输电线路地线融冰接线装置的应用及发展现状

徐望圣，曹伟伟，陆桂来

（1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司贵阳局，贵州 贵阳 550081；2.南京电力金具设计研究院有限公司，江苏 南京 211500）

1 引言

我国电力资源总量较为丰富，但是分布极为不均。陆地上可利用的风电资源大多在三北地区，即东北、华北和西北［1］；水电资源主要在西南地区，占国内可开发利用的水资源总量的70%左右［2］，煤炭资源西多东少、南多北［3］。而我国的经济发达地区大多在东部，随着经济的进一步发展，东部地区对能源的需求将逐步增加。但是，由于多年来中东部地区大量燃烧煤炭，致使雾霾、酸雨频发，其所在的环境已不大适合继续发展火电厂。

未来我国能源生产和能源消费的逆向分布现象会进一步明显［4］，即在电力资源丰富的地区建设发电厂，通过超、特高压输电网络把电力输送到负荷中心，实现资源优化配置，推动区域协调发展。其中，超、特高压输电网络的稳定可靠是保证大容量、远距离输电的基本条件。而我国历来自然灾害频发，尤其是西南地区的冰灾严重影响着输电线路的运行，据相关资料记载，仅2008年，因冰灾造成全国范围内电网停运线路计39033条，变电站停运2000多座，各电压等级输电线路因灾倒塔8000多基，造成经济损失以千亿计［5-7］。

多年来，国内外电力部门和科研院所针对输电线路的覆冰问题进行了大量的研究，提出了多种融冰、除冰和抗冰的方法。文献[8]详细介绍了热力除冰法和电脉冲除冰法，指出短路融冰是行之有效的除冰方法，电脉冲除冰目前来说实用性不强；文献［9］分析了国内除冰机器人设计的概况，并详细描述了除冰机器人机械本体结构的研制过程，该除冰机器人使用前端固定的三角刀具进行撞击除冰，可实现除冰厚度20mm；文献［10］从理论上阐述了超声波除冰装置的开发依据，通过仿真计算验证了超声波在输电线路除冰应用中的可行性，并最终完成了设计；文献［11］描述了具有无功补偿功能的大容量直流融冰装置的研制和应用情况；文献［12-13］介绍了移动直流融冰装置的研制和在南方电网的现场测试和使用过程。上述融除冰方式由于技术或经济等方面的原因，并非都适合于在输电线路实际运行中使用，目前成功应用并且大范围推广的仅有热力除冰法，特别是直流融冰法。该方法先将两相或者三相导线短接，再将短接过的导线作为负载，由变电站施加直流电，利用大电流在导线上产生的热效应将导线上的冰雪融除。

理论上，地线完全可以参照导线的方式通直流电进行融冰，文献［14］以工程应用为背景，对输电线路地线的融冰时间和融冰电流进行了模拟计算，可为地线融冰的设计提供有效参考。但是与导线不同的是，导线之间的短接可利用已有的高压隔离开关设备实现，地线和导线的短接却缺少专用的短接设备。为解决这一问题，国内电力部门进行了大量的研究，并且有了实质性的进展。

2 地线融冰手动接线装置

2.1 地线融冰的接线方式

与导线直流融冰的方式类似，地线融冰是将地线作为负载，再将三相导线的其中两相与其构成回路，由站内的直流融冰装置施加电流，使地线发热融除冰雪。常见的接线方案根据该线路所使用的地线类型有所不同，主要有双普通地线接线方式和单根普通地线与单根OPGW的接线方式。

双普通地线的接线方式，由地线分段并联再连接两相导线形成回路，如图1所示。普通地线和OPGW的接线方式，因普通地线与OPGW的电阻不匹配，不适于并联后一起通电融冰，所以将普通地线和OPGW分别与导线连接构成回路，依次进行融冰，如图2所示。

图1 双普通地线接线方式Fig.1 Double Common Ground Wire Connection Mode

图2 普通地线与OPGW接线方式Fig.2 Connection Mode Between Common Ground Wire and OPGW

以上接线方式的关键在于地线和导线构成回路，最早是通过人工手动方式实现。

2.2 手动接线装置的结构及使用情况

地线融冰手动接线装置主要包含融冰操作杆、电缆和取电器等，如图3所示。取电器安装在跳线上，将分裂导线的电流汇集，融冰操作杆在地线覆冰时由工作人员在铁塔的横担操作，使操作杆顶部的夹头夹持住取电器的引流铜棒，从而将导线的电流通过操作杆末端的电缆引至地线。

