電線電纜抗風(fēng)雪防冰凍的設(shè)計(jì)探討

馬俊香

【摘 要】2008年初，我國南方和西北方遭遇50年來罕見的災(zāi)害天氣，持續(xù)的低溫雨雪、冰凍給貴州、湖南等16個(gè)省市的生產(chǎn)和生活帶來了嚴(yán)重影響。由于受風(fēng)雪冰凍導(dǎo)線或電纜表面大量覆冰，多地線路出現(xiàn)斷線，部分線路甚至出現(xiàn)倒塔等事故。文章通過對(duì)08年我國歷史罕見的低溫雨雪、冰凍災(zāi)害分析，提出抗風(fēng)雪防冰凍電線電纜的設(shè)計(jì)分類、并探討列舉常見抗風(fēng)雪防冰凍電線電纜結(jié)構(gòu)、原理，及有關(guān)試驗(yàn)方法。

【關(guān)鍵詞】抗風(fēng)雪防冰凍 要求 設(shè)計(jì) 試驗(yàn)

1前言

2008年初，我國南方和西北方遭遇50年來罕見的災(zāi)害天氣，持續(xù)的低溫雨雪、冰凍給貴州、湖南等16個(gè)省市的生產(chǎn)和生活帶來了嚴(yán)重影響。由于受風(fēng)雪冰凍導(dǎo)線或電纜表面大量覆冰，多地線路出現(xiàn)斷線，部分線路甚至出現(xiàn)倒塔等事故，造成500kV電網(wǎng)基本停運(yùn)、220kV電網(wǎng)無法聯(lián)網(wǎng)、部分地區(qū)全部停電，局部地區(qū)交通、電力陷入癱瘓。？罕見的冰雪災(zāi)害給電網(wǎng)安全和電力供應(yīng)帶來了嚴(yán)峻考驗(yàn)，引起了全社會(huì)對(duì)電力線路的關(guān)注和重視，也相應(yīng)要求提高電網(wǎng)抵御特大冰雪災(zāi)害能力和電網(wǎng)應(yīng)急抗災(zāi)水平。

2 電線電纜線路的抗風(fēng)雪防冰凍要求

一般來說，普通電力線路是按15年一遇的抵御冰雪災(zāi)害能力而設(shè)計(jì)，允許承受10-20毫米表面覆冰或雪的厚度，如果超出承載力，風(fēng)吹震蕩，電力線路極易不勝重荷而斷裂。為提高電網(wǎng)抵御特大冰雪災(zāi)害能力，提升電網(wǎng)應(yīng)急抗災(zāi)水平，國家電網(wǎng)公司全面提高電網(wǎng)設(shè)計(jì)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，具體如下：110～330千伏電網(wǎng)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)由15年一遇提高到30年一遇，500千伏電網(wǎng)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)由30年一遇提高到50年一遇，750千伏電網(wǎng)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，正在建設(shè)的特高壓工程設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇考慮。除了參考國家建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定，提高電網(wǎng)設(shè)防抵抗災(zāi)害能力標(biāo)準(zhǔn)外，還有其它要求，分別是新增中冰區(qū)設(shè)計(jì)技術(shù)條件，堅(jiān)持可靠性和經(jīng)濟(jì)性兼顧，合理提高電網(wǎng)大范圍抗冰能力；通過差異化規(guī)劃設(shè)計(jì)，在發(fā)生超過一般線路設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)重自然災(zāi)害情況下，能夠保持特高壓電網(wǎng)、核心網(wǎng)架、大型發(fā)電廠輸出線路、跨國跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)輸電線路等重要線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行等。

為進(jìn)一步提供電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)和科學(xué)發(fā)展的科技支撐，《電網(wǎng)防冰減災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)研究計(jì)劃》主要在下面幾個(gè)方面進(jìn)行研究：一是研究提出差異化的電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步提高戰(zhàn)略性輸電通道、各電壓等級(jí)骨干線路和向重要用戶供電的輸變電設(shè)施的抵御冰災(zāi)能力；二是研究開發(fā)大電網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)和應(yīng)急指揮技術(shù)支持系統(tǒng)，進(jìn)一步提高應(yīng)急保障和指揮能力；三是研究災(zāi)害氣象規(guī)律和輸變電設(shè)備覆冰機(jī)理，開發(fā)冰災(zāi)氣象預(yù)警和輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)一步增強(qiáng)覆冰綜合治理能力；四是研究開發(fā)大容量、高效率、自動(dòng)化的電氣融冰裝置和靈活實(shí)用的機(jī)械除冰裝置，進(jìn)一步提高輸變電設(shè)備除冰效率；五是研究開發(fā)用于電氣設(shè)備的防冰凍、除覆冰的新技術(shù)、新材料，防止或減少電氣設(shè)備覆冰等。

