长沙理工大学高凯、罗日成：一种输电线路架空地线带电直流融冰方法

为了解决架空地线融冰需停电作业的问题，长沙理工大学电气与信息工程学院的高凯、罗日成、刘娟、陈子骐、王昱彤在2024年第11期《电气技术》上撰文以两条并联的光纤复合架空地线（OPGW）和铝包钢绞线作为研究对象，提出一种架空地线带电直流融冰新方法。

多年来，电力系统网络的覆冰情况不断加剧，有引起重大电力事故的风险。220kV及以上电压等级的输电线路采用光纤复合架空地线（optical fiber composite overhead ground wire, OPGW）与铝包钢绞线结合的双架空地线，架空地线位于输电线路上方且无电流通过，覆冰情况比输电线路更严重。OPGW将架空地线与通信光缆相结合，同时满足防雷与通信的要求。覆冰可能使地线断裂、杆塔倒塌，影响电力系统的信息传送。

我国输电线路融冰广泛采用直流融冰法，但是针对架空地线的直流融冰技术存在不足，在融冰过程中可能使OPGW损坏或使光纤信号衰减。孔晓峰等提出将架空地线进行绝缘化改造，使架空地线同时满足防雷和融冰的要求。李晋伟等提出直流分段架空地线融冰方案，将地线与导线组成融冰回路进行直流融冰。罗日成等提出220kV及以上输电线路带电直流融冰的新方法，将融冰电源加在融冰回路中间位置，利用分裂导线间隔棒使同相导线构成融冰回路，实现了线路的带电融冰。

虽然国内外针对架空地线除冰的研究已取得丰硕的成果，但是由于架空地线特殊的接线方式，大多数融冰方法都需要停电融冰，关于架空地线带电直流融冰的研究较少。

为解决架空地线融冰方法需停电作业的问题，本文首先将架空地线进行绝缘化改造，使OPGW与铝包钢绞线的绝缘距离相同；然后外加电源使融冰电流通过地线，从而实现地线脱冰；最后通过ATP-EMTP软件建立融冰回路的仿真模型，并利用COMSOL软件建立基于电磁-传热场的OPGW和铝包钢绞线的融冰模型，对本文所提方法的可行性进行分析。

1 架空地线带电直流融冰方法的接线方案

1.1 架空地线带电直流融冰回路的构成原理

架空地线带电融冰新方法主要针对采用双架空地线架设的输电线路。首先在覆冰期来临前，对各段线路中覆冰严重的架空地线进行绝缘化改造，使OPGW与铝包钢绞线的绝缘长度相同；然后将OPGW、铝包钢绞线、杆塔横担和直流电源构成融冰回路，以此达到融冰目的。

以图1所示架空地线直流融冰模型为例，其中线路CE为OPGW，线路DF为铝包钢绞线，CE段OPGW的长度与DF段铝包钢绞线的长度相等。CE段OPGW与杆塔处于绝缘状态，DF段铝包钢绞线与杆塔处于绝缘状态。OPGW在C和E位置与杆塔正常连接，铝包钢绞线在D和F位置与杆塔正常连接，杆塔横担通过直流电。

融冰电源的正负极在A点和B点与架空地线连接，且A点连接电源正极，B点连接电源负极。所形成的一个直流融冰回路为A→C→D→B→A，另一个直流融冰回路为A→E→F→B→A。

图1 架空地线直流融冰模型

1.2 融冰电源

图2 直流融冰电源装置原理

2 融冰模型及参数设置

2.1 架空地线参数

当前，我国220kV及以上电压等级的输电线路均采用双架空地线。其中，一根为具有防雷作用的普通地线，例如铝包钢绞线；另一根为兼具防雷与通信作用的OPGW（本文仅考虑层绞式）。这两类架空地线的参数见表1。

表1 架空地线参数

2.2 融冰模型的搭建

图3 融冰模型

2.3 融冰电流的选取

1）融冰电流的选取条件

OPGW主要包括铝包钢线、不锈钢管和光纤。在融冰过程中，只有以上三部分都满足正常工作温度要求，才能使OPGW既能融冰，又能确保整体性能。OPGW内部光纤的涂覆材料为丙烯酸树脂，其使用温度为-60℃～80℃，长期使用的最高温度为80℃。同时，在OPGW融冰时，光纤的温度是最高的。因此，OPGW融冰时的最大允许电流可以根据OPGW在脱冰前后的光纤最高允许温度获取。

2）临界融冰电流的计算

式（1）—式（10）

4）临界融冰电流与最大允许融冰电流的选取

当外界环境温度为5℃、架空地线的覆冰厚度为10mm、风速为5m/s时，由式（5）、式（8）、式（9）和式（10）可得OPGW与铝包钢绞线的临界融冰电流和最大允许融冰电流，见表2。

表2 融冰电流

根据表2的融冰电流计算值可知，OPGW与铝包钢绞线的融冰电流值应该在245～362A之间，这样可以确保架空地线覆冰融化，并且不会对线路产生其他影响。

2.4 融冰电源容量

在实际运行中，地线分段距离较短，架空地线中只有电磁感应与静电感应引起的很小的电流，其大小对于直流融冰来说几乎可以忽略不计，所以架空地线融冰所需电流完全由融冰电源提供。