图3 地线融冰手动接线装置的结构示意图Fig.3 Structure of Manual Wiring Device for Ground Wire Melting Ice

该接线装置研制成功后，由南方电网公司进行了安装试运行，如图4所示。通过实际应用验证，使用该装置可有效实现地线和导线的对接，单次地线分段融冰约耗时16h。

图4 手动接线装置操作实图Fig.4 Practical Operation of Manual Wiring Device

同时，装置的试运行也暴露了几个缺陷：一，作业人员在冰期登塔存在较大的坠落风险；二，接线难度大且耗费时间长，根据实测，平均每次接线工作至少在3h以上，主要原因在于高电压等级的导线和地线距离较大，夹头和引流铜棒很难完成对接；三，耐张转角塔因为转角角度问题，几乎不可能在内角侧完成人工接线；四，装置的防护效果差，过流的铜棒直接外露，易被覆冰。

为解决以上问题，南方电网公司联合南京电力金具设计研究院有限公司，共同研制地线融冰自动接线装置。

3 地线融冰自动接线装置

3.1 自动接线装置的结构组成和运行过程

地线融冰自动接线装置类似于旋转式的刀闸类开关，通过执行合闸和分闸动作来完成导线和地线的接通和断开。其主要结构包括传动机构、开合导电器、保护设施、跳线串取电器、控制箱和电源等，如图5所示。其中，传动机构、开合导电器、跳线串取电器和保护设施安装于铁塔上，开合导电器通过软铜连接线与地线相连，跳线串取电器通过取电器与导线相连。在未融冰时，开合导电器处于水平位置，被保护设施内的保护锁悬挂，防止坠落。当需要融冰时，操作人员携带控制箱和电源至铁塔下，先通过沿塔而下的控制线和电源线与塔上的部件对接，依次完成保护锁开锁、开合导电器合闸动作，使地线与导线处于接通状态，变电站开始通电融冰。融冰结束后再依次完成开合导电器分闸、保护锁闭锁动作，使装置恢复未融冰时的状态，之后断开控制箱和电源，并将其带回变电站妥善保管。

图5 地线融冰自动接线装置布置图Fig.5 Layout of Automatic Wiring Device for Ground Wire Melting Ice

3.2 自动接线装置的主要部件

3.2.1 跳线串取电器

跳线串取电器包括绝缘子串和取电器。绝缘子串用于保证铁塔接地端到取电器高压端的绝缘距离，设计中根据对应的电压等级选取不同规格的硅橡胶绝缘子。取电器用来获取导线上的电流，其结构，如图6所示。

图6 取电器结构图Fig.6 Structure of Taking Current Equipment

取电器通过夹头与分裂导线连接，在线夹本体上安装有弹性触指，合闸时触指与开合导电器的触头紧密接触。Y型导向板可有效避免因导线的不平衡张力、风偏等因素，造成的不能有效合闸的问题。防护罩用来避免触头上直接覆冰，开口处的活动门在开合导电器碰触下打开，在开合导电器远离后恢复。悬吊板用于连接跳线串，取电器的受力平衡和方向保持通过重锤片和配重片实现。

3.2.2 开合导电器

图7 开合导电器结构图Fig.7 Structure of Open and Close Conductor

导电杆采用高强度铝合金管焊接而成。触头为铜质管，与导电杆通过铜铝焊接固定。导电连接组件用于连接传动机构，其上还安装了连接铁塔地线的软铜连接线。为防止开合导电器坠落，在其接近触头的位置安装有可悬挂的门型防坠卡环。

3.2.3 传动机构

传动机构的结构，如图8所示。主要有直流电机、减速器、扭矩限制器、传动轴、支撑绝缘子等部件组成。

图8 传动机构结构图Fig.8 Structure of Transmission Mechanism

直流电机提供动能，通过行星齿轮减速器和蜗轮蜗杆减速器构成的二级减速传送到开合导电器，总减速比达到1：120。蜗轮蜗杆减速器的自锁功能可保持开合导电器在动作停止后始终处于当前的状态。直流电机的停转通过扭矩限制器和限位开关实现，当达到预设的扭矩值后，扭矩限制器进行分离，触发限位开关传出到位信号，切断电机电源，电机停止转动。为防止融冰时传动机构高压端对低压端放电，联塔的低压端和连接开合导电器的高压端之间安装支撑绝缘子，两侧运动的传输也是通过绝缘传动轴实现。

