電網(wǎng)覆冰的風(fēng)險(xiǎn)管理

王建 劉輝

電網(wǎng)工程在冬季往往面臨低溫冰雪考驗(yàn)，所以加強(qiáng)電網(wǎng)覆冰的風(fēng)險(xiǎn)管理非常必要。目前，電網(wǎng)覆冰風(fēng)險(xiǎn)管理措施主要有融冰或除冰兩種方法。電網(wǎng)覆冰一旦形成，處理起來不僅需要耗費(fèi)大量能源和維護(hù)成本，還會(huì)因外力干預(yù)對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。因此，需要從根本上降低或消除覆冰的風(fēng)險(xiǎn)，提高輸電線路本身對(duì)冰雪的抵御能力。本文總結(jié)了防冰、抗冰的常見方法，梳理了近年來輸電導(dǎo)線防冰專利的情況，并從專利申請(qǐng)、獲批和存量專利有效性的角度，分析了輸電導(dǎo)線覆冰風(fēng)險(xiǎn)管理的有效措施，從而有助于提高電網(wǎng)覆冰的風(fēng)險(xiǎn)管理能力。

電網(wǎng)覆冰的嚴(yán)重危害

輸電導(dǎo)線及設(shè)備覆冰是電力系統(tǒng)運(yùn)行中面臨的常見現(xiàn)象。這種現(xiàn)象易引起輸電線路載荷增加、不平衡張力、舞動(dòng)，導(dǎo)致倒塔、斷線、脫冰跳躍、閃絡(luò)等一系列事故，嚴(yán)重影響輸電線路安全可靠、可持續(xù)運(yùn)行。同時(shí)，常見的除冰措施安全系數(shù)和除冰效率較低，可能導(dǎo)致對(duì)電力設(shè)施的二次傷害，容易造成導(dǎo)線損壞和絕緣性能降低。

世界上很多國(guó)家都遭受過嚴(yán)重電網(wǎng)覆冰災(zāi)害。如1998年，美加兩國(guó)大冰災(zāi)造成超過3 000km的電力網(wǎng)絡(luò)受到影響，約1 000座高壓輸電桿塔、43 000座配電桿塔倒塌，10 000臺(tái)變壓器需要修復(fù)，電網(wǎng)系統(tǒng)的維修費(fèi)用約為8億美元，經(jīng)濟(jì)損失約為35億美元。1999年，法國(guó)冰災(zāi)造成38條主要輸電線路停運(yùn)，5GW電力不能送出，超過350萬戶居民停電。2005年，瑞典南部遭受嚴(yán)重暴風(fēng)雪災(zāi)害，造成電網(wǎng)系統(tǒng)、通信、鐵路及公路等長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)，65萬人得不到電力供應(yīng)，電網(wǎng)修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)7周。2005年，德國(guó)冰災(zāi)造成70多條輸電線路倒塌，20萬用戶被停電。

我國(guó)電力系統(tǒng)近年來也頻頻遭受冰雪影響。2008年，我國(guó)南方區(qū)域電網(wǎng)發(fā)生罕見的大冰災(zāi)，僅湖南省一個(gè)月內(nèi)持續(xù)發(fā)生斷線、倒塌事故，導(dǎo)致500kV及以下電網(wǎng)大量線路和變電站頻繁跳閘、停運(yùn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，35kV及以上變電站發(fā)生全站停運(yùn)或局部停運(yùn)的有380座，10kV及以上線路倒塔及損壞68 089基、斷線52 380處，低壓線路倒桿斷桿330 450基 、 斷線367 673處。南方電網(wǎng)10kV 及以上線路被迫停運(yùn)7 541條，35kV及以上變電站被迫停運(yùn)859座，10kV及以上線路倒桿倒塔及損壞126 247基。2016年，我國(guó)電力系統(tǒng)再次受強(qiáng)降雪影響，湖南、四川、廣東等多地電網(wǎng)線路被積雪覆蓋，其中，僅云南昭通一市就有300余條線路遭受冰雪覆蓋，其中500kV線路幾乎全部覆冰，220kV和110kV線路分別呈現(xiàn)70%和28%覆冰狀態(tài)。

