知乎日报:如果中国遇上美国得州的寒潮,会不会「悲剧」? \2021-02-23

2021年2月23日09:21:54
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题图:南网50Hz/知乎

想必在大家的记忆中,对「停电」的印象已经模糊,但最近一场寒流却让美国人陷入了严重的停电危机之中。

据新闻报道,美国得克萨斯州等地近日遭遇严寒风暴,全美有超过 550 万户家庭停电,至少 31 人丧生。其中得克萨斯州受到影响最大,截止 18 日,得州仍有超过 250 万人断电。

如果中国遇上得州寒潮,会不会「悲剧」?

答主:暗香疏影月黄昏(3300+ 赞同)

先给结论——不会。

高赞回答提到的无人机巡线、无人机喷火这些其实对于消除线路结冰是没有太大意义的。

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这才多大的热量?能融的冰可以说是杯水车薪,如果靠无人机去融冰,那一旦遇到类似德州级别的寒潮电力系统将很快崩溃。

大规模寒潮对电力系统的主要冲击是线路覆冰,在极端恶劣环境条件下,构架上的覆冰重量将严重超过设计荷载,造成输电线路倒杆(塔)、信号铁塔倒塌和风力发电机故障等严重故障。

线路覆冰有多可怕?

国网在湖南雪峰山上建立了自然覆冰试验站,该试验站在 2008 年单根 400mm 2 导线雨凇覆冰达到 68kg/m,2009 年 2 月达到 48kg/m,2010 年初达到 50kg/m

一般各省骨干的超高压输电线路多采用同塔双回四分裂导线,也就是说有 2X3X4 共计 24 根导线,线路长度在千米级别,按照 单根 50kg/m 的覆冰量计算,总的覆冰量将高达 50X1000X24kg,1200 吨!

一个坚强的电网必须有强力的消除线路覆冰的方法。

线路履冰不是中国一家的问题,因此国内外对输电线路防冰、除冰技术开展了大量研究,提出了 30 余种除冰方法,比如热力除冰、机械除冰、自然脱冰等方法。

然而在所有能应用于架空线路的除冰方法中,除采用大电流焦耳热融冰的方法外,其他除冰方法因工程实施上的难度或经济效益等原因无法应用于输电线路,因此大电流焦耳热融冰是最为快速和有效的方法。

一般输电线路多采用分裂导线,线路的分布电容较大,对于 500kV 线路来说,线路的直流电阻只有交流阻抗的 16% 左右,因此采用交流短路融冰时,融冰电源需要提供大量无功能量,而作用于电阻发热的有功能量相对较小。

因此要得到同样的融冰效果,采用直流融冰方式所需电源容量将小得多,系统的建设成本小,因此采用直流融冰是技术和成本上最优的融冰方案。

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直流融冰是一个粗看原理不难,仔细研究内容则非常繁多复杂。从知网上搜索直流融冰来看

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08 年以前相关论文很少,08 年之后文章数量快速增加,并且在 2012-2016 年形成一波高潮,自 2017 年开始文章数量相对减少。

说明我国对于直流融冰的研究已经比较完善,研究的高峰期已经过去,主要设备走向实用,现在主要研究一些应用中遇到的一些细节问题。

这说明我们已经掌握了直流融冰的关键技术,使我们可以说遇到德州那样的寒潮不会悲剧的技术底气所在。

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作为最「利益相关」的单位,「南方电网」也在知乎做出了回答:

答主:南网50Hz(1 万+ 赞同)

首先要明确的是,需要在寒潮中抗冰保电的,是「相对温暖」的南方,温度更低的北方反而不需要。

这和南方湿冷魔法攻击地理位置、地形环境和特殊的天气气候有关。

在持续低温阴雨天气下,空气中的过冷水滴(雨滴、雾滴)碰撞到近地面温度低于 0℃ 的物体表面而迅速冻结,冰逐渐形成覆盖物体表面的具有不透明或半透明分层结构的冰壳。这种现象,贵州当地形象地称为「凝冻」。

对于电网来说,凝冻会导致线路和设备覆冰。

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昆柳龙直流昆柳段 405 号塔监控图像(夏季)

