则继续输入短路电流，若大于则停止输入短路电流，转至执行步骤4；

所述融冰时间t’的计算公式如下：

其中，V_ice为单位长度的冰层体积，C_ice为冰的比热容，T_oi为冰层外表面温度，T_air为环境温度，R₀为单位长度输电线电阻，r_ice为覆冰输电线的半径，h为冰层外表面与空气的热交换系数，ρ_ice为覆冰密度。

其推导过程如下：

通入电流加热导线的过程可用式(3)表述：

Q_J＝R₀I²t＝Q₁+Q₂+Q₃ (3)

其中：Q_J为单位长度融冰电流产生的焦耳热，J/m；Q₁为对流和辐射的余热；Q₂为使冰层融化的潜热；Q₃为使导线和冰层升温的热量；t为总融冰时间；

其中：

将式(4)代入式(3)中得：

则全过程短路电流融冰时间t为：

其中：L_f为融化冰潜热，取335000J/kg；V_m为单位长度的融冰量，m²；V_ice为单位长度的冰层体积，m²；C_ice为冰的比热，J/(kg·℃)；T_oi为冰层外表面温度，℃；T_air为环境温度，℃；R₀为单位长度导体电阻；r_ice为覆冰导线的半径，m；h为冰层外表面与空气的热交换系数，W/(m·℃)。

焦耳热属于内部接触式融冰，即冰层首先从内表面(冰与导线接触面)开始融化，因为导线外表面与冰层内表面直接接触，在冰层尚未融化之前，需要持续通入融冰电流进行加热，当导线与冰层之间产生气隙时即可停止，即式(6)中ρ_iceL_fV_m＝0，这使得融冰时间大为减少，即融冰时间由t变为t'；因此本方法的融冰时间t'可用下式计算：

步骤4：在输电线靠近输电塔的端部施加低幅值的冲击载荷，引发输电线路振动，进而使覆冰发生脆断，从输电线上脱落。

所述冲击载荷需满足惯性力大于重力、粘附力和内聚力的合力的条件，即可用如下公式表述：

F_inertia±G≥F_adhesive+F_cohesive (7)

其中，F_inertia为惯性力，G为冰的重力，F_adhesive为冰与输电线间的粘附力，F_cohesive为冰的内聚力；

其中：

其中，ρ_ice为覆冰密度，g为重力加速度，e为偏心距，L为覆冰长度，a_c为临界加速度，D_cable为输电线直径，D为覆冰后输电线直径，τ_adhesive为覆冰与输电线间的粘附应力，τ_cohesive为覆冰内部的内聚应力；

则可推导出覆冰脱落临界加速度a_c为：

但由于短路电流的通入，使冰层与导线之间产生气隙，即式(7)中粘附力F_adhesive消失，也即式(9)中D_cableτ_adhesive为零，此时覆冰脱落临界加速度计为a'_c：

则冲击载荷的脱冰准则可表示为：

a≥a'_c (11)

其中，a为覆冰加速度，a_c'为覆冰脱落临界加速度。

上式说明一旦加速度a大于本方法临界加速度a'_c，则覆冰即从导线上脱落；也说明由于短路电流的通入致使覆冰融化，覆冰与导线间的粘附力消失，从而使临界加速度减小，从而导致覆冰更加容易脱落，即此时较小的惯性力，也就是较小的冲击载荷就能保证覆冰脱落；从而能够降低冲击载荷的幅值，避免线路损伤。冲击载荷的施加应根据实际情况选用人工施加或者采用机械除冰装置。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

(1)本发明将短路电流融冰和冲击载荷除冰的优点有效地结合在一起；

(2)本发明不再是全过程采用短路电流融冰，而是在冰层与导线产生气隙后停止通电，极大地缩短了导线内通入短路电流的时间，从而尽可能地节约了能量的消耗和其他成本，同时还能够控制脱冰位置。

(3)本发明与常规单纯采用冲击脱冰相比，需要的冲击载荷较小，降低了线路损伤的可能性，且除冰效率更高，覆冰脱落后不会在导线的表面留下粗糙的薄冰，大大地增加了导线的脱冰率。

