架空輸電線路覆冰成因及防控措施

邢闖 張博 溫瑋

摘 要：根據(jù)線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，線路覆冰會(huì)嚴(yán)重危及線路安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文對(duì)覆冰的形成與分類作了簡(jiǎn)要的介紹，例舉了近期我國(guó)發(fā)生的重大覆冰事故，從覆冰會(huì)導(dǎo)致輸電線路機(jī)械特性和電氣特性受損的角度進(jìn)行了危害分析。結(jié)合我國(guó)覆冰事故的具體情況，列舉了防止線路覆冰以及消除線路覆冰的一些措施，并分析指出現(xiàn)有技術(shù)的一些不足之處。

關(guān)鍵詞：輸電線路；覆冰危害；除冰技術(shù)

0 引言

輸電線路覆冰作為一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害，可導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)、導(dǎo)線舞動(dòng)、設(shè)備損毀、桿塔垮塌等事故 ，對(duì)現(xiàn)有的輸電線網(wǎng)構(gòu)成了巨大的威脅。2008年春節(jié)期間南方地區(qū)出現(xiàn)大范圍持續(xù)低溫雨雪天氣，最終釀成一場(chǎng)特大冰災(zāi)，災(zāi)害期間尤以湖南省、貴州省受災(zāi)最為嚴(yán)重。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，期間貴州電網(wǎng)500kV線路發(fā)生停運(yùn) 5次及斷線事故193起，湖南電網(wǎng)500kV線路發(fā)生停運(yùn) 12次及斷線事故481起，電壓等級(jí)越高的線路發(fā)生非停或斷線事故時(shí)造成的經(jīng)濟(jì)損失也就越大。為了更好地保障輸電線路的安全運(yùn)行，本文對(duì)輸電線路覆冰及其危害進(jìn)行了分析介紹，并探討了輸電線路防除冰技術(shù)。

1 覆冰的形成與分類

1.1 覆冰的形成

覆冰的形成是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的物理現(xiàn)象，與其相關(guān)的因素有環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速風(fēng)向、 大氣環(huán)對(duì)流等。在我國(guó)每年冬季來(lái)自西伯利亞的寒流人侵南下，寒潮冷鋒過(guò)境時(shí)氣溫大幅度下降，風(fēng)力風(fēng)速驟增。這時(shí)暖濕氣流在南方地區(qū)交匯，加之局部特殊的地理地形，容易形成持續(xù)低溫雨雪天氣，為覆冰的形成創(chuàng)造了良好條件。輸電線路覆冰應(yīng)具備以下3個(gè)條件：足夠凍結(jié)的溫度、一定量的過(guò)冷卻水和強(qiáng)度較大的風(fēng)力。

1.2 覆冰的分類

依據(jù)覆冰形成的物理過(guò)程和環(huán)境參數(shù)，電力部門大致將輸電線路覆冰分為雨淞、混合淞和霧淞這3大類 。覆冰發(fā)生時(shí)一般不是單一天氣，而是多種天氣交替或共同作用，這就使得覆冰種類具有多樣性。雨淞屬于一種降水覆冰，一般當(dāng)溫度接近0℃時(shí)，大氣中過(guò)冷卻水碰撞到導(dǎo)線表面凍結(jié)成冰。發(fā)生時(shí)空氣相對(duì)濕度較高，且風(fēng)力較強(qiáng)，此類覆冰主要伴隨著凍雨的出現(xiàn)，與海拔高度基本無(wú)關(guān)?；旌箱潦且环N最為常見的覆冰，其表征狀態(tài)比較復(fù)雜，在一定氣象條件下，隨時(shí)間推移可由單純雨淞發(fā)展而來(lái)。霧淞屬于一種凝華覆冰，形成條件為溫度、濕度都相對(duì)較高，且風(fēng)力微弱，多在濃霧天氣時(shí)導(dǎo)線上容易生長(zhǎng)。當(dāng)溫度上升或有風(fēng)時(shí)，霧淞極易消融或振擺脫落，附著力低決定其危害程度不高。雨淞和混合淞都有著較大的密度和超強(qiáng)的附著力，容易誘發(fā)多種不同程度的輸電線路危害，其中尤以混合淞造成的事故最多、危害最大[1]。

