- 頭條重慶大學科研人員認為采用渦流自熱環，可有效防止電網的冰雪災害2022-01-20 作者：黃亞飛 蔣興良 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語輸電線路覆冰現象對電網的安全運行造成極大危害，國內外一直在探索和研究各種對于輸電線路防冰止雪的有效方法和技術措施。輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）的研究人員黃亞飛、蔣興良、任曉東、黎芷毓，在2021年第10期《電工技術學報》上發表研究成果，指出對微地形、微氣象地區等電網小范圍重冰區而言，渦流自熱環是一種簡單、有效的不停電導線防冰除冰措施。
對寒冷地區來說，覆冰是一種普遍的自然現象，但對輸電線路卻是一種極大的威脅。一旦覆冰發生，輸電線路將可能發生導線斷股、斷線、舞動，桿塔金具損壞，絕緣子冰閃等機械和電氣事故，嚴重時會造成大范圍、長時間的供電中斷。
我國是輸電線路覆冰事故最頻發的國家之一，長期以來難以預測輸電線路覆冰事故給國家造成極大的經濟損失。2008年大規模的電網冰災促進了我國對輸電線路冰災防治領域的研究，學者們在輸電線路覆冰積雪的形成機理、致災機制以及防冰除冰方法等方面均取得了一定進展。然而由于覆冰現象的復雜性和隨機性，輸電線路覆冰災害仍然難以杜絕。
輸電線路導線的覆冰累積是一個綜合流體力學、熱力學的物理過程。在長期的研究過程中，學者們從輸電線路覆冰積雪的不同影響因素出發，提出了許多防冰除冰的方法，如機械除冰、防冰涂料、熱力學融冰及電脈沖除冰等。
各種方法在不同的環境和使用條件下均有一定的效果，但都存在局限性，沒有任何一種方法能完全解決輸電線路覆冰問題。現階段直流融冰方法作為一種高效的主動除冰方式在中國被廣泛采用。但是直流融冰方法需要線路停電進行、設備成本高昂，而且直流融冰裝置的接入操作和起效均需要一定的時間。所以對于極速、大面積的冰雪寒流侵襲，直流融冰也顯得無能為力。
輸電線路導線外部附加熱磁材料除冰是一種自動、不斷電防冰除冰方法。七五攻關中，武漢高壓研究所等單位研制出多種LC（低居里點）合金材料，并將其制成熱磁線纏繞在導線外側以實現導線除冰。但是由于LC材料的造價過于昂貴，并且熱磁線的安裝過于困難導致其難以進行推廣使用。
高小玫等計算了不同磁熱結構的發熱量，為磁熱結構的優化設計提供了參考。李窘等制作了導線用低居里點磁性防覆冰鋼絲，并且在自然實驗中驗證了其有效性。蔣興良等通過分析研究后指出附加磁熱材料實現導線不斷電除冰是完全可行的，但是材料成本需要進一步降低，制作工藝需要進一步改進。
重慶大學的研究人員總結已有的導線防除冰經驗，結合磁熱計算和除冰過程熱平衡分析，提出在導線上分段加裝鐵磁復合材料制成的渦流自熱環，使其在導線傳輸電流產生的磁場下產生電磁熱損耗，實現導線不停電自動除冰方法。
圖1 渦流自熱環外觀尺寸
研究人員通過磁熱分析，對不同傳輸電流下渦流自熱環的發熱功率特性進行了計算；同時通過對導線除冰過程熱平衡的分析，計算出不同風速、不同溫度條件下導線的臨界除冰功率。在人工氣候室內開展LGJ◆400/35導線的渦流自熱環防/除冰試驗。試驗結果表明，間隔布置的渦流自熱環可以明顯抑制導線覆冰的形成，除布置處完全融冰外，可使整段導線的覆冰質量減少18.38%～30.61%。
研究人員認為渦流自熱環是一種簡單、有效且低成本的導線不斷電防冰除冰方法，可以有效地減緩導線的覆冰增長。但是渦流自熱環給輸電線路帶來額外電能損耗也不能被忽視。他們分析我國輸電線路的覆冰災害，除了大范圍的冰雪天氣來襲造成大范圍的冰災事故，其還具有典型的微地形、微氣象的特點。
圖2 渦流自熱環除冰效果（覆冰2小時）
研究人員指出，微地形、微氣象覆冰是指在某個小范圍內由于微地形的存在，使該區域內的微氣象因子將發生異變，引發該該處輸電線路嚴重的覆冰災害。常見的微地形有高山分水嶺、地勢抬升、峽谷、埡口等，其范圍可小至幾百米空間、幾個甚至一個檔距之間。微地形、微氣象區域的覆冰現象嚴重，持續時間長、危害大，并且難以防治，大范圍的直流融冰設備都束手無策。但是渦流自熱環卻非常適合用于以微地形、微氣象覆冰區域等小范圍局部覆冰嚴重的地區的冰災防治。
研究人員表示，當輸電線路途徑長幾千米甚至幾百米的微地形、微氣象覆冰區域時，倒塔、斷線的等冰災事故難以杜絕，直流融冰手段又難以實時開展，這時非常適合在該區域布置渦流自熱環來抑制導線覆冰形成，降低冰災風險。渦流自熱環作為我國大范圍直流融冰措施的補充，具有不錯的應用前景。
圖3 渦流自熱環除冰效果（覆冰2小時）
研究人員最后總結認為：
1）LGJ◆400/35導線渦流自熱環除冰試驗表明，渦流自熱環在試驗條件下可以有效地減緩導線表面覆冰。人工氣候室導線防/除冰試驗結果表明，與未布置渦流自熱環的導線相比，0.6m間隔布置的渦流自熱環可以減少導線表面18.38%～30.61%覆冰質量。
2）渦流自熱環的除冰效率隨著傳輸電流的增加而增加。與此同時由于渦流自熱環可以加速導線表面水膜的散失，在雨凇覆冰時除冰效率更高。
3）渦流自熱環的磁熱產生量與導線的傳輸電流直接相關，當傳輸電流較小時渦流自熱環的磁熱量隨著傳輸電流的增大迅速增加，但是存在明顯的飽和趨勢。
4）導線表面的臨界覆冰功率與環境參數有密切關系，其隨著環境溫度的減小而增加，隨著風速的增加而增加。
5）渦流自熱環是一種簡單、有效的不停電導線防冰除冰措施。可以在微地形、微氣象等小范圍重覆冰區域內推廣使用。其熱源控制以及最佳防冰經濟布置策略還需要進一步的研究。
以上研究成果發表在2021年第10期《電工技術學報》，論文標題為“采用渦流自熱環防止輸電線路冰雪災害的方法研究”，作者為黃亞飛、蔣興良 等。
