配电网融冰技术综述

徐嘉欣，谢 雄，李达义，陈泽林

（1.华中科技大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074；2.华中科技大学附属中学国际部，湖北 武汉 430074）

0 引 言

近年来，电网覆冰事故在全球范围内频繁发生，对输电线路的正常运行产生了极大的影响，并给人们正常的生产生活造成了严重损失。为了使覆冰问题对电网的影响降到最低，电能得到顺利输送，国内外就线路覆冰问题展开了研究并提出一系列融冰技术。

我国电网发展迅速，配电网覆盖的范围越来越广阔，越来越多的配电线路架设在地形条件复杂、气候恶劣的偏僻地区，其运行受到自然条件尤其是冰冻灾害的严重影响，成为目前冰灾防治工作的难点。配电线路覆冰的防护手段与输电线路和电网整体无异，主要使用电流融冰技术与机械除冰手段。但与输电线比，配电网具有运行电压较低、铝绞线横截面积较小、分布广、支线多以及线型复杂等特点，很多源自于高电压等级的线路防冰方法并不完全适合直接应用在低电压的配电网线路中[1]。因此，针对配电网线路覆冰防护的研究工作是十分必要的。

本文将阐述线路覆冰的分类和形成机理，分析国内外线路融冰技术的研究现状，结合配电网的特点对这些融冰方法进行评估，并提出未来配电网融冰技术的发展建议。

1 电力线路覆冰

1.1 电力线路覆冰机理

覆冰是目前对电力系统的安全稳定运行威胁最大的自然灾害，是一种受多因素影响的复合物理现象，涉及气象、地理等方面。主要是受暖湿气流和冷空气影响，二者缺一不可，南方地区有时比北方地区更易发生覆冰灾害[2]。

从热力学的角度对覆冰的过程进行分析，覆冰本质上就是水释放热量凝固的过程。云层中累积的冰晶首先遇到暖气流，吸热液化成水；水继续下降遇到冷气流迅速冷却，这些雨滴虽然已经降到0 ℃以下，但由于空中缺少凝结核，还无法形成雪花或冰，此时形成的水滴被称为过冷水。当这些过冷水接触到温度低于0 ℃的电力线路时会迅速释放热量凝固，并在导线上不断累积成固态冰层，造成导线覆冰[3]。

1.2 电力线路覆冰灾害分类

根据形态、密度的不同，电力线路上覆冰可以细分为雪凇、雾凇、雨凇、混合凇4种类型[4,5]。

雪凇对线路的影响较小，因为其密度小，本身不易在导线上累积，大多可被自然风力吹落，导线受力负担小。

雾凇是指空气中的水蒸气在碰到温度低于0 ℃的物体后直接凝华，在导线上形成的乳白色不透明的冰晶物[4]。雾凇的密度不高，易从附着物上脱落，一般不会造成严重电力事故。

雨凇是指过冷却水滴遇到温度低于0 ℃的物体后凝固冻结所形成的冰覆盖层[6]。相较于其他形式的覆冰，雨凇密度更大，可以在条件适宜时持续增长，具有极强的破坏性，每年在我国湖南、四川等南方地区造成严重的影响。

混合凇由雾凇和雨凇交替在导线表面交替冻结形成的透明和不透明重叠的冰层，其特性和对电力线路的危害程度也介于二者之间。

2 电网融冰技术现状分析

覆冰问题的严重性引起了国内外相关领域的重视，过去70年来，技术人员们对输电线路的融冰方式和技术展开了研究，并取得了一定的成果，部分技术已投入使用。

目前，国内外融冰技术主要有机械破冰法、热力融冰法和其他除冰法。简单划分如图1所示，本文主要介绍前两类。

图1 国内外融冰技术分类

2.1 机械除冰法

机械除冰法是利用各种机械动力使冰内部产生应力破坏，从导线表面脱离。利用人工进行力学效应破冰，主要包括地面敲打法、滑轮刮铲法和电脉冲除冰法[7]。

2.1.1 地面敲打法

该方法是我国配电网目前使用的主要除冰方法，由操作员站在地面上使用竹竿等工具敲击导线表面附着的冰层使其脱落[8,9]。这一方法全程需要人工参与，不仅效率低，而且存在安全隐患，敲冰中冰层脱落有一定几率砸到工作人员。

2.1.2 滑轮刮铲法

该方法也是人工除冰，但是在线路上安装滑轮，工作人员不再需要用工具敲击线路上的冰，只需要在地面上拉动滑轮，滑轮在线路上移动从而铲除覆冰[10]。

得益于人工智能等科技的发展，目前已经有可用于除冰的滑铲机器人出现，该方法操作简单且成本并不高昂，因此有较广的应用。

2.1.3 电脉冲除冰

电脉冲除冰是通过振动除冰，但是与其他装置不同，它不再拘泥于使用外部装置产生振动使冰层破裂，而是使用储能电容对脉冲线圈进行放电。线圈中会产生一个强磁场，在该磁场的作用下，线圈外部的冰层在反复收缩膨胀后破裂[11]。电脉冲技术除冰原理如图2所示。

