輸電線路山區(qū)覆冰故障分析與預(yù)防

荊凌燕，李紅軍

（國網(wǎng)山西省電力公司運城供電公司，山西 運城 044000）

0 引言

1 覆冰故障實例

2009年2月1 5日至18日，運城市南部中條山脈連續(xù)霧天，18日晚小雪，海拔1 130 m的中條山脈一帶出現(xiàn)了風(fēng)、大霧天氣，能見度僅為10～15 m，氣溫在零下6℃左右，風(fēng)力2～5級。惡劣氣候?qū)е略摰囟蔚闹骶W(wǎng)輸電線路220 kV桃平Ⅰ、Ⅱ回線49號塔頭折斷。結(jié)合現(xiàn)場情況判定為覆冰故障。

2012年3月3 日至7日，運城市南部中條山脈持續(xù)大霧，空氣濕度在85%以上，造成該區(qū)域輸電線路導(dǎo)地線覆冰。從桃平雙回線現(xiàn)場的覆冰現(xiàn)象看，覆冰物為白色不透明、羽毛狀、質(zhì)輕，比重0.3 g/cm3，低于雨凇的0.9 g/cm3。根據(jù)天氣情況判斷覆冰形式為霧凇。

2012年3月4 日17時10分，220 kV桃平I、II線45號—46號擋距中央處距45號塔——230 m處，B相導(dǎo)線有連續(xù)2處導(dǎo)線覆冰塊脫落，A相導(dǎo)線覆冰全部脫落（此時AB相導(dǎo)線間距5 m），B相第一處覆冰脫落處導(dǎo)線有放電痕跡，第二處脫落處對應(yīng)的A相導(dǎo)線右上部也有放電痕跡。判定此處為覆冰掉閘的放電點。

2011年4月1 6日完成了中條山地段覆冰改造。經(jīng)過覆冰區(qū)線路改造導(dǎo)線為LGJ-300/40（1號—41號、54號—67號） 和 ACCC-630/45（41號—54號 ） ； 地 線 為 OPGW-24B1-127、OPGW-32B1-127和OPGW-S-32B1/90。線路覆冰區(qū)段改造為4基單回耐張塔和10基單回直線塔。220 kV桃平I線45號、50號地處中條山山口，安裝在線覆冰監(jiān)控系統(tǒng)。

2 形成覆冰故障的原因

覆冰有5種類型，分別為雨凇、混合淞、軟霧凇、白霜、雪凇。導(dǎo)地線覆冰機理為：空氣溫度在0℃以下，使水能夠凍結(jié)；空氣濕度大于80%，使空氣中有足夠的過冷卻水滴；風(fēng)力大于2 m/s，使過冷卻水滴能夠移動，這樣就具備了覆冰條件[1]。在覆冰過程中，風(fēng)對覆冰起著重要的作用，它將大量的過冷卻水滴源源不斷地輸向輸電線路，與導(dǎo)線、地線、絕緣子、桿塔等的表面不斷碰撞，并被不斷捕獲而加速覆冰，如果處于長時高濕度空氣，過冷卻水滴又成為粘接劑，將大霧的水分粘接在導(dǎo)地線上，形成霧凇。導(dǎo)地線所覆霧凇首先在迎風(fēng)面上生長，如風(fēng)向不發(fā)生大的變化，迎風(fēng)面上霧?。ǜ脖┖穸葧^續(xù)增加。當(dāng)迎風(fēng)面冰雪達到一定厚度，其重量足以使導(dǎo)地線扭轉(zhuǎn)時，導(dǎo)地線發(fā)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，重新在迎風(fēng)的一側(cè)覆蓋冰雪，不斷扭轉(zhuǎn)不斷覆蓋冰雪，最終形成圓形的覆冰。

輸電線路覆冰故障按產(chǎn)生的直接原因可分四類：一是過負載故障，即線路實際覆冰超過設(shè)計抗冰厚度，從而導(dǎo)致機械和電氣方面的故障；二是不均勻覆冰或不同期脫冰引起的機械和電氣方面的故障；三是絕緣子串覆冰過多或被冰凌橋接，引起絕緣子串電氣性能降低；四是不均勻覆冰引起的導(dǎo)線舞動故障。

2.1 地形地貌影響

山西省運城市地處中條山脈，走勢呈東西走向，海拔高度在1 000～1 500 m之間，0℃以下氣溫持續(xù)時間為4個月左右，當(dāng)?shù)貥淠久?，濕度較大。由于地形特殊及微氣候的影響，該地段經(jīng)常出現(xiàn)霧凇、雪凇、覆冰現(xiàn)象，屬特殊地形微氣候區(qū)。220 kV桃平Ⅰ線20號塔至60號塔走徑正是穿越該地區(qū)，且線路走向與山勢走向一致。

