， (西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

輸電線路的覆冰嚴重威脅著電網(wǎng)設備的安全運行，輕者引起閃絡跳閘，重者導致倒塔斷線，使電力設施遭到毀滅性破壞，對電力系統(tǒng)的安全運行產(chǎn)生嚴重危害。中國是輸電線路覆冰災害嚴重的國家之一。2005年華中地區(qū)冰災、2008年南方地區(qū)大面積冰災、2017年華中地區(qū)輸電線路舞動都對當?shù)仉娋W(wǎng)造成極大破壞，給當?shù)亟?jīng)濟、社會和人民生活造成了極為嚴重的影響，因此，開展防覆冰技術研究，開發(fā)可靠的導線防冰雪技術，采用有針對性的預防措施和處理方法，已成為一個重要而緊迫的課題，對提高電力系統(tǒng)的安全運行具有非常重要的價值。

就目前來講，根據(jù)抗冰雪原理的不同，輸電線路導線防冰雪技術又分為以下幾種類型[1-2]：

1)發(fā)熱融冰：使輸電線本身或纏繞其上的電阻絲發(fā)熱，從而使冰融化。

2)振動除冰：通過使輸電線產(chǎn)生振動，實現(xiàn)除冰的目的。

3)改進結構減冰：通過改進外層鋁股單絲結構，使導線表面光滑，冰雪不容易附著在導線表面。

4)涂覆材料防冰：通過在導線表面涂覆某些材料減緩和防止導線結冰。

下面對目前國內(nèi)外導線防冰雪技術的科研成果進行了調(diào)研總結，提出了下階段防冰雪導線應用發(fā)展的方向。

1 導線的結構型式

中國導線型式普遍選用GB 1179-83 《鋁絞線及鋼芯鋁絞線》及GB/T 1179-2008 《圓線同心絞架空導線》中的定型產(chǎn)品，具有成熟的生產(chǎn)、運行、施工經(jīng)驗，但由于絞線中單絲均呈圓柱狀，因此絞制后單絲間往往存在較大的縫隙、凹槽，而這些縫隙、凹槽使覆冰可以牢牢地粘附在導線表面上。

對此，國外已研制開發(fā)出Z型結構型式的防冰雪導線，已投入生產(chǎn)并掛網(wǎng)運行。中國2006年發(fā)布了GB/5 20141-2006 《型線同心絞架空導線》，各電纜廠家在2008年特大冰災后，也加大了這方面產(chǎn)品的研制，中天科技等電纜廠家已研制出梯型和Z、S型的型線同心絞導線。該系列導線絞合后，單絲間咬合更緊密，導線表面更光滑，可以減小覆冰在導線表面的附著力，過冷水滴、冰雪等不易聚集在導線表面，從而延緩了導線覆冰的時間；并且在相同鋁截面下可以減少導線直徑10%～15%，相應減少了導線上的覆冰量,適合重冰線路使用。普通導線及型線導線結構型式見圖1、圖2。

表1 不同冰區(qū)導線覆冰量比較表

注：上表覆冰密度取0.9 g/cm3。

圖1 普通導線結構

圖2 型線導線結構

分別從GB/T 1179-2008 《圓線同心絞架空導線》及GB/5 20141-2006 《型線同心絞架空導線》標準中選擇出相同鋁截面、結構相近的JL/G1A-400/50鋼芯鋁絞線和JLX/G1A-400/52型線結構鋼芯鋁絞線，對其在不同冰區(qū)下的覆冰量進行計算比較，計算結果見表1。結果表明在未考慮導線粗糙程度對導線覆冰量影響的前提下，型線結構仍較普通圓線結構覆冰量減少了約3.2%～6.5%。

此外，根據(jù)覆冰觀測和試驗發(fā)現(xiàn)，導線覆冰或積雪過程中，總是先在導線迎風側形成覆冰或積雪，后在冰雪重力作用下，使導線發(fā)生扭轉，覆冰或積雪繼續(xù)在導線迎風面堆積，使導線再次扭轉，該過程重復發(fā)生，使覆冰或積雪在導線表面不斷增長。其發(fā)展過程如圖3所示。根據(jù)覆冰或積雪這一發(fā)展過程，可以優(yōu)化導線排列結構，如法國耐克森公司的aero-z型架空導線，增大了導線的扭距，可以減小導線的扭轉，從而減少覆冰或積雪在導線表面的聚集。

圖3 覆冰或積雪在導線表面的發(fā)展過程

綜上所述，導線采用型線結構可改善導線表面狀況、減小導線直徑、提高導線的抗扭轉性能，較圓線結構在防冰雪方面具有優(yōu)勢。目前該項技術已在國內(nèi)外多條線路上推廣采用，具有一定的設計和運行經(jīng)驗。

2 發(fā)熱融冰

2.1 耐熱導線

目前中國輸電線路通常采用鋁、鋁合金等良導體與機械性能較好的鋼絲絞制而成的鋼芯鋁絞線、鋼芯鋁合金絞線，導線允許溫度不超過70℃～80℃；而鋼芯耐熱鋁合金導線，由于在普通的金屬鋁中添加了金屬鋯等成分，提高了材料的再結晶溫度，使其能在較高的溫度下不降低機械強度，其最高允許溫度可達150℃。