图2 电脉冲技术除冰

该方法在局部除冰效果较好，当线路较长时难以有效除冰，目前仍然处于实验室研究阶段。

2.2 热力融冰法

上述机械除冰法目前在国内外多用于局部范围内的线路覆冰情况，作为一种辅助清除手段。对于大范围长线路的覆冰问题，国内外公认的最有效的方式是热力融冰法，即通过增加导线中的电流密度实现融冰。

2.2.1 离线融冰

（1）传统交流短路融冰。

目前电网中的线路主要是交流，尤其是配电网，这为交流融冰提供了条件，易于直接融电网中取得融冰电源。

交流短路融冰是指在线路上设置1个短路点，利用短路时形成的线路大电流发热融冰，该电流一般控制在临界融冰电流和最大允许融冰电流之间。根据短路的故障类型，可以具体划分为三相短路、两相短路和单相短路融冰，实际应用中，多使用三相短路提高融冰电流。

常规的交流短路直接使用变电站变压器出线端作为融冰电源，无需另外配置，且只需对线路进行短路，操作较为简单，因此该方法成为了目前国内外融冰技术的一大热门。当在配电网中使用该方法时，因为无需配置大容量的无功补偿装置，所以有更大的优势。

针对上述方法存在的融冰电压无法调节的缺陷，又提出了可调电容串联补偿、多功能变压器等改进方案。

（2）可调电容串联补偿式融冰。

在线路中串联一个电容器补偿线路自身电感，因为该电容器可调，所以线路中的短路电流可调，可以提供不同长度、线径的线路所需要的融冰电流。另外，在接入电容器的同时还应该配套增加保护装置[12,13]，如图3所示。这种方法适用性更广，但由于增加了装置，操作更加复杂，成本也有所提高。

图3 可调电容串联补偿式交流融冰

（3）多功能变压器融冰。

使用多功能融冰变压器作为融冰电源，高压侧匝数可以通过有载开关调节，低压侧有多个抽头，由此可以得到多种变比、多种融冰电流，适应于不同融冰导线的长度以及线型。

多功能融冰变压器能适应线路长度的较大范围变化的融冰及在融冰过程中电流的变化，主要用于对线路末端和支线进行融冰，作为补充融冰手段。在非覆冰期，可作为1台三相配电变压器使用；在覆冰期，不仅可以作为融冰变压器使用，还可以带少量负载。

（4）直流短路融冰

直流短路融冰技术是目前国内外融冰技术的另一大热门[14-16]。现代直流技术的发展和大电流可控整流元器件的开发，促进了直流融冰技术的发展。直流融冰可用于直流线路或交流线路，直流线路多用于特高压输电线路，本文暂不讨论，当用于交流线路时多采用短路融冰法。

直流短路融冰与交流短路融冰基本原理相同，都是使用短路大电流加热覆冰线路，区别在于直流短路法需要使用大容量整流装置将交流电转化为直流电流。直流融冰所需的电源容量取决于融冰线路的电阻和长度，在相同融冰电流需求下，直流融冰所需容量远小于比交流融冰，并且整流器的引入使得直流电压可调控，因此适用于不同电压等级融冰。

该技术在高压直流输电系统和高电压等级交流输电线路中有较大优势[17]。由于整流装置产生谐波且自身成本较高在低压配电网无明显优势。

2.2.2 在线融冰

在线融冰是指在线路不停运的前提下，增大线路电流实现线路融冰。相比前文提到的需要停电的融冰方案，供电可靠性更高，对正常的生产生活造成的影响较小。

目前提出的在线融冰方案有调整潮流法、增加无功电流法、移相变压器法、分裂导线交替融冰法以及适用于中性点不接地系统的零序电流融冰法。

（1）调整潮流融冰。

无须增设专用融冰装置，而是通过电网电力调度调整潮流分布，往覆冰线路输送更多功率，使线路中产生大电流、线路发热量增加，以实现融冰。潮流调整常用方式有几种，其中最有效的方式是停运并联线路，其他方式如转移负荷、改变首末端开机容量等都没有显著效果。

辐射状网络的功率分布完全取决各点负荷，所以该方法不适用于辐射状网络。闭式网络的自然功率分布与其阻抗成反比，可以调控，但由于环网自身的支撑能力，往往需要停运多条并联线路才能达到融冰的效果。配电网中接线方式多为辐射状或环网，因此潮流调整手段常常有限。