2 覆冰災(zāi)害影響分析

覆冰對(duì)電網(wǎng)故障率的影響主要體現(xiàn)在輸電線路故障，輸電線路覆冰后機(jī)械特性和電氣特性受到嚴(yán)重影響是造成重大覆冰事故的直接原因[2]。

2.1 機(jī)械特性

在惡劣的雨雪冰凍氣象條件下，導(dǎo)線的阻尼特性會(huì)因覆冰雪產(chǎn)生一系列的改變 。輸電導(dǎo)線覆冰厚度增長(zhǎng)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，與周邊環(huán)境溫度及低溫持續(xù)時(shí)間有關(guān)。剛開始導(dǎo)線覆冰后橫截面呈不規(guī)則或近橢圓形形狀，加之一定的風(fēng)速，極易誘發(fā)一種特殊的低頻高幅舞動(dòng)，該種舞動(dòng)最大振幅可達(dá)10余米，不規(guī)則覆冰引起的長(zhǎng)時(shí)間舞動(dòng)會(huì)造成金具磨損、桿塔晃動(dòng)。當(dāng)覆冰厚度達(dá)到線路設(shè)計(jì)荷載極限時(shí)，超過(guò)了導(dǎo)線的抗冰厚度會(huì)出現(xiàn)縮頸、斷裂現(xiàn)象，同時(shí)桿塔也會(huì)因覆冰過(guò)荷載發(fā)生塔基下沉、塔架折斷以致倒塌。不均勻覆冰、不同期脫冰或檔距差別較大的線路覆冰會(huì)產(chǎn)生張力差，在張力差的作用下也會(huì)造成不同程度的機(jī)械事故，當(dāng)這種不平衡張力過(guò)大時(shí)會(huì)使懸掛絕緣子偏移逐漸增大，發(fā)生翻轉(zhuǎn)或與桿塔碰撞，造成絕緣子炸裂損毀。

2.2 電氣特性

覆冰可以被看作一種特殊的污穢，架空輸電線路裸露在外，絕緣子非常容易被覆冰或傘形冰凌橋接，導(dǎo)致其絕緣強(qiáng)度下降，泄漏距離縮短，從而容易發(fā)生覆冰閃絡(luò)。在外部高電壓作用下，閃絡(luò)通道上會(huì)發(fā)生持續(xù)放電現(xiàn)象，不僅會(huì)引起線路頻繁閃絡(luò)跳閘，而且產(chǎn)生的電弧會(huì)燒傷絕緣子，嚴(yán)重時(shí)絕緣子炸裂失效。當(dāng)覆冰達(dá)到一定重量和體積后，因線路過(guò)荷載引起弧垂增大，架空地線垂直降到導(dǎo)線中間，有風(fēng)力的情況下會(huì)發(fā)生相間短路事故、燒傷或燒毀導(dǎo)線等，還有覆冰舞動(dòng)輕則也會(huì)引起線路頻繁閃絡(luò)跳閘[3]。

3 輸電線路融除冰技術(shù)

依照工作原理習(xí)慣上將融除冰技術(shù)分為3大類 ：熱力融冰、機(jī)械除冰和自然脫冰。以下是關(guān)于這 3種方法基本原理及應(yīng)用的闡述。

3.1 熱力融冰法

熱力融冰法是將覆了冰的導(dǎo)線通以相當(dāng)?shù)碾娏?，電流流?jīng)導(dǎo)線產(chǎn)生熱量融化線上的覆冰。當(dāng)覆冰未發(fā)生時(shí)，通過(guò)及時(shí)準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)和利用高效的覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，適時(shí)啟動(dòng)熱力融冰裝置讓線路無(wú)法積冰，儼然不失為一種有效的抗冰舉措，但這同時(shí)也對(duì)天氣預(yù)報(bào)和覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出了更高的要求。

3.1.1 直流短路融冰技術(shù)