電網(wǎng)覆冰常見處理方法

目前，國(guó)內(nèi)外覆冰管理方法主要針對(duì)覆冰后的處理，有30余種，可劃分為三種類型：熱力融冰法、 機(jī)械除冰法、自然除冰法。

熱力融冰法

熱力融冰法可分為交流融冰法和直流融冰法，是通過電網(wǎng)自身潮流使導(dǎo)線發(fā)熱或增加額外熱源使冰雪在導(dǎo)線上無法積覆，或使已經(jīng)積覆的冰雪融化。這是目前公認(rèn)的解決架空導(dǎo)線覆冰問題最直接、有效、可靠的除冰方法。熱力融冰法雖然簡(jiǎn)單易行，但適用范圍一般局限在220kV以下電網(wǎng)，尚難以應(yīng)用于更高電壓等級(jí)的電網(wǎng)。同時(shí)，該方法存在改變網(wǎng)絡(luò)潮流分布、增加大量能量消耗等缺點(diǎn)。

機(jī)械除冰法

機(jī)械除冰法是通對(duì)覆冰設(shè)備施加機(jī)械力，促使設(shè)備上的覆冰在機(jī)械力的作用下脫落。機(jī)械除冰法多種多樣，其中用于輸電線路除冰的方法主要有“AD HOC”除冰法、滑輪刮鏟法、電磁脈沖除冰法及新興的機(jī)器人除冰法等。

“AD HOC”除冰法是利用外力將冰層的物理結(jié)構(gòu)破壞而使之脫落的方法。一般可采用直升機(jī)、絕緣作業(yè)工具車、起重機(jī)或手工除冰的方式。此類方法安全系數(shù)與除冰效率較低，容易造成電力設(shè)施損傷。

滑輪刮鏟法是操作者在地面上牽引覆冰導(dǎo)線上的滑輪滑動(dòng)，使得導(dǎo)線上的冰層脫落的方法。此方法需要考慮操作者的實(shí)際除冰經(jīng)驗(yàn)。

電磁脈沖除冰法是通過給整流器施加觸發(fā)脈沖，使電容器沖擊放電和電流通過線圈產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)，從而使在線圈附近的導(dǎo)線產(chǎn)生渦流，渦流的磁場(chǎng)與線圈磁場(chǎng)產(chǎn)生斥力，最終使導(dǎo)線產(chǎn)生擴(kuò)張，脈沖消失后導(dǎo)線收縮到原狀態(tài)，反復(fù)地?cái)U(kuò)張和收縮使導(dǎo)線表面的覆冰脹裂掉落。

機(jī)器人除冰法是在線路上使用移動(dòng)的機(jī)械代替人工進(jìn)行除冰，這樣減少了人工操作的危險(xiǎn)性。

自然除冰法

自然除冰法是在導(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(shí)，由風(fēng)力或其他自然力的作用使冰雪自行脫落。該方法簡(jiǎn)單易行，但可能因不均勻或不同期脫冰產(chǎn)生導(dǎo)線跳躍，易引起線路事故。目前，正在研究中的輸電線路的防覆冰涂料也是一種被動(dòng)的除冰方法。

新技術(shù)對(duì)覆冰風(fēng)險(xiǎn)管理的影響

傳統(tǒng)覆冰風(fēng)險(xiǎn)管理方法通常是在覆冰發(fā)生后采取相應(yīng)措施，對(duì)覆冰進(jìn)行處理。從風(fēng)險(xiǎn)管理的角度來看，這類方法應(yīng)歸為風(fēng)險(xiǎn)接受，屬于被動(dòng)式的風(fēng)險(xiǎn)管理。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)涌現(xiàn)出許多創(chuàng)新的覆冰風(fēng)險(xiǎn)管理方法：有的在覆冰風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)前就進(jìn)行規(guī)避，大幅減輕覆冰風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率；有的在覆冰風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后消除風(fēng)險(xiǎn)。這些新技術(shù)的出現(xiàn)往往是從申請(qǐng)相應(yīng)的發(fā)明專利或?qū)嵱眯滦蛯＠_始的，因此從專利角度進(jìn)行技術(shù)梳理和分類，易對(duì)覆冰管理未來的發(fā)展方向形成清晰的認(rèn)知。