附图说明

图1为本发明一种结合短路电流与冲击载荷的覆冰输电线路脱冰方法的流程图；

图2为本发明实施例中输电线脱冰情况示意图；

图3为本发明实施例中输电线路融冰装置安装示意图；

图4为本发明实施例中本发明与短路电流融冰法短路融冰阶段流程对比示意图。

其中，图3：1.输电塔，2.覆冰输电导线，3.导线短接处，4.短路电流融冰装置，5.冲击载荷施加位置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例的方法如下所述。

步骤1：对需要进行除冰的覆冰输电线路2做停电处理，并将导线在输电塔3处短接形成短路，本次除冰选择直流短路电流融冰，安装直流短路电流融冰装置4，本实施例输电线路融冰装置的安装示意图如图3所示，本实施例中选用的短路电流融冰装置为500kW移动式直流融冰装置；

步骤2：输入直流短路电流I，加热输电线，使覆冰受热融化；

所述直流短路电流I的计算公式如下：

其中，λ_Θ1为冰层的热传导率，r_ice为覆冰输电线的半径，h为冰层外表面与空气的热交换系数，T_air为环境温度，R_T为输电线在温度T℃时的电阻率，r_c为输电线半径。

步骤3：判断输入短路电流的时间t是否大于计算的融冰时间t’，使覆冰内表面与输电线之间产生微小的气隙；若不大于则继续输入短路电流，若大于则停止输入短路电流，转至执行步骤4；

所述融冰时间t’的计算公式如下：

其中，V_ice为单位长度的冰层体积，C_ice为冰的比热容，T_oi为冰层外表面温度，T_air为环境温度，R₀为单位长度输电线电阻，r_ice为覆冰输电线的半径，h为冰层外表面与空气的热交换系数，ρ_ice为覆冰密度。

因为导线外表面与冰层内表面温度直接接触，在冰层尚未融化之前，需要持续通入融冰电流进行加热，当导线与冰层之间产生气隙时即可停止，即式(6)中ρ_iceL_fV_m＝0，因此本方法比全过程短路电流融冰的时间缩短了

的时间，即如图4所示，本方法在升温阶段产生气隙后就停止了短路融冰阶段，因此融冰时间大为缩短。

当电流通入时间大于融冰时间t'时，即认为输电线路上的覆冰开始融化，即冰层与导线间已经产生气隙，这时导线与覆冰之间的粘附力减小(可以简化为消失)，此时应停止通入短路电流。

步骤4：在输电线靠近输电塔的端部施加低幅值的冲击载荷，引发输电线路振动，进而使覆冰发生脆断，从输电线上脱落。

所述冲击载荷需满足惯性力大于重力、粘附力和内聚力的合力的条件，即可用如下公式表述：

F_inertia±G≥F_adhesive+F_cohesive (7)

其中，F_inertia为惯性力，G为冰的重力，F_adhesive为冰与输电线间的粘附力，F_cohesive为冰的内聚力；

其中：

其中，ρ_ice为覆冰密度，g为重力加速度，e为偏心距，L为覆冰长度，a_c为临界加速度，D_cable为输电线直径，D为覆冰后输电线直径，τ_adhesive为覆冰与输电线间的粘附应力，τ_cohesive为覆冰内部的内聚应力；

则可推导出覆冰脱落临界加速度a_c为：

但由于短路电流的通入，使冰层与导线之间产生气隙，即式(7)中粘附力F_adhesive消失，也即式(9)中D_cableτ_adhesive为零，此时覆冰脱落临界加速度计为a'_c：

则冲击载荷的脱冰准则可表示为：

a≥a'_c (11)