同一基电塔,同一个视角,冬天凝冻的场景。

凝冻灾害主要发生在冬季我国南方山区特别是云贵高原,导致凝冻的气象条件包括:

1、冷 

气温维持在 0℃ 附近或低于 0℃

2、湿 

持续的冻雨、毛毛雨或浓雾,有时候还有雨夹雪

3、风 

适当的风速

凝冻不仅仅是一个地方现象,在西南地区以及云贵高原周边的四川、重庆、云南、湖南、广西等省的山区也常常出现,甚至在湖北、江西、安徽、浙江及福建等省的山区都时有出现。(北方的朋友们可以回忆一下,没见过铁塔电线啥的结冰吧?)

所以,这些南方区域的电网,都需要「抗冰保电」

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云南会泽。1 月 8 日,气温 -5.4℃,湿度 99.9%,南方电网超高压公司昆明局在此观冰融冰。(雷明辉)

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前面已说到,因为南方山区特殊的气候,会导致输电线路和设备出现覆冰现象。

输电线路覆冰会导致冰闪、短路、断线、甚至倒塔等问题进而引发电力系统故障。

所以,我们到冬天必须要启动抗冰保电,及时去除线路覆冰,保障电网安全运行和电力稳定供应。

大家还记得 1 月初的 boss 级寒潮吧,在这场寒潮中,南方电网累计 10 千伏及以上线路覆冰数千条次,每天出动超过 6000 人次开展防冰应急工作。

那「抗冰保电」怎么干呢?

天要凝冻,线要覆冰,这是现阶段人力尚且不能扭转的自然现象。好在,技术一直在进步,年年都干的「抗冰保电」工作,已经实现了从人工到高科技的跨越式飞跃,这份工作,电网人越来越得心应手。

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可精淮测量线路覆冰厚度的观冰无人机(陈海 摄)

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提前安排的覆冰监测装置和线路融冰装置

自 2008 年冰灾以来,南方电网公司通过大力实施线路抗冰加固工程、使用直流融冰技术、建设覆冰监测预警系统等措施,大幅提高电网防冰抗冰能力。

以前,观冰主要靠人眼;

今天,无人机、在线监测装置等运筹帷幄;

以前,融冰全靠人力敲打;

今天,普及「直流融冰」决胜千里之外。

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直流融冰瞬间画面

调皮的同学请回忆一下,在做点亮小灯泡实验时,有没有不听老师告诫,直接把导线接在电池正负极上的?当时导线是不是迅速发热甚至烫手了?

是的,直流融冰的原理跟这个一样简单。就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,使导线发热对输电线路进行融冰。

原理简单,但考虑到电网的实际情况,输电线路非常长,大电网运行非常复杂……所以,「直流融冰」的实际操作,可不是把线路两端接在超大号电池上的那么简单。其背后是大量的科研、开发、应用,可谓科技含量十足。

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前面高赞答案中提到喷火无人机,其实我们还有很多酷炫的装备必须要和大家分享一下

激光大炮

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同是清障小能手的「激光大炮」,也是「融冰神器」。8 分钟内成功切除了 12 厘米厚的冰层。(ps:图中的激光清障仪现在已经有第五代了,个头更小威力更强)

激光雷达

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图中是南方电网广东电网机巡作业中心的员工马斯维,背着激光雷达进行线路扫描观测。仅用 10 分钟就完成了 3 档 561 米的覆冰导地线、铁塔和地形地貌采集。

通过背包式激光雷达设备发射出的密集激光点进行空间精准位置测量,就可输出整段线路厘米级的精细模型,也就是数字化的输电线路,对灾害预测具有很好的指导意义。

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背包式激光雷达扫描效果图。PS:该技术也是 2018 年初就应用了。

最后总结一下中心思想:

我国南方山区特别是云贵高原的电力系统,经常受寒潮影响。为了不让覆冰导致停电,南方电网公司投入大量的人力物力抗冰保电,给千家万户送去了温暖和光明。

「罗马不是一天建成的」,电网「主动脉」强劲、「毛细血管」畅通,亦非一日之功。在年复一年的低温雨雪冰冻灾害天气中,电网一直在进步,变得越来越强。

万家灯火,一盏灯都不能落下。

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