覆冰專利發(fā)展趨勢(shì)

在中文專利檢索系統(tǒng)中，以相關(guān)關(guān)鍵詞進(jìn)行組合檢索，結(jié)果顯示：2008年以前，相關(guān)研究較少；2008年至今，約有539項(xiàng)專利申請(qǐng)，其中發(fā)明專利申請(qǐng)約288項(xiàng)，實(shí)用新型專利申請(qǐng)約251項(xiàng)。申請(qǐng)人大多集中在國(guó)家電網(wǎng)有限公司及其下轄單位，其專利申請(qǐng)數(shù)量約232項(xiàng)。各年度發(fā)明專利和實(shí)用新型專利的申請(qǐng)量和授權(quán)量如圖1所示。

從圖1可知，防冰相關(guān)專利申請(qǐng)量2008年之前較少，2009—2011年申請(qǐng)量逐漸增多，2012—2016年維持在較高水平，2017年后逐步下滑。這種變化規(guī)律與行業(yè)發(fā)展方向和趨勢(shì)相契合。2008年以前我國(guó)電力系統(tǒng)受冰災(zāi)影響較小，2008年遭遇前所未有的冰雪襲擊，防冰抗冰成為學(xué)術(shù)研究和生產(chǎn)運(yùn)行的熱點(diǎn)問題。經(jīng)過多年的研究和管理創(chuàng)新，已經(jīng)初步形成了一套有效的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防和管控的戰(zhàn)略組合。

新技術(shù)對(duì)覆冰風(fēng)險(xiǎn)管理的對(duì)策

傳統(tǒng)的除冰方法雖然有大量重要的研究成果，也在實(shí)踐中取得很多成功的案例，但就方法而言，大多聚焦覆冰以后的應(yīng)對(duì)策略，而疏于冰雪發(fā)生前的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防，是相對(duì)被動(dòng)的做法。為了更積極主動(dòng)地防范冰雪災(zāi)害，減少或消除覆冰對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響，應(yīng)深入研究覆冰的成因及我國(guó)的地理冰區(qū)特點(diǎn)，從工程設(shè)計(jì)之初就盡量避免冰雪影響。同時(shí)，應(yīng)鼓勵(lì)創(chuàng)新、積極試用新的導(dǎo)線和相關(guān)設(shè)備，在本質(zhì)上降低覆冰風(fēng)險(xiǎn)。目前，從專利申請(qǐng)量及專利創(chuàng)新性等角度來看，我國(guó)抗冰導(dǎo)線及相關(guān)研究領(lǐng)域包括抗冰預(yù)警系統(tǒng)、新型融冰導(dǎo)線、新型不結(jié)冰導(dǎo)線、復(fù)合導(dǎo)線涂層技術(shù)等，對(duì)覆冰風(fēng)險(xiǎn)管理都有積極的作用。

（1）抗冰預(yù)警系統(tǒng)。我國(guó)幅員遼闊，輸電導(dǎo)線需跨越不同氣候條件的地域，這給冰雪的檢查和預(yù)警帶來極大困難。然而，借助現(xiàn)代信息技術(shù)，研制全天候?qū)崟r(shí)冰雪預(yù)警系統(tǒng)成為可能。根據(jù)預(yù)警系統(tǒng)，可以靈活調(diào)整運(yùn)維方案，有針對(duì)性地檢查電力系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，做到防冰于未然。金少輝等人提出采用設(shè)置觀測(cè)絕緣子并建立預(yù)警中心數(shù)據(jù)庫(kù)的方法，通過觀察絕緣子串拉力變化判斷覆冰情況。孫萌等人提出利用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)比覆冰歷史數(shù)據(jù)，建立感知能力強(qiáng)、快速響應(yīng)的高效抗冰預(yù)警體系，扭轉(zhuǎn)人工觀冰的現(xiàn)狀。