其中，a为覆冰加速度，a_c'为覆冰脱落临界加速度。

本实例中选择机械除冰装置来施加冲击载荷，在导线靠近输电塔的端部5处安装一个自动程度较高的架空地线冲击式机械除冰装置DAC(De-icer Actuated byCartridge)，用抛绳器先将引导绳投掷过导线，再通过拉动引导绳将DAC拉至导线5处，然后通过遥控使DAC弹筒内弹药爆炸对导线产生瞬间冲击，通过冲击波传播将线路上已经与导线无粘附力的覆冰振落。本实施例采用出冲击波符合脱冰准则式(11)的要求。同时根据公式(9)、(10)和(11)可知，由于短路电流的通入致使覆冰融化，覆冰与导线间的粘附力消失，从而使临界加速度减小，从而导致覆冰更加容易脱落，即此时较小的惯性力，也就是较小的冲击载荷就能保证覆冰脱落；从而降低冲击载荷的幅值,同时提高了除冰效率，并且整个除冰过程时间与全过程短路电流融冰时间相比大大减少，本实施例中，输电线脱冰情况示意图如图2所示，在本实施例步骤3后，由于输电线与覆冰间的粘附力消失，输电线上的覆冰在重力作用下会产生旋转，在施加冲击载荷后，覆冰会在输电线上的冲击波及覆冰自身的重力作用下产生碰撞而发生破碎后脱落。

Claims (5)

1.一种结合短路电流与冲击载荷的覆冰输电线路脱冰方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对需要进行除冰的覆冰输电线路停电并安装融冰设备，将输电线用导线短接，形成短路；

步骤2：输入短路电流I，加热输电线，使覆冰受热融化；

步骤3：判断输入短路电流的时间t是否大于计算的融冰时间t’，使覆冰内表面与输电线之间产生微小的气隙；若不大于则继续输入短路电流，若大于则停止输入短路电流，转至执行步骤4；

步骤4：在输电线靠近输电塔的端部施加低幅值的冲击载荷，引发输电线路振动，进而使覆冰发生脆断，从输电线上脱落。

2.根据权利要求1所述的一种结合短路电流与冲击载荷的覆冰输电线路脱冰方法，其特征在于，所述短路电流I为直流电或者交流电。

3.根据权利要求1所述的一种结合短路电流与冲击载荷的覆冰输电线路脱冰方法，其特征在于，所述短路电流I的计算公式如下：

其中，λ_Θ1为冰层的热传导率，r_ice为覆冰输电线的半径，h为冰层外表面与空气的热交换系数，T_air为环境温度，R_T为输电线在温度T℃时的电阻率，r_c为输电线半径。

4.根据权利要求1所述的一种结合短路电流与冲击载荷的覆冰输电线路脱冰方法，其特征在于，所述融冰时间t’的计算公式如下：

其中，V_ice为单位长度的冰层体积，C_ice为冰的比热容，T_oi为冰层外表面温度，T_air为环境温度，R₀为单位长度输电线电阻，r_ice为覆冰输电线的半径，h为冰层外表面与空气的热交换系数，ρ_ice为覆冰密度。

5.根据权利要求1所述的一种结合短路电流与冲击载荷的覆冰输电线路脱冰方法，其特征在于，所述冲击载荷需满足惯性力大于重力、粘附力和内聚力的合力的条件，即可用如下公式表述：

F_inertia±G≥F_adhesive+F_cohesive (7)

其中，F_inertia为惯性力，G为冰的重力，F_adhesive为冰与输电线间的粘附力，F_cohesive为冰的内聚力；

其中：

其中，ρ_ice为覆冰密度，g为重力加速度，e为偏心距，L为覆冰长度，a_c为临界加速度，D_cable为输电线直径，D为覆冰后输电线直径，τ_adhesive为覆冰与输电线间的粘附应力，τ_cohesive为覆冰内部的内聚应力；

则可推导出覆冰脱落临界加速度a_c为：

但由于短路电流的通入，使冰层与导线之间产生气隙，即式(7)中粘附力F_adhesive消失，也即式(9)中D_cableτ_adhesive为零，此时覆冰脱落临界加速度计为a'_c：

则冲击载荷的脱冰准则可表示为：

a≥a'_c (11)

其中，a为覆冰加速度，a_c'为覆冰脱落临界加速度。

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