胡杨昊+易灵芝+赵纯
摘要：本文针对湖南电网研发的新型内嵌式地线地线新型直流融冰技术，提出地线直流融冰的所涉及的两个重要的参数（临界融冰电流和最大融冰电流）概念和计算方法。基于有限元法，以GJ-70电线为模型，建立3D热-电耦合仿真模型，仿真得出不同气候、温度条件下的临界融冰电流，以及地线正常运行所允许的最大电流，与试验人员得出的实验数据进行对比，进一步验证这种融冰技术的优越性，并为运行人员有效的融冰电流范围提供了参考依据。
关键词：有限元;直流融冰;新型地线;临界融冰电流;最大融冰电流
中图分类号：TM726.3 文献标识码：A 文章编号：
Current calculation model embedded wire melting ice
Hu –Yanghao， Yi- Lingzhi， Zhao-Chun
（Electric Power Company of Hunan Province Electric Power Research Institute， Hunan， Changsha 410007）
（Xiangtan University， Hunan Xiangtan 411005）
Abstract： In this paper， novel embedded ground wire in Hunan power system research and development of new DC ice melting technology， put forward two important parameters involved ground DC ice melting（the least ice-melting current and the max allowed current）concept and calculation method. According to the configuration GJ-70 wire， a 3D thermal-electric coupled simulation model of wire covered with ice was constructed based on finite element method（FEM） using ANSYS software. Simulation of the ice melting current critical different climate， temperature， and maximum current allows the ground running， compared with experimental data obtained by test personnel， further verify the superiority of the ice melting technology， and for the operating personnel effective ice melting current range offers reference.
Key words： FEM ;DC ice-melting; earth wire ;the least ice-melting current; the max allowed current
1. 引言
在2005年和2008年两次雨雪冰冻灾害中，出现了大量的输电线路地线断线事故。以2008年的冰灾为例，湖南省电力公司500kV线路地线断线322处，220kV线路地线断线432处，110kV线路地线断线1017处。地线发生事故以后，一方面造成了电网通讯中断;另一方面，由于地线断线后跌落在导线上，使导线接地，造成线路跳闸，从而导致线路停运。
针对地线的复杂情况与目前地线融冰技术的空白，为保证电力系统发电、变电、输电、配电的防冻融冰工作切实有效的开展，研究地线融冰方法必然是一个战略性的发展方向。为寻求一种方便、经济的融冰方法，湖南电网拟针对地线特点，提出一种新型的地线融冰方案-内嵌式地线融冰。
1热力学方程
1.1热传导方程
边界条件设定：在本模型中，选中覆冰层最外层面，设定其对流边界条件，对流系数为15.687W/m-℃（风速为3m/s），环境温度为-3℃。材料参数如表1所示。
2 导线覆冰仿真模型
2.1内嵌式融冰地线的结构及参数
进行内嵌式地线融冰，需将地线更换为内嵌式地线，内嵌式地线的原理为：将普通的钢绞线中的2股或多股钢线替换为绝缘铜线，为了确保地线在施工中绝缘层不至于损坏，需在绝缘铜线外面加上一层钢带，以保护绝缘铜线。
本文模型中使用ANSYS（有限元分析软件）的SOLID227热-电耦合单元（三维10节点耦合单元），根据表2的地线参数建立3D热-电耦合分析模型，能够求得施加电流载荷之后的覆冰导线内部的温度分布，比其他热分析方式更加精确、方便。图1给出了搭建的3D覆冰导线仿真模型。
材 料
电导率（20℃）（S/m）
热导率（W/m-℃）
比热（J/KJ-℃）
密度（kg/m?）
钢芯
2106
45
481
7872
铜
383
390
8899
交联聚乙烯
0
0.41
2500
940
空气
0
0.026
1007
1.1614
冰
0.01
2.26
2100
900
公称直径/mm
1×19
钢绞线
铜 线
绝缘层
钢带
全部钢丝
断面面积
mm2
全部铜线
断面面积
mm2
参考重量
Kg/100m
2.50×13
1.60×6
1
0.4
63.81
12.06
66.30
表1 材料参数 表2 内嵌式融冰钢绞地线参数表
3融冰电流的计算分析
3.1临界融冰电流
能够使覆冰导线在一定的外部温度和风速的影响下，通入能够使覆冰开始融化的电流，我们称之为临界融冰电流。稳态分析过程中，为了使导线外层的覆冰开始融化，一般导线与外层覆冰层接触处温度保持1℃以上即可。