（2）新型融冰導(dǎo)線。電流經(jīng)過輸電導(dǎo)線會(huì)自然產(chǎn)生熱量，熱力融冰法即源于此原理。將此原理進(jìn)一步發(fā)展，通過改變導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)或材料，可控地增加線路發(fā)熱量，可以大幅提高融冰的效率。蔡成良等人研究了一種耐熱鋁合金絞線，提高導(dǎo)線的載流量，可減少融冰所需電量。肖明訓(xùn)等人提出了一種復(fù)合導(dǎo)線融冰技術(shù)，融冰時(shí)通過開關(guān)切換導(dǎo)流面積，提高發(fā)熱量、加速融冰。黎基華等人公開了一種具有加熱功能的防結(jié)冰電纜，該電纜設(shè)有螺旋狀結(jié)構(gòu)的加熱體，通過采用超疏水材料可實(shí)現(xiàn)防水和防冰效果。沈勃等人公布了一種帶有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的絕緣支架和凹槽的電力線纜，可以改善電力線纜發(fā)熱變形問題。孫文浩等人公布了一種多層結(jié)構(gòu)架空地線，通過溫度傳感器感知外界溫度，當(dāng)外部溫度達(dá)限后啟動(dòng)加熱電阻絲，避免外部結(jié)冰。盛春敏等人提出一種多層OPGW光纜，在其中增加可發(fā)熱導(dǎo)線用于融冰。

（3）新型不結(jié)冰導(dǎo)線。除通過使導(dǎo)線發(fā)熱抑制覆冰或融化覆冰外，還有一種改變導(dǎo)線的外部特性，使冰雪難以附著，從而達(dá)到防冰的目的。石玉龍等人公開了一種被動(dòng)型防冰輸電線路，通過設(shè)置特殊的受力結(jié)構(gòu)和防冰卡槽，使冰雪無法附著、累積在防冰罩上，起到主動(dòng)防冰的作用。這種方法不消耗能量，也無須人工維護(hù)。

（4）復(fù)合導(dǎo)線涂層技術(shù)。復(fù)合導(dǎo)線涂層技術(shù)可以不改變?cè)休旊娋€路的導(dǎo)線、絕緣子、鐵塔現(xiàn)狀，將防覆冰納米復(fù)合涂料涂在導(dǎo)線、絕緣子、金具、鐵塔等位置，有效防止和預(yù)防電力系統(tǒng)及通信網(wǎng)絡(luò)的覆冰，直接增強(qiáng)其抗冰能力。涂層技術(shù)不需要改造或只需局部改造原電網(wǎng)，資金投入較少。鄢國(guó)平等人公布了一種由有機(jī)氟硅復(fù)合高分子材料、納米材料、固化劑、溶劑、填料組成的復(fù)合涂層材料。翟廣坤等人公布了一種氟化改性硅樹脂和基于硅樹脂氟化改性的超疏水涂層，該涂層還同時(shí)具有防污效果。陸佳政等人公布了一種附著于導(dǎo)線本體上的聚能層和附著于聚能層上的高透自清潔層，該涂層可在線噴涂，造價(jià)低廉。

結(jié)語

本文針對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行中的覆冰風(fēng)險(xiǎn)及相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)管理方法進(jìn)行了詳細(xì)論述。從風(fēng)險(xiǎn)管理的角度來看，傳統(tǒng)融冰和除冰方法屬于風(fēng)險(xiǎn)被動(dòng)接受。雖然經(jīng)過多年的發(fā)展和實(shí)踐，被證明具有一定的效果，但是這些方法的技術(shù)前景和可持續(xù)性欠佳。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，多種著眼于風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避、風(fēng)險(xiǎn)減輕的新的覆冰管理技術(shù)開始出現(xiàn)，經(jīng)過不斷的實(shí)踐和優(yōu)化，必然會(huì)取得越來越好的抗覆冰效果。

王建，高級(jí)工程師，就職于電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，主要從事電力市場(chǎng)規(guī)則、輸配電價(jià)定價(jià)機(jī)制、電力工程工程造價(jià)及財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)等相關(guān)研究工作。

劉輝（等同第一作者），助理研究員，就職于國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，主要從事國(guó)內(nèi)專利及PCT國(guó)際專利的審查及復(fù)審工作。