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冰雪来了 电网融冰“黑科技”再升级

2018-12-20 10:12来源:科技日报

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  生活中时时刻刻都离不开电,覆冰是当前电网最严重的威胁之一。随着今年冬季“冰冻”模式的开启,广东、广西、贵州等南方地区的气温也在持续下降,部分高寒山区更是冰雪皑皑。为保障供电安全,南方电网启动了今年的首轮融冰。

  在什么条件下要进行电网融冰?电网线路融冰一般采取什么措施,有哪些“黑科技”?

  覆冰积雪危害

  电网安全运行的“顽疾”

  据南方电网公司编制的《2018年冬和2019年春南方地区低温冰冻天气影响趋势分析报告》显示:今冬明春,广东、广西、云南、贵州各地低温冰冻天气总体属正常略偏轻年景,但广西、云南、贵州等局部地区仍存在出现阶段性较强覆冰的可能性。

  随着电力的蓬勃发展,输电线路覆冰事故时有发生。1932年美国发生线路覆冰事件,1994年美国东部和南部地区输电线路与电力相关设备遭受严重覆冰事故。我国自1954年记录了首例电网覆冰故障以来,覆冰积雪一直严重危害着电网的安全运行。最严重的电网覆冰事故发生在2008年,南方部分地区遭遇50年一遇的严重低温雨雪冰冻灾害,罕见的冰冻灾害,导致了湖南、贵州、江西、浙江、福建等12个省市的覆冰倒塔、断线事故,电网大面积停电、限电。

  据统计,当时供电量下降到受灾前的14%,全国1亿多人受到了影响,直接损失超过1000亿元。

  直流融冰

  解决电网大面积冰冻灾害

  统计数据显示,截至今年12月9日,南方电网公司10千伏及以上线路覆冰270条,覆冰比值超过0.3的有32条。广西电网工程师俸波介绍,覆冰比值是监测到实际覆冰厚度除以设计电线可承受覆冰厚度的数值,超过0.5就要实施融冰。

  不过,中国电力科学研究院的专家告诉科技日报记者,由于自然覆冰形式多样、随机和不可预见,加上每个地区的具体情况不同,微地形、微气象影响严重,因此,每个地区确定的需要实施融冰的覆冰比值是有所不同的。

  电网防冰和除冰的方式,从前是人爬到电线杆上,用锤子和榔头进行人工清除,但如今,防冰技术手段已经升级,这包括固定式直流融冰、交流融冰变压器、融冰刀闸小车、自动机械装置融冰、空气弹震动除冰、滑轮融冰等。重庆大学教授蒋庆良说,覆冰是极其复杂的国际性难题。在2008年南方大面积冰灾后,我国开展了广泛研究,而直流融冰是目前唯一可行的解决电网大面积冰冻灾害的方法。

  直流融冰主要是通过对输电线路施加直流电压并在输电线路末端进行短路,使导线发热来对输电线路进行融冰。其中的固定式(可控硅)直流融冰装置则采用引入变电站10千伏电源,通过三绕组整流变压器后,送入12脉波可控硅整流器,经整流后输出3000伏/1400安的直流。对此,电力专家解释说,电流就类似于水流,可控硅就类似可控制的闸门,通过三绕组整流变压器,把10千伏的高压电转变为较为低压的电流,再通过12脉波可控硅整流器,消除其中的谐波干扰等。“融冰不是对输电线路快速加温,而是一点一点加温,一般来说加温到1摄氏度左右就可以了,所以必须通过整流器,把变电站输出的高压电源转变成低压直流电,才可以使用。”

  当前我国在很多“骨干电网”上已预装了固定式直流融冰装置,而移动式直流融冰装置则由整流部件、变压部件、感应电压抑制部件、输出组合刀闸等组成,直接安装在拖车上,能随时调度使用。“但是实施直流融冰需要停电与人工干预,操作复杂、融冰时间长,这是需要解决的关键技术。”蒋庆良说,干预式防冰、融冰是国内外当前发展的趋势,而电网防冰减灾应从高成本、低可靠性、供电中断的融冰措施向不停电、非人工干预、智能化、低成本、高可靠性的冰灾防御方法进行根本性转变,但这有待于继续深入研究和工程应用证明。

  除冰行列

  用上喷火无人机和激光雷达

  “如今,我们坐在电脑前,就可以看到千里之外的电网设备融冰的整个过程,这在以前根本无法想象。”南方电网公司安全总监牛保红说,通过物联网和远程通信技术,指挥中心可以远程对除冰、融冰设备进行程序化操作,而且实现了无人机等多种手段联合,大规模、跨区域、自动化巡查等,提高了效率,并可避免人员操作的安全风险等。

  除了直流融冰外,电网在除冰融冰方面还在不断试验其他的“黑科技”。如南方电网在喷火无人机、激光清障仪以及激光雷达扫描、激光雷达进行实地除冰作业等非接触式融冰技术方面取得了新突破。南方电网广东公司在国内率先尝试喷火无人机对高压线路地线进行除冰作业,在5分钟内通过8次喷火加速了地线重冰区冰层融化;激光清障仪是南方电网广东公司东莞供电局自主研发的产品,可直接远距离及时、快速、安全地清除线路飘挂物,在应用于融冰的试验中,通过超远距离激光聚能,在8分钟内成功切除了导地线覆冰最严重区段整体厚度达12厘米的冰层。

  “以往地线除冰主要靠人工,效率不高,而且有一定危险性。由于常规地线不通电,覆冰会比较严重,加上无法进行直流融冰操作,地线融冰已成为电力行业一大难题。”南方电网广东公司东莞供电局输电管理所主任杨挺表示,激光清障仪、喷火无人机这两项非接触性融冰技术的现场试验应用,将改变传统人工除冰的原始模式,减少电力工人在恶劣天气中冒险登高抢险的风险,也有望解决电力行业架空地线因多点接地而无法通过电流短路融冰的难题。

  “融冰技术的研究最早是在加拿大,但世界第一套直流融冰装置得到实际应用是在贵州地区。”中国工程院院士、南方电网公司专家委员会主任委员李立浧说,可控电流源融冰装置应成为新一代融冰装置的标准型式。科学家们还在电网抗冰材料研究和应用方面取得了新进展,如绞合型碳纤维复合芯导线具有更好的抗压能力、整体稳定性、抗断裂性能等,可用于中重冰区、强风区,提高输电线路本体的抗覆冰、防灾能力;在防覆冰涂料方面,超疏水涂层表面具有微-纳粗糙结构,可以有效降低冰层与涂层接触面积和附着力,实现易脱冰;涂层与涂层表面之间存在空气层,阻隔液滴结冰时的热量传递,达到延迟结冰的效果。

  蒋庆良说,覆冰是各种结构物面临的普遍现象,不仅是电网,风力发电机、飞机、高铁等都面临覆冰的危害。冰灾防御是多领域的重大科技难题与关键技术,电网融冰方面取得的科技成果,未来也可以应用到飞机、高铁等方面。(记者 李禾)

[责编:蔡琳]

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