上述計(jì)劃也給作為電網(wǎng)關(guān)鍵部分的電線電纜，提出了相應(yīng)的防冰減災(zāi)研究規(guī)劃和要求。目前室外架空線路主要包括架空導(dǎo)線、架空絕緣線、架空通信電纜、各種進(jìn)戶線、配線和接觸線等。對(duì)電線電纜的抗風(fēng)雪防冰凍要求如下：一是按環(huán)境因素進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，從電線電纜的抗災(zāi)害強(qiáng)度方面滿足抗風(fēng)暴、耐冰凍、受雨雪及其它災(zāi)害的能力；二是針對(duì)相應(yīng)的風(fēng)雪冰災(zāi)害機(jī)理，研發(fā)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)靈活實(shí)用的抵御或減輕風(fēng)雪冰災(zāi)害的電線電纜；三是改變電線電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過監(jiān)測(cè)智能系統(tǒng)調(diào)節(jié)電線電纜的周界環(huán)境，自動(dòng)融雪化冰；四是開展多層次的新材料、新技術(shù)以及相應(yīng)試驗(yàn)方法的研究。

3 電線電纜的抗風(fēng)雪防冰凍設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)電線電纜的抗風(fēng)雪防冰凍要求，我們分別從電線電纜抗風(fēng)冰雪載荷和電熱融冰雪兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而全面提高電力線路、通信線路等抗冰雪災(zāi)害的能力。

3.2 載荷型抗風(fēng)冰雪電線電纜

載荷型抗風(fēng)冰雪電線電纜主要是通過提高強(qiáng)度、增大容量、減小體積和重量、降低周界附著力等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)的，常見的有新型高強(qiáng)度輕型合金導(dǎo)線、自阻尼導(dǎo)線、低風(fēng)壓電線、防冰雪電線電纜等。

3.2.1 新型高強(qiáng)度輕型電力導(dǎo)線

這類導(dǎo)線主體部分以耐熱鋁合金線，其中合金鋁的電導(dǎo)率可達(dá)60%IACS，抗拉強(qiáng)度為160N/mm2，長期工作溫度為160℃或以上，比相應(yīng)普通導(dǎo)線的截流量提高近一倍。而載力部分主要由高強(qiáng)度碳纖維或合金碳鋼來承荷，其中碳纖維復(fù)合線以其高抗張強(qiáng)度、低線膨脹系數(shù)、重量輕、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)而逐步被廣泛推廣應(yīng)用。采用新型高強(qiáng)度輕型電力導(dǎo)線，其良好的自阻尼減振特性能夠吸收較多的激振能量，可以更好地抗風(fēng)雪等惡劣氣候條件。

3.2.2 自阻尼導(dǎo)線

自阻尼導(dǎo)線主要用于多風(fēng)地帶，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在各個(gè)絞合層與層之間留有一定有間隙，自阻尼導(dǎo)線結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。當(dāng)導(dǎo)線在風(fēng)力狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)風(fēng)舞振動(dòng)時(shí)，由于各層導(dǎo)線的固有振動(dòng)頻率各不相同而相互干擾，能夠自動(dòng)抵消風(fēng)舞振動(dòng)的能量，達(dá)到減振輕荷的效果。這類導(dǎo)線的優(yōu)點(diǎn)是，可以減少導(dǎo)線的疲勞應(yīng)力，相應(yīng)提高線路壽命和降低成本。

1-加強(qiáng)芯件 2-導(dǎo)體 3-各層間空隙

3.2.3 低風(fēng)壓電線

低風(fēng)壓電線與普通電線相比，可降低30%-50%的風(fēng)壓載荷，其減小風(fēng)載荷原理模擬高爾夫球的表

面處理，使球表面形成漣漪來實(shí)現(xiàn)減小風(fēng)載荷。該原理用來減小電纜表面所承受的風(fēng)張力，電纜結(jié)構(gòu)示意圖見圖所示2。