3.2.4 保护设施

保护设施主要由外壳保护罩和保护锁组成，外壳保护罩可以有效防止开合导电器的触头在冬季被冰雪包敷，保护锁的主要元件有推杆电机、限位开关和接触杆等，如图9所示。地线融冰自动接线装置分闸到位时，开合导电器的门型防坠卡环顶住接触杆使其另一端触碰到限位开关，限位开关发出分闸到位信号使传动机构的电机停转，然后控制推杆电机推出推杆，穿过防坠卡环，悬挂住开合导电器。合闸时动作相反，先缩回推杆，再使开合导电器离开接触杆，限位开关状态变化，传出正在合闸信号。

图9 保护锁结构图Fig.9 Structure of Protective Lock

3.3 推广应用情况

2013年，地线融冰自动接线装置研制成功，同年共有8套装置安装于500kV施贤线贵州、广西段线路进行试运行，2013年底到2014年2月，所安装的8套装置均多次完成导地线的连接，顺利将导线上的电流引至地线，化解了地线覆冰给电网造成的危害。装置实现了接线全程自动化，无需运维人员上塔操作，单次地线融冰接线增加的停运时间缩短近8h，减少高空人员作业5人/次［15］，融冰效率提高50%。

截止目前，地线融冰自动接线装置在各电压等级的交直流超高压、特高压线路共安装使用了约300套，在每年的电网抗冰融冰工作中起着至关重要的作用。

1.2.2 术前准备 常规妇科术前准备。术前2～3 d阴道擦洗，术前12 h阴道后穹隆放置米索前列醇片400μg软化宫颈。手术选择在月经干净后3～7 d内进行。

4 地线融冰自动接线装置远程控制系统

4.1 研究背景

自动接线装置虽然解决了以往需人工登塔接线的问题，但是其仍需有人在铁塔下进行控制操作，由于每个融冰分段都要在首尾两侧安装接线装置，一条地线往往又有多个融冰分段，致使装置具有极广阔的分散性，每年冬季的地线融冰工作都需派遣多组人员至各个安装点，占用了大量的人力和物力。而且大多数铁塔位于偏远处，恶劣的路况和极端天气带来的危险性极大。此外，融冰操作需要反复办理工作票，还要与电站进行执行情况汇报，既耗费时间，又容易出错。

电力行业已经利用物联网技术实现了对部分设备特别是线路检修机器人［16-17］的远程控制，同时也实现了对输电线路通道环境、导线舞动［18］、覆冰状态［19］、杆塔倾斜［20］、人为破坏和异物入侵等非电参量的在线监测。在实际应用中获得技术储备的同时，各类输电线路在线监测系统及其配套装置的国家标准和行业标准也相继出台，为电力物联网的标准化和规范化铺平了道路。

基于以上背景，南方电网公司2018年发布了《防冰抗冰三年行动方案》，将研究和推广应用防冰抗冰智能技术推上了日程。行动方案特别提出，对于地线融冰自动接线装置，要实现远程控制和操作，以进一步提高地线融冰工作的效率和安全性。截止目前，已开发应用了一套功能较为齐全的远程控制系统。

4.2 远程控制系统的整体结构和功能实现

地线融冰自动接线装置远程控制系统的硬件设备主要分布在铁塔侧和变电站侧。铁塔侧布置有融冰远控机柜、视频摄像头、气象传感器、终端加密网关和光伏储能电源装置等设备，变电站侧布置有企业级路由器、服务器、服务器加密装置和控制主机等设备。控制软件安装于服务器内。

系统的网络拓扑，如图10所示。

图10 远程控制系统的网络拓扑图Fig.10 Network Topology of Remote Control System

铁塔侧的终端加密网关内置4G 模块，安装有专用的定向APN物联网卡，指向变电站的静态IP地址，在加密网关和服务器之间形成了封闭的GRE隧道，并且两侧互传的指令和数据都会由配对的加密网关和纵向加密装置按照电力专用国密SM2算法进行加解密，保证了传输通道和数据的双重安全。

