输电线路抗冰除冰技术分析
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摘要：输电线路覆冰将对电力供应及整个电网产生严重的危害。本文从输电线路覆冰的主要危害入手，分析了抗冰除冰技术。
关键词：输电线路 抗冰除冰 技术分析
电力供应的畅通离不开对输电线路的维护，而中国是世界上输电线路覆冰最严重的国家之一，如果不对输电线路进行抗冰除冰，将会导致严重的线路中断事故，给广大百姓的生活带来生命威胁和财产损失。如2008年，我国湖南、湖北、贵州、江西、云南、四川、河南和陕西等省都发生了十分严重的冰雪天气，使得输电线路严重覆冰，一度导致工厂停工，百姓无法取暖，畜禽被冻死等事故。输电线路的覆冰给电力系统的正常运行带来严重危害，并给百姓的生活带来巨大的经济损失。
一、输电线路覆冰的主要危害
1.超输电线路负荷
寒冷天气的反复，使得输电线路出现覆冰厚度加大，实际重量已经严重超过了设计的负荷值。这种超负荷最终会导致输电线路断裂或是其它电气方面的事故。
2. 不同期脱冰或不均匀覆冰事故[1]
相邻档导线不均匀覆冰或不同期脱冰产生张力差，使导线、地线在线夹内滑动，严重时将使导线外层铝股在线夹出口处全部断裂、钢芯抽动。
3. 绝缘子串冰闪事故
绝缘子覆冰或被冰凌桥接后，绝缘能力迅速下降，融冰时绝缘子的局部表面电阻增加，形成闪络事故。
4. 导线覆冰舞动事故
二、输电线路抗冰技术分析
目前，我国西部开发正处于高潮阶段，许多超长距离的输电线路要穿越高寒、高湿及高海拔地区，线路覆冰灾害问题将更加突出，从防冰技术上解决问题已经是关键技术之一。我国目前在抗冰材料的研究上虽然取得了一些成绩，但将其用于输电线路上，效果不理想，如用在飞机、汽车等上防冰材料，无论是降低凝固点还是以憎水性为目的，其使用环境与输电线路完全不同，将其用在输电线路上用以抗冰并不适宜，需要对输电线路的抗冰材料进行针对性的研究。研究出一种专用的憎水抗冰梯度功能涂料是解决上述问题的可行途径[2]。
建立输电线路覆冰预警系统，电力部门能够对导线张力进行实时测量，对线路情况进行实时监视，应用气象因子“锋区位置”，构建覆冰成灾模型和危害程度模型，提前对覆冰灾害进行预警，提高输电线路抗冰能力。并针对不同级别的线路覆冰情况进行不同信号预警，供电企业能够在导线轻微覆冰时就采取除冰措施，并时时监控覆冰增长，防止覆冰直向“严重”级别，真正做到预防为主，安全运行。
三、输电线路除冰技术分析
1.热力除冰技术
热力除冰技术是目前应用最主要的输电线路除冰技术。这种技术是通过增加输电线路中的电流密度或是其他方式，使导线自身产生足够多的热量，使导线上无法积冰或积覆在导线上的冰融化掉落，达到抗冰除冰作用。热力除冰技术主要有短路电流融冰、高频高压激励融冰、直流电流融冰、潮流调度融冰等。这些方法虽然能有效抗冰除冰，但是由于需要额外的能源供应，所以十分耗能，而且投资成本很高，应用有限，不适宜输电线路远距离抗冰除冰。
2.机械除冰技术
机械除冰法是采用机械外力除冰。最早有“ADHOC”法、滑轮铲刮法和强力振动法[3]。“ADHOC”法是就起重机、绝缘作业工具车或采取带电直接作业方式机械除冰，有时也采用手工除冰或直升飞机除冰；滑轮铲刮法是手工拉动导线上可行走的滑轮，利用滑轮与导线的接触将覆冰除掉；强力振动法采用电磁力或电脉冲使导线在可控范围内往复振动除冰。这些机械除冰法都需要另外的机械设备，虽然投资小，耗能少，但容易受到地形的限制，而且操作困难，效果不理想，对于工作人员的人身安全也有一定的威胁，都是被动除冰手段。
3.自然被动除冰技术
此种除冰方法是利用自然界的风、热等因素，适当加以人工设备，如安装平衡锤等，使输电线路不易积冰，达到抗冰除冰作用。这种除冰方法虽然成本低，操作简单，但使用地点仍受到地形限制，在无自然外力的地区无法应用此法。
4.激光除冰技术
激光除冰法是利用激光与冰相互作用产生的热融化冰或使冰断裂脱落而除冰。由于冰对激光光波的吸收长度（激光在冰中的穿透长度）与激光波长成反比，在利用激光进行除冰时要选择适当波长的激光器才能提高激光除冰的效果和效率。激光除冰具有距离远，非接触、外加热源、电网外无外增设备、带电除冰等优点，克服了传统除冰法受距离、地形、除冰效果、投资大等限制，其中CO2激光除冰法主要靠热融效应，除冰速度和单位能耗受多个因素影响[4]，1.5KW激光用于导线融冰的体速度约728.5mm3/s,单位能耗2.08J/mm3,结合机械除冰，除冰体速度增加至38595mm3,单位能耗0.0389J/mm3。可见，激光除冰配合其他除冰方法更为节能，除冰速度更快，效果更好。