表3为架空地线的总融冰距离为5km、分段融冰距离为2.5km时，融冰段上不同融冰电流对应的融冰电源最小有功功率的大小。实际融冰电源的有功功率应大于表3中计算得到的融冰电源最小有功功率，并留有一定裕度。

表3 不同融冰电流所需融冰电源的最小有功功率

3 仿真分析

3.1 ATP-EMTP仿真分析

在进行架空地线带电直流融冰工作时，需要对融冰段、非融冰段、电源出线端的电流大小进行监测。一是为了保证所加直流电流处于临界融冰电流与最大允许融冰电流之间；二是分析架空地线非融冰段与接地杆塔是否会流过融冰电流而造成实际融冰电流不足。

非融冰段与接地杆塔的电流值如图4所示。

由图4可知，流过非融冰段的电流大小为1.02mA，流过接地杆塔的电流大小为0.11mA。直流融冰电流只有很少一部分流到非融冰段和接地杆塔，该电流相对于融冰电流来说，损耗很小，其影响可以忽略不计。

图4 非融冰段与接地杆塔的电流值

融冰段与杆塔横担的电流值如图5所示。由图5可知，流过杆塔横担的电流大小为279.2A，与OPGW和铝包钢绞线的融冰段电流大小几乎相等，且处于临界融冰电流与最大允许融冰电流之间。故OPGW与铝包钢绞线之间近似为串联状态，融冰电流只在OPGW与铝包钢绞线的融冰段内流通。

图5 融冰段与杆塔横担的电流值

3.2 架空地线融冰过程的温度分布

利用COMSOL软件对OPGW和铝包钢绞线的融冰过程进行仿真，得到架空地线在融冰时的温度分布。

当发生覆冰时，OPGW和铝包钢绞线在覆冰的重力作用下会发生旋转，使OPGW和铝包钢绞线的覆冰截面为圆形。所以，在架空地线带电直流融冰仿真中，将地线覆冰均看作圆形。

架空地线直流融冰经历四个过程：①升温过程；②初始融冰过程，地线与覆冰没有发生相对移动；③覆冰融化及空气间隙形成过程；④覆冰脱落过程。

图6为OPGW—14B1—93型架空地线在外界环境温度为-5℃，覆冰厚度为10mm，风速为5m/s，通入288A的直流融冰电流后，融冰1min、11min、19min、30min、42min、57min的温度分布。该融冰方式在经历57min后可以将OPGW上的覆冰顺利融化，并且在融冰过程中的温度满足OPGW的使用温度要求。

图6 融冰时OPGW—14B1—93型架空地线的温度分布

图7为JLB40—150型铝包钢绞线在外界环境温度为-5℃，架空地线覆冰厚度为10mm，风速为5m/s，通入288A的直流融冰电流后，融冰2min、11min、23min、35min、47min、66min的温度分布。该融冰方式在经历66min后可以将地线上的覆冰顺利融化，并且在融冰过程中的温度满足铝包钢绞线的使用温度要求。

图7 融冰时JLB40—150型架空地线的温度分布

3.3 架空地线融冰后的温度分布与仿真分析

由于OPGW比铝包钢绞线的融冰速度快，会出现OPGW已经完成融冰，但铝包钢绞线仍需继续通入融冰电流进行融冰的情况，所以需要对OPGW覆冰脱落后的温度进行仿真分析，得到OPGW在脱冰后的温度分布。

图8为OPGW—14B1—93型架空地线在外界环境温度为-5℃，铝包钢绞线还未脱冰，而脱冰后的OPGW继续通入288A的直流融冰电流时，OPGW可能达到的最大温度或与外界热交换平衡达到的稳定温度。由此可得，OPGW在无覆冰的情况下，继续通入融冰电流时，其温度满足OPGW的工作特性，不会对通信和电气性能产生影响，且OPGW在脱冰后的温度小于融冰过程中的温度。

图8 OPGW—14B1—93型架空地线脱冰后的温度分布

4 结论

针对架空地线传统融冰方法不能带电融冰的问题，本文提出了架空地线带电直流融冰新方法，详细说明了该方法的融冰回路构成原理、融冰回路中各元件参数的选取及设置，同时利用仿真软件搭建融冰模型，对架空地线带电直流融冰方法进行分析，得到以下结论：

1）带电直流融冰适用于采用双架空地线的高压输电线路。

2）融冰电源要安装在融冰段中间，使两个并联的融冰段能够同时脱冰。

3）在融冰电流值的允许范围内，可以通过改变融冰电源的电压来改变最大和最小融冰电流，同时要及时观察地线各段的脱冰状态，从而控制融冰时间。

4）融冰段内的融冰电流基本不会流入非融冰段，对非融冰段不会产生任何不利影响。

5）架空地线带电直流融冰不会对OPGW和铝包钢绞线本身造成损害，不影响OPGW的正常通信，且融冰效率较直流短路融冰更高。

本工作成果发表在2024年第11期《电气技术》，论文标题为“ 一种输电线路架空地线带电直流融冰方法 ”，作者为高凯、罗日成、刘娟、陈子骐、王昱彤。

中国电工技术学会

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