得到融冰执行命令后，电站的操作人员在控制主机上发送合闸或分闸动作指令，通过加密隧道传达至远方的融冰远控机柜，融冰远控机柜使地线融冰自动接线装置进行分合闸动作，并将动作过程状态数据和分合闸到位信号即时上报给终端加密网关，并由加密网关上传至变电站服务器。服务器将得到的数据再反馈给控制主机，使工作人员能及时了解下发指令的执行结果。若执行过程中有意外出现，如分合闸不到位、设备故障等，会形成相应的报警信号，由融冰远控机柜传送至控制主机，向操作人员报警。

系统还具备气象数据在线监测、视频监测功能和储能电池状态监测功能，为系统运行提供各方面的参考。

4.3 地线融冰远程控制机柜

远程控制机柜是远控系统的核心控制设备，其内部结构，如图11所示。

图11 地线融冰远程控制机柜结构图Fig.11 Structure of Remote Control Cabinet for Ground Wire Melting Ice

机柜最底层为磷酸铁锂电池，可在现场光照不足的情况下为布置在铁塔下的所有硬件提供连续30天工作的电能；第二层是转接机箱，为各种硬件提供电源接口和接线端口，机箱内还包含光伏控制器和避雷器等组件，保障电源系统的高效管理和安全运行；第三层是控制机箱，内有主控制模块、终端加密网关和交换机，可对铁塔侧所有硬件设备进行控制，以及完成与变电站之间的通信传输和数据加密；第四层为备用层，用来放置备用手动控制箱和常用检修工具；最上层为活化电阻，用于配合主控制模块对电池自动活化，有效防止电池过充。机柜侧壁的散热风扇可在电池活化时自动运行，降低机柜内部温度。

4.4 远程控制系统的应用情况

2020年10月底，两套远程控制系统的控制设备在500kV施黎甲线进行了安装，如图12所示。并在某500kV变电站内启动了控制平台的试运行。

图12 现场安装试运行的远程控制机柜Fig.12 Remote Control Cabinet Installed on Site for Trial Operation

截止目前，系统软硬件运行正常，变电站远程控制动作完成率达100%。对比地线融冰自动接线装置的远程控制和原有的塔下就地控制，完成单次地线融冰接线增加的停运时间在原有的基础上又缩短了4h，融冰效率进一步提升了50%。

5 未来发展趋势展望

地线融冰接线装置，从第一代人工手动接线装置到第二代自动化接线装置，再到第三代与物联网融合实现远程操作的智能化融冰产品，其功能越来越完善，使用越来越便捷，在保障输电线路安全运行的工作中起到的作用越来越大。

展望地线融冰接线装置的未来发展，还可在如下几个方面进行研究。

一是研究APN／OPGW混合通信方式在远控系统中的应用方法。通过采用无线传输和光纤有线传输互为备用的通讯方式提高地线融冰自动接线装置远程控制的稳定性。

二是研究更多的智能手段应用于装置的结构改进和运维中。如使用AI（人工智能）技术提高装置的分合闸状态反馈的准确率和时效性；使用AR（增强现实）技术提高装置检修工作的效率等。

三是研究开发地线融冰一键顺控系统。最终将线路上的各类融冰开关和变电站内的融冰专用设备统一控制，进一步提高地线融冰的智能化水平、全面提升操作效率、降低操作风险。

6 结论

这里分析了地线融冰接线装置三代产品的结构特点，介绍了三代产品的试运行和应用情况。手动接线装置初步实现了地线融冰前导地线的对接准备工作，地线融冰自动接线装置使用电气化的手段解决人工上塔问题，使每次的地线融冰工作减少了线路停电时间约8h。远程控制系统通过物联网技术使地线融冰工作现场无人值守，可对线路上所有的地线融冰自动接线装置集中管理。从手段接线装置到远程控制自动接线装置，使原先需要16h的融冰工作减少到4h，融冰效率大幅度提高。

地线融冰自动接线装置及其远程控制系统可有效解决冰期的地线融冰接线工作，而且也符合国家大力发展智能电网的发展方向，具有极高的推广应用价值。