按中國規(guī)程要求輸電線路一般按經(jīng)濟電流密度選擇導線截面，僅對于大跨越線路按照導線允許載流量來選擇。對于重冰區(qū)線路采用鋼芯耐熱鋁合金導線后，按導線允許載流量來選擇后，較普通鋼芯鋁絞線、鋼芯鋁合金絞線可減小導線截面積、重量，從而減小桿塔冰風荷載，降低單基塔重，節(jié)約線路初投資；雖然導線電暈、電阻產(chǎn)生的電能損失相對增加，但由于重冰區(qū)區(qū)段長度較短，相對總的電能損失增加不多,并且對于相同的工作負荷電流，鋼芯耐熱鋁合金導線溫度較普通導線高,能避免過冷卻水滴在導線上凍結，從而使導線不結冰或盡量減少導線覆冰量的可能。下面從GB/T 1179-2008 《圓線同心絞架空導線》標準中分別選擇在中國500 kV線路中廣泛采用的LGJ-500/45鋼芯鋁絞線、A3/S1A-523/68鋼芯鋁合金絞線與中天科技生產(chǎn)的JGQNRLHX/EST-480/90、NRLH60/G1A -300/40、NRLH60/G1A -240/30鋼芯耐熱鋁合金絞線進行比較。各導線參數(shù)見表2。

按GB 50545-2010 《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規(guī)范》給出的載流量公式計算，各導線相同工作電流情況下導線表面溫升比較見表3。

由表3可以看出相同輸送功率情況下，耐熱鋁合金導線由于將導線最高允許溫度提高到150℃，因此耐熱鋁合金導線的截面、直徑可較常規(guī)鋼芯鋁(鋁合金)絞線大大降低。表3選擇的耐熱鋁合金導線均能滿足常規(guī)500 kV線路極限輸送容量的要求。

按導線覆冰形成機理的研究，影響導線覆冰的氣象因素主要有4種，即空氣溫度(Ta)、風速風向(V)、空氣或云中過冷卻水滴直徑(MHD)、空氣中液態(tài)水含量(LWC)。這4種因素的不同組合確定了導線覆冰類型，各種類型覆冰形成的氣象條件見表4。

表2 導線參數(shù)表

表3 導線表面溫升比較表

注：1)環(huán)境溫度取40℃；2)功率因數(shù)取0.95；3)表中按500 kV電壓等級，單回三相，每相導線四分裂計算輸送功率。

表4 覆冰的形成條件

表5 典型覆冰條件下導線不覆冰的臨界電流

按表4給出的典型覆冰條件，對5種導線不覆冰的臨界電流進行計算，計算結果見表5[3]。

通過表5可以看出典型覆冰氣象條件下，耐熱鋁合金導線的臨界電流均小于普通鋼芯鋁(鋁合金)絞線，其中隨著耐熱鋁合金導線截面的減小其臨界電流亦在減小。NRLH60/G1A-240/30導線在雨凇情況下的臨界電流值基本與中國500 kV線路一般正常輸送容量1 000 MW時對應的四分裂導線每根子導線的工作電流300 A接近。因此在冬季通過科學調(diào)度，提高易覆冰線路輸送功率，并選用導線直徑、臨界電流均較小的耐熱鋁合金導線，再輔之其他導線防冰雪的措施，可以減少導線覆冰量或使導線不覆冰。但耐熱鋁合金導線導電率較鋼芯鋁絞線低，且運行溫度高在運行中損耗較大，實際應用中應采用最小年費用法并結合工程施工運行情況，綜合比較選用合理的導線型式。

2.2 低居里鐵磁材料

鐵磁材料的居里點特性，指當材料在其居里點溫度以下時，磁感應強度增高，表現(xiàn)為鐵磁體；而在居里點溫度以上時，磁感應強度顯著下降，表現(xiàn)為順磁體[4]。目前常用的鐵磁材料有鐵(Fe)、鎳(Ni)、鈷(Co)，其中鐵(Fe)的居里溫度為1 034 K，鎳(Ni)的居里溫度為627 K，鈷(Co)的居里溫度為1 397 K。鈷(Co)不僅居里溫度高且價格昂貴，因此目前普遍采用鐵鎳合金做為鐵磁材料，為降低鐵鎳合金的居里溫度，摻入鉻(Cr)、硅(Si)元素，制成Fe-Ni-Cr-Si低居里鐵磁合金材料。該類材料在居里點溫度以下時，受電場影響，其表面磁滯、渦流明顯，發(fā)熱量顯著上升，可以融冰或避免導線結冰。并且在居里點溫度以下時，在導線電流大到某一數(shù)值后，鐵磁材料磁感應強度接近飽和，此后隨著導線電流的增加，鐵磁材料產(chǎn)生的損耗基本不變，武漢高壓研究所等單位研制的一種低居里點鐵磁材料發(fā)熱功率與導線傳輸電流的特性曲線見圖4[5]；而此類鐵磁材料在居里溫度以上時，材料磁感顯著降低，發(fā)熱很少或不發(fā)熱，線路損耗相對增加不多。

