輸電線路覆冰特征及其防治對策

李熙旸，劉 春，2，汪 煜，王 宗，吳小斌

（1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌443002；2.甘肅省電力公司調(diào)度控制中心，甘肅 蘭州730030；3.國網(wǎng)孝感供電公司，湖北 孝感432000）

0 引 言

在許多地區(qū)因雨凇、霧凇覆冰而使輸電線路的荷重增加，嚴重覆冰會導(dǎo)致輸電線路機械和電氣性能急劇下降，從而導(dǎo)致覆冰事故的發(fā)生［1－3］。輸電線路覆冰是一種嚴重的自然災(zāi)害，可引發(fā)輸電線路導(dǎo)線舞動、絕緣子串閃絡(luò)等事故，嚴重危害電力系統(tǒng)的安全運行。美國、日本、英國、德國等多國都曾因輸電線路覆冰而引發(fā)安全事故，造成了巨大的經(jīng)濟損失。

我國是高壓輸電線路覆冰較嚴重的國家之一。高壓輸電線路具有檔距較大、鐵塔較高等特點，線路覆冰對其影響比較嚴重，同時，輸電線路的電壓等級較高，載流量較大，線路破壞造成的經(jīng)濟損失巨大。為此，本文研究了輸電線路的覆冰特性及防治措施。

1 輸電線路覆冰的種類與性質(zhì)

按照覆冰形成的物理過程和氣象條件，可將輸電線路覆冰分為三類［4］：第一類是由降水產(chǎn)生的覆冰雪，即降水覆冰，包括由凍雨而形成的雨凇和覆雪；第二類是處在過冷卻狀態(tài)下的液體云?；蛩闻龅降孛嫖矬w上，經(jīng)過凍結(jié)后而產(chǎn)生的覆冰，此類覆冰稱為云中覆冰；第三類是大氣中的水蒸汽直接凍結(jié)或經(jīng)過凝華而在地面物體上形成的一種霜，是經(jīng)過凝華而產(chǎn)生的，稱為凝華覆冰，也稱這種覆冰為晶狀霧凇。在三類覆冰中，云中覆冰發(fā)生的概率最大，引起的輸電線路事故也最多。

根據(jù)水滴半徑、空氣中液態(tài)水含量、空氣溫度、風(fēng)速四個參量，輸電線路絕緣子覆冰分為干增長和濕增長過程，這主要取決于冰面的溫度。在干增長過程中，冰面和環(huán)境溫度低于0℃，而在濕增長過程中，冰面及環(huán)境溫度等于0℃［5］。研究表明［6－7］對于不同類型的覆冰，霧凇和干雪是干增長過程，雨凇和濕雪則是濕增長過程，而混合凇濕是介于干、濕增長之間的一種覆冰過程。

2 影響輸電線路覆冰的因素

輸電線路覆冰的區(qū)別主要體現(xiàn)在覆冰種類、厚度及密度等差別上。影響絕緣子覆冰的因素很多，其中氣象條件、海拔高度、凝結(jié)高度、地形及地理條件、絕緣子種類及外形、懸掛高度、水滴直徑、風(fēng)速風(fēng)向、電場強度及泄漏電流等是常見的主要因素。

2.1 氣象因素

在冬季，當溫度低于0℃時就會產(chǎn)生覆冰現(xiàn)象，大氣中小水滴發(fā)生過冷卻，在高空甚至在夏季小水滴也會發(fā)生過冷卻［8］。若處于過冷卻水滴包圍的輸電線路絕緣子與氣流中過冷卻水滴發(fā)生碰撞，并凍結(jié)在絕緣子表面就形成了覆冰。有研究表明：導(dǎo)線表面發(fā)生覆冰現(xiàn)象必須有三個條件，即（1）大氣中要有足夠多的過冷卻水滴；（2）導(dǎo)線能夠捕獲過冷卻水滴；（3）過冷卻水滴必須立即凍結(jié)或者在離開導(dǎo)線表面之前凍結(jié)。三個條件中條件（1）是必要條件，是氣象學(xué)問題；條件（2）是流體力學(xué)的過程，故由流體力學(xué)定律來決定；條件（3）涉及到熱力學(xué)問題，由覆冰表面的熱平衡方程確定。