（2）增加无功电流融冰。

在不影响负荷的正常供电的情况下，增加线路上传输的无功功率，使线路上发热增加实现融冰。

文献[18]在线路首端安装电容器，末端并联电抗器，由电容器通过线路向电抗器提供无功，此时线路上流通电流是负荷吸收电路和电感吸收无功电流的叠加。

实际应用时，无功功率的流向控制较难，并且改变无功分布对系统的稳定性有较大影响，一般情况下不采用该方法。

（3）移相变压器融冰。

双回线路中串联接入1个移相变压器，改变电压相角产生电压差驱动环流的生成，以此增大其中一回线的电流大小，从而实现发热融冰，如图4所示[19]。目前国内贵州电网已开展对于基于移相变压器的融冰技术的研究工作[20-22]。该方案适用于主网环网局部融冰，移相变压器本质上就是在线路中附加了1个循环功率，改变了线路中功率分布，此时线路上电流为负载电流和移相变压器环流的叠加。

图4 基于移相变压器的融冰原理

但也存在一些问题，首先变压器相角差带来的环流过大，通常为正常电流的5倍以上，给设备带来安全隐患。其次环流的产生使得电网需要对该段继电保护装置需要重新进行整定，并且需要配置大容量的无功补偿装置。然后移相变压器仅在融冰过程中使用，为了不影响电网的正常运行，往往需要在短时间内完成安装和拆卸，此过程需要暂时停电并且操作人员工作量较大[23]。

（4）分裂子导线交替融冰方案。

文献[24]提出使用4分裂导线分组融冰的方法，在融冰段线路内安装绝缘间隔棒，使各子导线彼此绝缘，通过控制开关使该段运行电流全部集中到某1根或2导线中实现大电流融冰，其他组依次重复此过程，但此方案需要频繁开断电路，对断路器损伤大。

文献[25]在此基础上进行了改进，提出一种非接触式耦合在线融冰方案，该方案同样需要在子导线间安装绝缘间隔棒，但融冰时不再使用断路器开断线路，而是基于文献[26]提到的分布式潮流控制器的原理，在子导线上卡合单匝耦合变压器，这样可以在不影响系统运行的情况下，实现将电流“移动”到某1根或2根子导线中，借助大电流先后对各导线融冰。

这两种方法都是利用了分裂导线实现交替融冰，实际工程中分裂导线多用于超高压输电线路，配电网因电压较低尚未广泛采用，因此该方案并适用于配电网。

（5）零序电流融冰技术。

在配电网中，为了保障用电可靠性，中性点一般采取不接地或经消弧线圈接地，这就使得配电网即使发生了单相接地故障，仍然允许带故障继续运行1～2 h[27-30]。而目前的热力融冰方案基本都要求在1 h内完成，这就为实现在线融冰提供了可能。

文献[31]基于配电网的以上特点，提出1种零序电流在线融冰技术。该方法使用由可调电抗器和接地变压器组合成的装置与避雷线一起构成零序回路，在融冰期间经刀闸接入运行，利用产生的零序电流进行在线融冰[32]。电网中变压器二次侧和负载侧多为三角形连接，因此零序电流并不会影响负载，只会在该段融冰线路的零序回路中流通。

如图5所示，整个融冰装置主要由2个部分构成，其中接地变压器与变电站相连，可调电抗器与避雷器相连。接地变压器提供中性点，对正负序电流而言阻抗极大，而对零序电流阻抗近似为0，适合构成零序回路；可调电抗器用来提供可调的融冰电流，可适用于不同线路的融冰情况。当线路发生单相接地短路时即可形成零序电流通路，覆冰段电流为负载电流和零序电流的叠加，产生大量热量融冰。

图5 在线融冰原理示意

目前该方案已在粤北山区某支线上进行试点，验证方案的可行性。

3 发展前景

配电网是电力系统的重要组成部分，作为电网向用户输送电能的最后一环，也是确保供电安全和质量的最后一道屏障。配电网在给人们带来极大便利的同时，也面临着气候等问题的考验。目前配电网对覆冰问题的防治方法与主网并无较大差异，以人工机械除冰、电流融冰为主。

近年来，人们在传统电流融冰基础上又提出了一系列在线融冰技术，减小了融冰过程对电力系统的影响，但大多数方案都是基于高压主网设计，在配电网中并不能有效发挥作用。仅有一种零序电流融冰技术，充分利用配电网中性点不接地特点提出零序电抗一体融冰装置，为配电网融冰研究提供了新思路。未来需要更加重视配电网自身特性，因地制宜，不断研究新技术、新方法，使得电网在恶劣环境中稳定运行。