直流短路融冰法需先將覆了冰的線路從電網(wǎng)中斷開，以兩相電路為例，短接線路其中的一端，另一端接人融冰電源形成通路，實(shí)質(zhì)是將覆冰線路當(dāng)作用電負(fù)載，合適電源的選擇是此類方法奏效的關(guān)鍵。在關(guān)于 500kV覆冰線路直流融冰方案研究中，通過(guò)計(jì)算得出系統(tǒng)需提供的功率為200MW，所以具有一定的可行性，但是要提供如此大的電源容量也有難度。對(duì)于部分220kV線路可以考慮采用直流短路融冰法，直流短路融冰法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行影響不大，實(shí)驗(yàn)融冰效果還不錯(cuò)。

3.1.2 交流短路融冰技術(shù)

交流短路法和直流短路法有很多相似之處。對(duì)于部分電壓等級(jí)為220kV且融冰距離較短的線路可以采用交流短路法，冰災(zāi)期間現(xiàn)場(chǎng)融冰效果明顯。與直流短路融冰法相同的是，交流短路融冰法同時(shí)也受到線路電壓等級(jí)和電源選擇的限制。利用220—500kV交流電作為融冰電源，所產(chǎn)生的短路電流能夠滿足最小融冰電流，但需要系統(tǒng)提供1000—2000Mvar的無(wú)功功率，系統(tǒng)無(wú)法滿足這一要求。另外還存在一個(gè)問(wèn)題，這兩種方法進(jìn)行融冰時(shí)線路都應(yīng)從電網(wǎng)中切開，無(wú)法進(jìn)行正常的供電，且當(dāng)遇上持續(xù)低溫雨雪天氣會(huì)再次發(fā)生覆冰[4]。

3.2 機(jī)械除冰法

冰災(zāi)發(fā)生后如沒(méi)有切實(shí)有效的融冰手段，則多會(huì)考慮采用機(jī)械除冰。機(jī)械除冰法主要是利用不同的機(jī)械裝置工作時(shí)產(chǎn)生的外作用力破除導(dǎo)線上的覆冰，目前較為主流的方法有滑輪鏟刮法與強(qiáng)力振動(dòng)法。與熱力融冰法相比較，滑輪鏟刮法裝置具有低成本、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是在除冰時(shí)操作復(fù)雜且易刮傷導(dǎo)線；由于雨淞的超強(qiáng)附著力，強(qiáng)力振動(dòng)法需將振動(dòng)強(qiáng)度控制在一定范圍內(nèi)，所以除冰效果不佳。

3.3 自然脫冰法

所謂自然脫冰法是借助自然力的作用來(lái)使覆冰自行脫落，諸如風(fēng)力、氣溫變化、地球引力等。將導(dǎo)線上加裝平衡錘、阻雪環(huán)等裝置，當(dāng)覆冰雪到達(dá)一定程度便會(huì)自行脫落。相比上述兩種方法，自然脫冰法同時(shí)兼有簡(jiǎn)單易行和低成本的特點(diǎn)。但此類方法脫冰時(shí)產(chǎn)生的不平衡張力，容易引發(fā)導(dǎo)線跳躍造成冰閃跳閘等事故。

4 結(jié)語(yǔ)

覆冰事故給我國(guó)電網(wǎng)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也對(duì)我們抵御覆冰災(zāi)害產(chǎn)生了一些啟示：（1）電力部門在進(jìn)行輸電線路規(guī)劃和設(shè)計(jì)時(shí)，在路徑選擇上應(yīng)盡量避開覆冰區(qū)域，這是目前防治覆冰最為有效的手段；（2）加大對(duì)融冰電源的研發(fā)力度，提出更加創(chuàng)新的除冰方案；（3）今后覆冰研究工作的重難點(diǎn)仍需放在覆冰機(jī)理和完善模型上，以及研發(fā)出高效的覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和融除冰裝置。

參考文獻(xiàn)：

[1]李慶峰等.全國(guó)輸電線路覆冰情況調(diào)研及事故分析 [J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（9）：33—36.

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[3]黃新波等.電力架空線路覆冰雪的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 [J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（4）：23—28.