2.2 海拔高度的影響

每一個地區(qū)都有一個起始結(jié)冰的海拔高程，即凝結(jié)高度。對于一個條件相同的地區(qū)來說，一般海拔高程愈高愈易覆冰，且多為霧?。辉诤０胃叱梯^低處，其冰厚雖較薄，但多為雨凇或混合凍結(jié)。我國覆冰凝結(jié)高度的分布特點是西高東低，北高南低。在凝結(jié)高度以上，隨著高程的增加，覆冰厚度一般也會隨之增加。

2.3 地形及地理條件的影響

導(dǎo)線覆冰的輕重還取決于山脈走向、坡向與分水嶺、臺地、風(fēng)口、江湖水體等因素［9］。在山區(qū)導(dǎo)線覆冰受地形及地理的影響更為嚴重。據(jù)研究表明：東西走向山脈的迎風(fēng)坡在冬季覆冰較背風(fēng)坡嚴重［10］，分水嶺、風(fēng)口處線路的覆冰較其他地形嚴重。

2.4 季節(jié)的影響

覆冰主要發(fā)生在前一年的11月至次年3月之間，尤其是在入冬和倒春寒時，發(fā)生覆冰的機率最高。1月和12月幾乎是所有重覆冰地區(qū)平均氣溫最低的月份，由于濕度相對較小，覆冰相對于其他月份較輕。而在11月份、2月底和3月初，雖然平均溫度相對1月和12月較高，但濕度較高，覆冰較1月份要嚴重。

2.5 懸掛高度的影響

通常絕緣子懸掛愈高，空氣中液態(tài)水含量愈高，周圍風(fēng)速也愈快，單位時間內(nèi)向絕緣子輸送的水滴愈多，覆冰也愈嚴重［11］。因此覆冰隨絕緣子懸掛高度的升高而增加。

2.6 電場的影響

有些學(xué)者［12］認為：電場對移向?qū)Ь€的水滴會產(chǎn)生極化和吸引力。雖然水滴內(nèi)的感應(yīng)電荷隨交流電壓而變化，但其作用力永遠是一個指向?qū)Ь€的吸引力。由于電場對霧滴和毛毛雨所產(chǎn)生的吸引力能導(dǎo)致空氣層有效厚度增加，因此增加了導(dǎo)線上冰荷重?，F(xiàn)場觀測與人工氣候室內(nèi)的試驗研究［12］表明，電場對輸電導(dǎo)線覆冰的影響和電場強度有關(guān)。隨著我國特高壓交直流輸電線路的投建，電場對導(dǎo)線覆冰的影響不容忽視，與之相關(guān)的研究還有待進一步開展。

3 輸電線路覆冰事故成因分析

通過對覆冰事故的長期觀測和分析，我國輸電線路覆冰事故的原因可歸納為以下幾方面［13］：（1）輸電線路設(shè)計路徑選擇不合理，同時缺乏抗冰害的經(jīng)驗，導(dǎo)致冰害事故頻繁發(fā)生；（2）某些輸電線路的設(shè)計抗冰厚度低于實際覆冰值；（3）對于某些重冰區(qū)域的輸電線路，雖然有一定的抗冰能力，但遇到極端惡劣天氣時，輸電線路機械及電氣性能下降，導(dǎo)致發(fā)生嚴重的冰害事故。

嚴重覆冰導(dǎo)致輸電線路機械性能和電氣性能急劇下降，是造成重大覆冰事故的直接原因。該原因主要體現(xiàn)在［14］：（1）嚴重覆冰引起線路過荷載。（2）不均勻覆冰或不同期脫冰引起張力差，導(dǎo)致線股斷口有縮頸和導(dǎo)線跳躍。（3）絕緣子串覆冰閃絡(luò)引起絕緣子的絕緣強度降低。（4）不對稱覆冰引起輸電導(dǎo)線舞動。

4 絕緣子閃絡(luò)