圖4 低居里點鐵磁材料發(fā)熱功率與導線傳輸電流的特性曲線

英國學者對普通LN-ACSR-940鋼芯鋁絞線、外層纏繞、不纏繞鐵磁線的情況進行了試驗比較，導線外層纏繞鐵磁線后發(fā)熱明顯增加，且通過適當提高鐵磁線中鎳金屬含量，可進一步提高導體的發(fā)熱量，導體中的電流與發(fā)熱量的關系曲線見圖5。

圖5 電流與發(fā)熱量的關系曲線

英國等其他國家亦已開發(fā)出具有同樣特性的鐵磁線，其中英國學者通過對鐵磁材料中鎳(Ni)含量的比例進行調(diào)節(jié)，并通過磁感應強度測試、發(fā)熱試驗及實驗室人工降雪模擬試驗，合理確定了Fe、Ni、Cr、Si四種元素的含量，該種鐵磁線已在覆雪嚴重的輸電線路上掛網(wǎng)運行，并取得不錯的防雪效果。

由于目前鐵磁材料采用Fe、Ni、Cr、Si等元素，原材料費用高，制造工藝復雜；國內(nèi)對鐵磁材料的研究還相對落后，目前研制出的鐵磁材料居里點溫度在60℃～80℃之間，使線路在大部分時間運行情況下，鐵磁線仍發(fā)熱，線路損耗大大增加，且施工也較為復雜，目前國內(nèi)外僅有少量線路采用，下階段能否通過鐵磁材料配方的調(diào)整優(yōu)化降低其居里點溫度，成為該類低居里鐵磁材料推廣應用于防冰雪導線的關鍵。

3 涂覆材料

根據(jù)覆冰形成機理，覆冰是空氣中的過冷卻水滴在導線表面凍結并持續(xù)發(fā)展的過程。因此通過在導線表面涂覆憎水性涂料，一方面可減少冰雪在導線上的粘附力；另一方面也可減少過冷卻水滴在導線表面的集聚，從而抑制覆冰的形成和發(fā)展。

在人工氣候模擬箱中通過溫控系統(tǒng)控制覆冰氣溫和成冰水溫，對同種鋁單絲涂附不同涂料后的覆冰特性進行了比較，試驗表明涂料的表面張力越小，憎水性越強，防止鋁單絲覆冰的效果越明顯。該試驗中鋁單絲不同涂料表面覆冰增長情況見圖6[6]。

圖6 不同鋁單絲表面覆冰質(zhì)量增長情況

用作導線的防冰雪涂料，一方面要有較高的熱傳導性，另一方面又要有較低的表面張力和較強的憎水性，并在野外惡劣的自然條件下具有很好的抗老化性能及耐候性，否則每次冰雪來臨前重新涂刷的話，運行維護成本太高。由于防冰雪導線用涂料起步較晚，目前各科研院校在實驗研究中已開發(fā)出部分導線防覆冰涂料，雖然其疏水性能均達到了較高的水平，但除冰效果有限并只在濕雪條件下起作用，在氣溫低、水霧呈過冷卻的情況下，防冰效果均不理想。因此對于涂料中成膜物質(zhì)的選擇、配套顏料的制備、涂料合成工藝等方面還有待進一步科研攻關，但防冰雪涂料應用前景還是非常明朗的。

4 結 語

雖然目前導線防冰雪技術的研究仍處于起步階段，但通過對導線結構型式及材質(zhì)的優(yōu)化、型線工藝的成熟、耐熱導線的逐步推廣、低居里鐵磁材料的研發(fā)、防冰雪導線涂料的破題，導線防冰雪技術的研究和攻關已取得初步成效。通過以上調(diào)研結論，從提高導線防冰防雪能力方面對今后重冰線路設計具有重要的參考和借鑒意義。今后在此基礎上繼續(xù)加大投入力度，并將理論研究與工程實踐緊密結合，必將對以避、抗為主的重冰線路的設計理念產(chǎn)生深遠影響，并進一步提高重冰區(qū)線路的安全性，降低運行維護的難度。

[1] 蔣興良，易輝.輸電線路覆冰及防冰[M].北京：中國電力出版社，2002.

[2] 劉和云. 架空導線覆冰防冰的理論與應用[M]. 北京:中國鐵道出版社,2001.

[3] 審屠剛.電力系統(tǒng)輸電線路抗冰除冰技術研究進展綜述[J].機電工程,2008，25(7)：72-75.

[4] 蔣興良，范松海，孫才新，等.低居里點鐵磁材料在輸電線路防冰中應用前景分析[J].南方電網(wǎng)技術，2008，2(2)：19-22.

[5] 梅冰笑，潘學明.輸電線路防覆冰臨界電流密度預測模型研究[J].電氣應用，2009，28(4)：72-76.

[6] 汪佛池，李成榕，呂玉珍，等.憎水涂層對鋁單絲表面覆冰性能的影響[J].中國電機工程學報，2011，31(10)：123-128.