如用CO2激光除冰器进行除冰，采用不同的技术措施，得到不同的除冰效果。1）将CO2激光器的功率调到26W时，激光直径5mm，熔冰时间45s，激光直接照射，熔掉一个上下底面直径分别为9mm和15mm，长为62mm的柱体冰块，折合成1kg冰大概需要45KJ的能量，与书本上查阅的激光+铲刮法能量消耗大致吻合。2）激光功率调为50W时，激光波长10.6um。在未聚焦的情况下将激光直接作用在覆冰表面，作用距离为30cm时，激光斑直径为5mm，融化1kg的冰需要150KJ能量，时间为30min。3）将激光功率调到56W时，激光沿冰与绝缘子的接触面照射，大约167ml的冰块直接脱落，折合成1kg的冰，用时230s，消耗85.7KJ能量，更接近于理论值。4）将CO2激光器功率调至更大到500W，冰块在激光作用下，直接变成气体，而有些变成液体停留在冰块上，对后期除冰起到阻碍作用。而且线路中的陶瓷绝缘体及其它金属都受到强激光的破坏。
通过以上结果分析可知：CO2激光除冰技术可行，但在激光光束未聚焦时，耗能较高，成本较大，不建议采用。在用激光除冰时，使激光作用在冰与绝缘子接触面，通过融化脱落，配合其它机械除冰法，能够收到更好的除冰效果。但在使用过程中，避免将激光功率调到过大，以防对输电线路造成二次损害。
我国自主研制的激光除冰机就是利用激光除冰技术来达到除冰目的的。2010年1月，在海拔2400m的峨眉山雷洞坪景区内的双水井变电站出现严重覆冰，该线路是峨眉山景区的供电干线，是金顶索道等重要设施的电力保障，中物院应用电子学研究所应用自制的激光除冰装置，对该线路进行了激光除冰，获得很好的除冰效果，而且景区的供电丝毫未受影响。这也为我国应用激光除冰技术打下了良好的基础。
5.机器人除冰技术
机器人队冰技术是利用专用智能机器人，进行导线除冰作业。这种机器人具有高智能性，而且造价低，工作效率高，安全可靠，不影响电网的正常运行。这种除冰技术适应了现代节能环保号召，而且除冰效果可以人工智能化，对于超高压线路，能够达到除冰要求，是输电线路抗冰除冰技术未来发展的趋势。随着现代科技的发展，除冰机器人的高智能化已经成为现实。它具有防滑能力，能够对障碍进行判断，能够爬坡、下坡和自主制动[5]，采用双臂悬挂式结构，能够在越障时保证姿态平稳，并与金属部件保持安全距离。除冰机器人采用了仿人攀缘越障方式来跨越障碍物，并通过智能芯片，能够按照设计要求对导线进行除冰作业，而且效果达到预先设计的标准。
此外，还有很多除冰技术如电子脉冲除冰技术、外施中频电源融冰技术、高压直流电流除冰技术等等很多导线除冰技术。
以上方法都可以在导线覆冰的时候根据不同情况进行应用。例如2008年的雪灾，针对不同地段可以应用不同的除冰方法。在导线刚覆冰时，在短距离内，通过局部降压小电流热融除冰技术，既可以在覆冰初期有效除冰，又可以避免产生过厚的冰层。在地势较平坦，距离又超出热融范围时，采用“ADHOC”法或是滑轮铲刮法等机械手段可以有效除冰，此时消耗的能量和成本及人工都较少，而且相对较安全。在地形较险峻的地区或是超高压线路除冰时，则尽量要采用机器人智能除冰技术，省去外用设备和额外能量的供应，而且能达到预期的除冰效果。电力部门能够针对输电线路的不同情况综合考虑，采用一种或多种方法进行除冰，就可以将损失降到最低限度。
参考文献
[1]常浩，石岩，殷威扬等.交直流线路融冰技术研究[J].电网技术.2008.（05）.
[2]胡小华，魏锡文，陈蓓.输电线路防覆冰涂料的研究进展[J].材料保护.2006.（03）.
[3]王振玉.输电线路除（融）冰技术探析[J].石家庄理工职业学院学术研究.2008.（04）.
[4]谷山强，陈家宏，蔡炜等.输电线路激光除冰技术试验分析及工程应用设计[J].高电压技术.2009.（09）.
[5]侯文琦，王剑，马宏绪等.输电线路除冰机器人机构设计与动力学仿真[J].机械与电子.2009.（10）.
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