4.1 絕緣子閃絡(luò)的定義

絕緣子覆冰閃絡(luò)是指在外加電壓作用下，沿覆冰絕緣子和大氣交界面發(fā)生的復(fù)雜放電現(xiàn)象，在閃絡(luò)通道還可發(fā)生足夠強的電離以產(chǎn)生電弧。影響絕緣子覆冰閃絡(luò)特性的因素很多，包括覆冰過程、覆冰類型、電壓類型等。

4.2 絕緣子閃絡(luò)的防治方法

目前，采用比較多的防止輸電線路絕緣子發(fā)生覆冰閃絡(luò)事故主要有以下幾種措施。

（1）輸電線路采用倒“V”形絕緣子串。由于該類型絕緣子串自潔性能較好，積塵量少，在產(chǎn)生局部電弧時，電離氣體更易擴散。

（2）在絕緣子串上方加裝大盤徑的玻璃鋼傘裙罩（草帽型），選擇直徑在400～700 mm為宜。其不僅具有良好的防冰閃效果，還可大幅降低直線桿塔鳥害跳閘率。它的弊端是直徑增大，增加線路檢修工作量，且無法隔離絕緣子串本身的冰凌。

（3）對于直線單聯(lián)瓷絕緣子，在其上、中、下加裝3個大帽絕緣子，用來隔斷絕緣子的冰柱；對于硅橡膠絕緣子，則可采用上、中、下各有一片特大傘裙的合成絕緣子，這樣也可阻斷冰柱、污流，從而達到防止絕緣子覆冰閃絡(luò)的目的。

（4）在普通的復(fù)合絕緣子上方粘貼或熱塑一個大盤徑硅膠傘裙罩，直徑一般為400～600 mm。

（5）考慮到絕緣子串兩側(cè)的平衡，人為地將順路方向的絕緣子串偏斜角加大，這樣可以提高覆冰絕緣子的冰閃電壓。但該方法僅適用于單串絕緣子。

（6）重冰區(qū)線路可以考慮瓷絕緣子間插式的布置，玻璃絕緣子間插式的布置，以及瓷和玻璃絕緣子組合間插式的布置來改善絕緣子串的防冰閃絡(luò)特性。

5 輸電線路覆冰舞動

5.1 覆冰舞動的定義

研究結(jié)果表明，線路舞動是由于導(dǎo)線發(fā)生偏心覆冰后，在風(fēng)的激勵作用下產(chǎn)生的一種低頻（約0.1～3 Hz）、大振幅（大于10 m）的自激振動現(xiàn)象。舞動的形成主要取決于3方面的因素，即覆冰、風(fēng)的激勵（風(fēng)速及風(fēng)向）和線路結(jié)構(gòu)參數(shù)。

5.2 舞動的防治方法

根據(jù)不同線路的防舞方法，可以將線路防舞措施歸納為“避、抗、抑”3種。通常情況下優(yōu)先采用避舞、抗舞措施，在無法實施或效果不佳時可以采用抑舞措施。

5.2.1 避舞措施

舞動易發(fā)生在導(dǎo)線易覆冰、風(fēng)大且平穩(wěn)的氣象環(huán)境下，在選擇線路路徑時，應(yīng)考慮盡可能避開冬季多風(fēng)、雨凇、濕雪頻繁以及寬闊江河、峽谷、迎風(fēng)山坡和山脊等易舞動地區(qū)。避舞措施通過調(diào)查地形、地貌和氣象條件，以選擇適當?shù)木€路路徑、走向，盡量使之平行于冬季主導(dǎo)風(fēng)向來避舞防舞。

5.2.2 抗舞措施

抗舞措施是在不破壞舞動條件前提下，通過提高線路的電氣和機械強度來抵抗導(dǎo)線舞動，使線路上的設(shè)備能夠在導(dǎo)線舞動時不被破壞并保持安全運行。

5.2.3 抑舞措施

抑舞措施是在舞動嚴重的輸電線路上加裝防舞動的裝置，從而破壞舞動形成的條件，限制舞動的幅度，消除舞動可能造成的危害，保證整個線路安全運行。從原理上講，抑舞措施可以分為：