电流载荷施加：6根铜线在进行融冰时分成两组，一侧短接，另一侧接入直流电流，利用通流后的热效应使地线升温从而使地线覆冰融化。首先选中铜导线的一个断面，施加零电位，另一端进行电位耦合，施加13A的电流。即3根铜导线施加约39A电流。 经过ANSYS软件仿真分析后，能够得到覆冰导线的温度分布云图如图2所示。从图2中可以看出钢芯温度最高，从钢芯向冰层外部逐渐降低。
图1 覆冰地线3D仿真模型 图2 临界电流仿真温度分布云图
图3中给出了温度半径的变化图，由图3中可以看出温度随着地线半径变化的趋势，钢芯部分最高温度达7. 23℃。在4mm至6mm之间为外层钢导线，其温度变化不大，基本接近3℃。6mm处为地线和覆冰层接触界面，温度为1℃左右。至16mm为外层覆冰，温度逐步减低，至覆冰层最外层温度为0.3℃左右。设定不同的覆冰厚度、环境温度和风速，求出一组临界融冰电流曲线。
在一般的情况下，如果输电线路已经架设好，其地线的型号一般不会更改，如果需要确定覆冰地线的临界融冰电流值，只要知道导线所处的气象条件即可。
图3 温度随附覆冰地线半径的变化图（位置/m）
从图4的临界电流计算结果可以看出，在覆冰厚度不变的条件下，随着环境温度的降低，融冰电流基本呈步进增加。随着风速的增加，融冰电流呈非线性增长。由于对流系数的影响，在3m/s至9m/s斜率比较大，之后的增长趋于平缓。从图5可以看出，风速固定不变时，融冰电流随环境温度升高而减小，基本呈线性关系。当环境温度为固定值时，融冰电流随着覆冰厚度增加而增大。
图4 覆冰厚度为10 mm时临界电流计算结果 图5风速为3m/s临界融冰电流的计算结果
3.2最大允许融冰电流
给覆冰导线通入一定电流，使其在在一定的外部环境和风速的条件下开始融冰，但是其导线内芯的最高温度不能高于70℃的条件下，所允许的最大电流值我们称之为最大融冰电流。国家规定地线最大融冰电流一般不超过100℃。
计算最大融冰电流的方法：导线在没有覆冰的条件下，在一定的外部温度和风速中，给导线通入电流，以3A为步进，当导线的钢芯内部的最高温度高于100℃，我们称之为最大融冰电流，最大融冰电流仿真结果如图6所示。本文参考的最高限定温度为100℃。最大融冰电流计算结果如表3所示。
环境温度
图6 最大融冰电流仿真温度分布云图
在不同的外部条件下，最大融冰电流和临界电流之间的可调范围不同。为了得到融冰电流的调节范围。本文选取覆冰厚度20mm，计算出不同环境温度和风速下，最大融冰电流和临界电流的比率。
从表4中可以看出，当覆冰厚度为20mm时，外部环境温度不变，随着风速的增大，最大电流与临界电流比率增大，最大可达2.582，可调节范围大。当风速固定不变，其比率随着外部环境温度降低而减小。最小为1.347，可调节范围小。
环境温度
表4最大电流和临界电流比率
4试验数值与计算结果对比分析
本文在低温气候实验室进行了融冰试验，模拟风速3m/s，环境温度-3℃;以及风速5m/s，环境温度-5℃等覆冰气象条件。对覆冰导线通入融冰电流，并逐渐增大，记录覆冰开始融化时的电流，即为临界融冰电流试验值。并与计算值进行对比如表5所示。
从表5中可以看出，计算值往往要大于试验值，并且有一定误差。这是由于本文中假定导线外部覆冰是均匀的、边界条件以及对流系数的设定采用经验值，而且忽略了辐射散热对融冰过程的影响。这些因素都造成仿真结果和实验数据之间的差距，但两者之间相差不大。能够比较好的验证临界融冰电流的可靠性。实际融冰过程中，如铜导线的电流大于上述表中值，即可实现融冰。
参 数
试验值
计算值
试验值
计算值
表5 GJ-70地线融冰导线临界电流对比表
5结论
对于地线的融冰电流的仿真分析设计到多个学科的综合知识运用，不仅包括电气，还需要一定的热学知识基础。本文通过对GJ-70地线进行建模和仿真。运用ANSYS有限元分析软件，在不同的覆冰厚度前提下，设置不同温度和风速条件，对架空地线融冰的临界电流和最大融冰电流进行分析和对比，可以得出以下结论。
（1） 临界和最大融冰电流随着环境温度的降低而呈单调增加趋势，电流与环境温度的变化基本呈线性关系。
（2） 当风速增大时，所需要的融冰电流也增大;当外部环境的温度降低时，所需要的融冰电流也会增大。临界和最大融冰电流与风速变化呈现出非线性关系。
（3）随着覆冰导线外部环境越恶劣，最大融冰电流和临界电流可调范围逐渐减小。
本文针对地线的融冰电流计算，通过ANSYS软件对其进行仿真分析是合理的，仿真和试验得出的结果相差不大，具有一定的参考价值和可信度。但本文的仿真结果及计算数据还需要更多的试验数据对比和改进。为了获得更准确的数据，还需要更进一步的改进数值计算方法。
参考文献
[1] 范松海，刘磐，等.输电线路直流融冰时间计算和试验验证[J].四川电力技术：2013，36（2）15-17
[2] 杨立军，周菊华.基于3D有限元模型的架空输电线路融冰电流计算[J]. 华中电力：2010，3：10-14
[3] 吴瑞华.输电线路直流融冰的临界电流和融冰时间分析[J].电力系统及其自动化学报：2010，22（5）：87-91
[4] 杜志叶，阮江军， 肖微 基于有限元法的架空输电线路融冰电流计算[J].电机电力工程：2008（79）：79-84
[5] 顾小松，王汉青，刘和云.覆冰导线融冰计算模型[J].中南大学学报：2010，41（5）：63-69
[6] 傅闯，饶宏，等.直流融冰装置的研究与应用[J].电力系统自动化：2009，33（11）：53-56
[7] 滕玲，OPGW光缆覆冰性能研究[J].电力系统通信：2010，31（2））：8-12
[8] 周鹏，李光辉. 架空地线的融冰方法及改进措施[J].湖南电力：2008，28（4）：54-59