我國在各地的新石器時代遺址中發(fā)現(xiàn)了一些原始繪畫作品，有的學(xué)者按材質(zhì)將其分為陶畫、木畫、石畫、壁畫、地畫、巖畫（有學(xué)者將繪在陶器、木器、石器等器物上的繪畫統(tǒng)稱為裝飾畫，將其分為裝飾畫、巖畫和地畫三類）。這些新石器時代的原始繪畫，可以證明“繪畫的產(chǎn)生源于人類對自然事物的認識和思想情感的表達”。

2.2 氣象條件的影響

線路冰害事故許多是由微氣象條件造成的，中條山脈每年11月下旬至次年3月間暖濕氣流受山脈的阻擋，南坡低凹處水汽較大，不容易擴散，遇冷空氣時，造成局部區(qū)域形成有別于大區(qū)域的更為嚴重的覆冰條件很容易形成積冰。覆冰類型多為霧凇卻發(fā)生時間段一般在夜間或凌晨。

2009年2月1 6日至19日運城市計時實測氣象數(shù)據(jù)見表1。

故障發(fā)生前該處下了一夜的小雪，早晨地上積雪為10 cm，故障時天氣為大霧，能見度約60 m，氣溫0℃，濕度70%，最大風(fēng)速10.1 m/s。

2012年3月4 日故障發(fā)生前該處下了一夜的小雪，早晨地上積雪為10 cm，故障時天氣為大霧，能見度約60 m，氣溫0℃，濕度70%，最大風(fēng)速10.1 m/s。

2.3 對照實例分析

因霧凇的密度小，質(zhì)地疏松，無法采集，且各處厚度不同，因此準確厚度無法測量，但從現(xiàn)場及照片看，厚度在80 mm以上（折算為純冰大約在45.49 mm以上）。隨著高度的增加，過冷卻水滴的密度及風(fēng)速均會不同程度增大，高處導(dǎo)線理論上覆冰雪厚度應(yīng)大于下導(dǎo)線，會導(dǎo)致上側(cè)導(dǎo)線弧垂下降大于下層導(dǎo)線。

表1 故障前后運城市計時實測氣象數(shù)據(jù)表

以實例1為例：氣象資料反映，該地段17日零時有短時小雨雪、大霧，一直延續(xù)到19日主要是大霧天氣。風(fēng)力在3～5級，氣溫維持在零度以下；2月18日晚間有小雪。由于導(dǎo)、地線覆冰，載荷加重，造成49號塔折斷。依據(jù)現(xiàn)場觀察，認定49號塔倒的原因有以下幾方面。

一是導(dǎo)地線覆冰量加大，48號—49號檔距大于49號—50號擋距，且由49號塔上覆冰可見，面小號側(cè)（線路東南方向）覆冰厚度遠大于大號側(cè)（西北方向），所以48號—49號擋內(nèi)覆冰要比49號—50號擋內(nèi)多；48號—49號擋內(nèi)海拔高于49號—50號海拔高，在冷空氣作用下，覆冰也絕對強。重力作用下，塔頭要倒向小號側(cè)。

二是擋距影響。在48號—50號擋距中，49號—50號檔所處位置的海拔低，擋距短，且處于風(fēng)口的下段避風(fēng)處；加之地形高的導(dǎo)線接受通風(fēng)覆冰量大，所以48號—49號側(cè)的覆冰量要大于49號—50號側(cè)的覆冰量，受覆冰載荷重力拉伸作用，49號—50號部分轉(zhuǎn)移到了覆冰載荷較重的相鄰檔距內(nèi)，使49號緣子串向小號側(cè)傾斜。

以實例2為例，45號—56號導(dǎo)線不同期脫冰造成線間距離不足?，F(xiàn)場及相關(guān)資料反映，SZC203—39塔型應(yīng)該最上相和最下相導(dǎo)線間距為13.1 m，現(xiàn)場采用對比法測量AB相線間距離為5 m，差距為8.1 m。

跳閘時B相（上相）未脫冰，導(dǎo)線下垂弛度大，A相（下相）脫冰時，導(dǎo)線失去附著在自身的冰的重量后，迅速彈起，與未脫冰的B相導(dǎo)線安全距離不滿足要求，從而形成跳閘。

3 山區(qū)輸電線路防覆冰的預(yù)防措施

3.1 對于新建線路的建議

一是根據(jù)覆冰情況核定冰區(qū)劃分，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化線路路徑，盡量降低線路的平均海拔，避開重冰區(qū)。