1-導(dǎo)體半徑 2-絕緣凸脊及凸脊半徑 3-絕緣層 4-導(dǎo)電線芯 5-絕緣半徑

在強(qiáng)風(fēng)地帶，帶有積雪的架空導(dǎo)線，通常會(huì)發(fā)生低頻大振幅的自激振動(dòng)，可能引起相間短路或?qū)χС治锏膿p害。此時(shí)用相間隔離器，可使各相導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)風(fēng)性各異，讓積雪時(shí)的積冰雪形狀不均，從而使作用于風(fēng)上側(cè)和風(fēng)下側(cè)的揚(yáng)升力隨機(jī)化，以抑制擺動(dòng)。

3.2.4 防冰雪電線電纜

在重冰雪地區(qū)，往往會(huì)由于電線電纜覆冰過重或冰雪過厚，而造成斷線或倒桿的線路事故。比較常見的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是采用帶翼狀結(jié)構(gòu)和防雪環(huán)式。防雪環(huán)式導(dǎo)線，將防雪環(huán)裝在導(dǎo)線上，當(dāng)導(dǎo)線上的冰雪受風(fēng)振而沿架空弧垂滑動(dòng)時(shí)，因受防雪環(huán)而脫落。帶翼狀結(jié)構(gòu)防雪電線電纜見圖3所示，這種結(jié)構(gòu)電纜利用積雪時(shí)出現(xiàn)的不平衡而反轉(zhuǎn)，使得積雪滑落。由于周圍環(huán)境的惡劣，一般與融冰式方法組合設(shè)計(jì)，防冰雪效果才能比較理想。

1-導(dǎo)體 2-絕緣 3-翼狀結(jié)構(gòu)

在防冰雪電線電纜的外表面涂上一層化學(xué)憎冰性涂料，也能減小冰雪對(duì)導(dǎo)線的附著力，起到防冰脫雪的作用。

3.3 融冰雪式電線電纜

載荷型抗風(fēng)冰雪電線電纜均靠電纜自身特性來達(dá)到抗風(fēng)雪的目的。但在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)周界環(huán)境惡劣多變時(shí)，載荷型抗風(fēng)冰雪方式也無法滿足要求。此時(shí)，必須利用輔助電熱方式來融化冰雪。融冰雪電線電纜能夠自動(dòng)融冰除雪，廣泛應(yīng)用于重冰區(qū)的輸電線路上，可避免由于導(dǎo)線覆冰或積雪過重引起的斷線倒桿停電事故。

融冰雪式電線電纜有居里合金式、切換電流式、自控溫式等多種型式。其中前兩種方式只能用于電力線路中，而自控溫式也能用于其他線路中。

3.3.1 居里合金式融冰雪導(dǎo)線

居里合金是一種鎳-鉻-硅-鐵四元合金，該合金在低溫時(shí)具有磁性，在低溫時(shí)放在交變磁場(chǎng)中便會(huì)產(chǎn)生渦流而發(fā)熱融冰。通過這種合金的磁性改良，研發(fā)出高發(fā)熱型融雪線材，將該合金線材緊密卷繞在電力線路或加工電力導(dǎo)線中，便能起到一定的融冰雪效果。當(dāng)然該導(dǎo)線融冰雪的能力會(huì)受到設(shè)計(jì)材料和電網(wǎng)電流等方面的影響。

3.3.2 切換電流式防冰雪導(dǎo)線

切換電流式防冰雪方法一般設(shè)計(jì)在鋼芯鋁絞線或合金線中，導(dǎo)線外部的鋁芯與內(nèi)部鋼芯之間有一層耐老化的絕緣層，在正常情況下，電流通過鋁線運(yùn)行，當(dāng)導(dǎo)線上面的溫度降到零下，并構(gòu)成結(jié)冰條件時(shí)，架設(shè)在桿塔構(gòu)架上的傳感器等電器元件控制相應(yīng)切換開關(guān)，讓部分電網(wǎng)電流經(jīng)過鋼芯，從而對(duì)導(dǎo)線加熱而融化冰雪。融冰后仍通過傳感器等電器元件，將全部電流再切換到鋁線上，恢復(fù)正常運(yùn)行。