（1）改變系統(tǒng)的空氣動力特性。基于流體力學(xué)原理，通過改變導(dǎo)線的外形和空氣動力特性，進而破壞舞動形成的條件。像纏繞繞流線法，即用某種特制繞流線纏繞導(dǎo)線，擾亂沿檔氣流，使導(dǎo)線覆冰時不易形成規(guī)則的翼形斷面，以破壞Den Hartog（鄧哈托）舞動的起舞條件。而安裝空氣動力阻尼器法則是在檔內(nèi)不同位置安裝空氣動力阻尼器，使導(dǎo)線受風(fēng)作用時的阻力垂直分量大于升力垂直分量，進而抑制舞動發(fā)生。

（2）改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性?；诮Y(jié)構(gòu)力學(xué)原理，可通過改變舞動系統(tǒng)的固有扭轉(zhuǎn)振動或橫向振動頻率、質(zhì)量分布和元件連接方式等動力學(xué)特性達到抑制舞動的目的。通常有以下做法：①安裝扭轉(zhuǎn)阻尼器、失諧擺、抑扭環(huán)等。②安裝壓重防舞裝置。這類裝置包括檔內(nèi)集中安裝防振錘、在間隔棒上加掛重錘等。③安裝線間間隔棒。

6 輸電線路覆冰事故防止措施及方法

在對輸電線路覆冰長期觀測和研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外的現(xiàn)狀和經(jīng)驗，防止輸電線路冰害事故可從以下幾方面入手：

（1）觀測該地區(qū)的冰雪狀況，掌握輸電線路覆冰的規(guī)律。對各氣象區(qū)域的氣象狀況進行長期監(jiān)測，掌握輸電線路覆冰規(guī)律，同時對歷年來發(fā)生的覆冰事故進行詳細記錄，為輸電線路的抗冰設(shè)計和防冰除冰措施選擇提供參考。

（2）在輸電線路設(shè)計時，應(yīng)考慮微地形、微氣候的影響，合理選擇線路走向，進而設(shè)計合理的抗冰厚度。并對線路沿線的薄弱環(huán)節(jié)加以重視，安裝行之有效的監(jiān)測裝置和防冰抗冰設(shè)備，確保線路安全運行。對于經(jīng)常發(fā)生冰害事故的線路，可以對部分重冰區(qū)線路進行改道，或進行局部改造，提高其抗冰能力；對于大面積的覆冰地區(qū)，宜采用除冰、融冰措施來防止冰害事故。

（3）對輸電線路覆冰的特點、機理進行深入觀測和研究，繪制各地區(qū)輸電線路覆冰雪分布圖，開發(fā)有效的覆冰監(jiān)測裝置、防冰除冰措施和防覆冰舞動措施，制定積極有效的處理冰害事故的應(yīng)急對策，盡量減少和防止冰害事故帶來的災(zāi)害。

目前，大約有30多種處于各種實驗、研究及推廣階段的除冰方法和技術(shù)，大致可分為以下3大類：

①熱力除冰法。熱力除冰就是利用附加熱源或?qū)Ь€自身發(fā)熱，使冰雪在導(dǎo)線上無法積覆或者融化。利用焦耳熱效應(yīng)來加熱導(dǎo)線，如帶負荷融冰方法和短路電流融冰法。此外還可以通過電阻絲伴隨加熱及鐵磁線圈因交流電感應(yīng)出的邊際電流間接加熱。

②機械除冰法。機械除冰就是利用機械手工或者自動強制使導(dǎo)線上的覆冰脫落，主要有強力振動法和滑輪鏟刮法。

③自然脫冰法。自然脫冰就是在導(dǎo)線上安裝阻雪環(huán)、平衡錘等裝置可使導(dǎo)線上的覆冰堆積到一定程度時，在風(fēng)或其他自然力的作用下，使冰雪自行脫落。該方法簡單易行，但可能會引起導(dǎo)線跳躍而發(fā)生線路事故。

7 結(jié)束語

本文總結(jié)分析了輸電線路覆冰種類，影響因素，詳細說明了由覆冰引起的絕緣子閃絡(luò)和線路舞動兩種線路危害，并列舉了相應(yīng)的防治方法和措施，最后指出了線路覆冰的防御措施和除冰方法。該分析有利于輸電線路設(shè)計防冰，提高了輸電線路抵御自然災(zāi)害的能力。

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