二是宜根據(jù)擋距、高差和地形等情況，在適當(dāng)位置增加耐張塔。減少耐張段的長度，避免由于倒塔引起的連鎖破壞。

三是導(dǎo)線覆冰與線路走向有關(guān)，東西走向的導(dǎo)線覆冰普遍較南北走向的導(dǎo)線覆冰嚴重，因此，在嚴重覆冰地段選擇走廊時，應(yīng)盡量避免導(dǎo)線呈東西走向[2]。

四是確保線路的外絕緣配置水平符合有關(guān)標準要求，并留有適當(dāng)裕度，確認存在微地形條件的局部區(qū)段，有限采用V型串布置，加強防冰閃能力。

3.2 對于運行單位的建議

一是加強微氣象區(qū)調(diào)查，加強覆冰區(qū)監(jiān)測。設(shè)立中條山區(qū)輸電線路覆冰運行觀測站。建立氣象環(huán)境和導(dǎo)地線、絕緣子、桿塔應(yīng)力等運行狀態(tài)信息監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)主要氣象要素運行參數(shù)的采集、計算和傳輸。實時監(jiān)測冰災(zāi)，及時提供預(yù)警信息，為線路的抗災(zāi)決策提供依據(jù)；并為冰區(qū)分布圖修訂提供數(shù)據(jù)，指導(dǎo)線路抗冰設(shè)計。

二是加強應(yīng)急管理，提高應(yīng)急處理能力。引進適用于線路除冰的工具，規(guī)范人工除冰作業(yè)，強化應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)，組建作戰(zhàn)能力強、技術(shù)水平高的專業(yè)應(yīng)急搶險隊，并配備適合山區(qū)雪地行駛的交通和應(yīng)急通訊工具。

三是對地形起伏較大、相對高聳、突出、暴露，或山區(qū)風(fēng)道、埡口、抬升氣流的迎風(fēng)流坡，結(jié)合附近水源情況開展水量調(diào)查，積累數(shù)據(jù)做到水量充沛季節(jié)開展預(yù)防性除冰工作。

四是對于線路鄰擋間設(shè)立高差明顯或擋距相差較大；且運行現(xiàn)況為易覆冰、覆冰明顯偏大或鄰擋覆冰相差較大等確認存在微地形條件的局部區(qū)段，宜參照故障塔的改造方案，適當(dāng)予以加強。

五是對于運行線路，防冰閃以防止大量傘裙被冰凌橋接為主要目的，通過改善絕緣子串的傘形結(jié)構(gòu)、布置方式、絕緣子串長度等，提高防冰閃能力?？筛鶕?jù)實際情況綜合采用V型串、順線倒V型串、插花配置、優(yōu)化傘形結(jié)構(gòu)等措施[3]。

六是可嘗試使用新型防冰害措施，從降低覆冰強度入手。采用單分裂碳纖維導(dǎo)線（在輸送容量相等的情況下，導(dǎo)線溫度可參考到150℃左右，正常負荷下可達到40℃）、給導(dǎo)地線噴涂防覆冰涂料、加裝防冰球、隔冰環(huán)等防冰裝置，有效防止導(dǎo)地線、絕緣子在低溫下產(chǎn)生嚴重覆冰的技術(shù)措施。

七是總結(jié)110～220 kV線路已有帶電融冰的成熟經(jīng)驗，開展110～220 kV線路帶電融冰的技術(shù)研究，并選擇適當(dāng)?shù)攸c進行試驗。

4 結(jié)束語

輸電線路覆冰導(dǎo)致的故障一直是困擾國內(nèi)外電力系統(tǒng)的自然災(zāi)害之一。覆冰常引起輸電線路倒塔、斷線和絕緣子閃絡(luò)等重大故障，嚴重影響其安全穩(wěn)定運行。我國電力、氣象等部門的生產(chǎn)、運行及科研、設(shè)計工作者一直為解決輸電線路覆冰問題不懈的探索，且獲得了許多有重要價值的成果。到目前為止，對輸電線路覆冰問題的認識還遠遠不能滿足電力工業(yè)發(fā)展的要求。因此，分析輸電線路覆冰特點、規(guī)律，探索有針對性的防覆冰措施和方法，是值得電力工作者關(guān)注的課題。

[1]蔣興良，易輝.輸電線路覆冰及防護[M].北京：中國電力出版社，2002：76-77.

[2]華東電力設(shè)計院.110～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2010：112-113.

[3]孫才新.大氣環(huán)境與外絕緣[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，1996：23-25.