3.3.3 自控溫式融冰雪電纜

自控溫融冰雪有兩種方式，一種是將自控溫加熱電纜緊緊敷設(shè)在電力或通信線路上，自控溫加熱電纜能夠長期將線路溫度穩(wěn)定在融冰雪的周界環(huán)境中，該方式通常工作溫度是固定的，一旦電纜制成后便不可改變，主要用于常年積雪的嚴(yán)寒地帶。

另一種是伴熱電纜，該電纜實(shí)質(zhì)是一種帶絕緣體的加熱元件，通過電力電子器件控制加熱元件的發(fā)熱功率，從而控制其加熱線路的溫度，可以靈活地進(jìn)行冰雪災(zāi)害預(yù)防。

4抗風(fēng)雪防冰凍電線電纜的試驗(yàn)要求

作為電線電纜，除了滿足電纜本身功能性的電氣和物理性能指標(biāo)，加熱型電纜還需進(jìn)行功率、溫度和抗老化壽命方面的試驗(yàn)。還得滿足抗風(fēng)防凍、耐環(huán)境等一些特殊試驗(yàn)，主要有風(fēng)噪音、風(fēng)壓、電暈、難積雪、舞動(dòng)、沙塵暴、抗冰凍、環(huán)境保護(hù)等方面的試驗(yàn)。

4.1 風(fēng)振試驗(yàn)

架空導(dǎo)線在穩(wěn)定風(fēng)流量的吹動(dòng)下，會(huì)引起振動(dòng)，導(dǎo)線的振動(dòng)與風(fēng)向、風(fēng)速、導(dǎo)線外徑、檔距、海潑和環(huán)境因素有關(guān)。導(dǎo)線承受的動(dòng)、靜應(yīng)力超過其疲勞極限，經(jīng)過一段時(shí)間會(huì)發(fā)生斷股現(xiàn)象。風(fēng)振試驗(yàn)是利用電磁激振器模擬導(dǎo)線振動(dòng)，根據(jù)IEEE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)激振頻率在100Hz內(nèi)，振動(dòng)3×107后，將導(dǎo)線拆股查看有無開裂斷股現(xiàn)象。風(fēng)振試驗(yàn)?zāi)軌蚍磻?yīng)架空導(dǎo)線材料和結(jié)構(gòu)的抗振動(dòng)疲勞性能。

4.2 舞動(dòng)試驗(yàn)

在風(fēng)雨冰雪等自然條件下，導(dǎo)線承受低頻率、大幅度的振動(dòng)時(shí)，考核導(dǎo)線的傳輸性能和機(jī)械性能發(fā)生的變化。通常規(guī)定試驗(yàn)樣品按架設(shè)檔距固定，按標(biāo)準(zhǔn)施加張力，將激振頻率調(diào)整到共振頻率、連續(xù)舞動(dòng)105次以上后，檢查導(dǎo)線的機(jī)械電氣性能的變化率。

4.3 蠕變?cè)囼?yàn)

蠕變?cè)囼?yàn)考核架空導(dǎo)線承受水平張力狀態(tài)下、由于結(jié)構(gòu)變形和材料延伸而產(chǎn)生的緩慢軸向塑性變形。按照IEC 61395規(guī)定，架空電線電纜在規(guī)定負(fù)荷下，持續(xù)1000小時(shí)后，分點(diǎn)記錄蠕變量，并繪出蠕變曲線，根據(jù)該曲線，推算出10年、20年后的蠕變量。

抗風(fēng)雪防冰凍試驗(yàn)在電線纜方面仍需經(jīng)過研究部門進(jìn)行深入的研究試驗(yàn)，并在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整。

5 結(jié)語

惡劣的自然風(fēng)雪災(zāi)害對(duì)相關(guān)行業(yè)電力和通訊設(shè)備的鐵塔、導(dǎo)線、電纜和附件，提出了更高的要求，為避免電網(wǎng)覆冰災(zāi)害的再次發(fā)生，重建和未來電網(wǎng)建設(shè)中，將對(duì)抗風(fēng)雪防冰凍的性能要求大大提高，相應(yīng)產(chǎn)品的市場(chǎng)也會(huì)迅速增加。相應(yīng)地，抗風(fēng)雪防冰凍電線電纜的市場(chǎng)前景比較良好，具有較高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。