江西地區(qū)輸電線路覆冰事故分析及應(yīng)對措施探討

劉陽

（中國電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，南昌330019）

1 引言

2008 年初，我國南方地區(qū)遭遇了大范圍持續(xù)性的低溫覆冰災(zāi)害天氣，湖南、江西等地區(qū)的覆冰厚度達(dá)到40～60mm。整個(gè)災(zāi)害導(dǎo)致了多條110～500kV 輸電線路出現(xiàn)倒塔現(xiàn)象，總計(jì)8 331 基，35～500kV 輸電線路停電多達(dá)上百條【1】。本次災(zāi)害使得貴州、湖南、江西等省大面積斷水?dāng)嚯?，對國民?jīng)濟(jì)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

2018—2019 年，江西地區(qū)再次發(fā)生持續(xù)性凍雨天氣，冰害共導(dǎo)致32 條110kV 及以上輸電線路發(fā)生跳閘36 次，造成塔頭折損7 基，導(dǎo)線斷裂41 根、地線斷裂3 根、地線支架彎折1處。其中，2018 年初撫羅Ⅰ回倒塔4 基，夢永Ⅰ回倒塔1 基，地線支架1 處；撫羅Ⅱ回、夢永Ⅰ回各斷子導(dǎo)線6 根。

2 輸電線路覆冰災(zāi)害的原因分析及危害

2.1 地形以及氣候原因

輸電線路導(dǎo)線覆冰需要具備的條件有：（1）溫度持續(xù)低于0℃以下；（2）具備足夠的濕度，一般指空氣濕度達(dá)到85%以上；（3）具有一定的速度，可使水滴在空氣中運(yùn)動，一般風(fēng)速約為5～15m/s。在這些條件都具備之后，空氣中的“凝結(jié)水”及落雪在觸碰到低于0℃的導(dǎo)線后，便會在導(dǎo)線表面形成結(jié)構(gòu)。通常來說，自然條件下形成的導(dǎo)線覆冰密度一般從0.3×103～0.9×103kg/m3不等（但設(shè)計(jì)中覆冰密度按0.9×103kg/m3計(jì)算），按表觀特性主要分為雨凇、混合凇或硬霧凇、軟霧凇、霜凇等類型【2】。

覆冰形成的原因和地形也有很大關(guān)系，例如，高海拔地區(qū)、山坡中的迎風(fēng)面，埡口，暴露的丘陵頂部、風(fēng)道及水面上方覆冰都比較嚴(yán)重。

2.2 實(shí)際覆冰厚度遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)冰厚

在此次冰害中，部分線路的實(shí)測覆冰厚度已遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)冰厚（折算成標(biāo)準(zhǔn)冰厚），例如，500kV 撫羅Ⅰ回線路，根據(jù)現(xiàn)場折算的導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)冰厚約為27mm，覆冰厚度均遠(yuǎn)超線路10mm的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，該線路2009 年投運(yùn)，設(shè)計(jì)依據(jù)為DL/T 5092—1999《110～500kV 架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》和DL/T 5154—2002《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》。設(shè)計(jì)時(shí)未考慮不均勻冰工況對鐵塔結(jié)構(gòu)的影響，因此，此次覆冰災(zāi)害造成鐵塔塔頭折損破壞。

500kV 撫羅Ⅱ回線路現(xiàn)場折算成導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)冰厚約為27mm，覆冰厚度也遠(yuǎn)超線路10mm 的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但撫羅Ⅱ回線路是按照2008 年冰災(zāi)之后的新規(guī)設(shè)計(jì)，鐵塔規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)已考慮不均勻冰工況對鐵塔結(jié)構(gòu)的影響，因此，鐵塔抗覆冰能力要強(qiáng)于撫羅I 回，在本次災(zāi)害中發(fā)生斷線事故而未造成鐵塔損壞。

由此可見，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)冰厚的覆冰會引起導(dǎo)地線過載，金具和鐵塔的重量不斷增加，直至導(dǎo)線、地線以及金具的斷裂。除此之外，隨著導(dǎo)線覆冰厚度增加，鐵塔所承受的荷載也在不斷地增大，最終鐵塔將無法承受如此大的荷載而產(chǎn)生嚴(yán)重的扭曲變形，構(gòu)件破壞直至倒塔。

2.3 斷線及不均勻覆冰引起的鐵塔不平衡張力

鐵塔前后側(cè)由于檔距、高差等原因，使得前后側(cè)導(dǎo)線的覆冰不均勻，這種不均勻覆冰產(chǎn)生的不平衡張力過大，會使導(dǎo)線斷裂，絕緣子偏移。而導(dǎo)地線斷裂、金具損壞會引起不平衡張力的進(jìn)一步增大，使得鐵塔發(fā)生扭轉(zhuǎn)或者彎曲，進(jìn)而發(fā)生倒塔事故。當(dāng)一個(gè)耐張段有一基鐵塔發(fā)生倒塔后，與其相鄰的鐵塔受到不平衡力張力更大，引起多米諾骨牌效應(yīng)，造成大范圍鐵塔倒塔事故。

2.4 覆冰狀態(tài)下導(dǎo)線舞動

導(dǎo)線的不均勻覆冰會產(chǎn)生自激振蕩、舞動等現(xiàn)象，有可能造成導(dǎo)線斷線、金具損壞甚至發(fā)生倒塔。不均勻冰在風(fēng)的激勵(lì)下會產(chǎn)生大振幅、低頻（0.1～3Hz）的自振，致使導(dǎo)線發(fā)生舞動。如果舞動的時(shí)間過長，將會使導(dǎo)線、金具、絕緣子串和鐵塔受到持續(xù)性的異常沖擊而產(chǎn)生疲勞破壞，同時(shí)，還會產(chǎn)生導(dǎo)線相間及相對的閃絡(luò)，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行【3】。

3 不同覆冰厚度對鐵塔結(jié)構(gòu)的影響

導(dǎo)線覆冰的垂直荷重及不平衡張力是鐵塔所承受的主要荷載，隨著導(dǎo)線覆冰厚度的增加，桿塔所受到的垂直荷重和不平衡張力也在顯著增加。對事故鐵塔在實(shí)際使用條件下進(jìn)行不同覆冰厚度的仿真模擬，當(dāng)覆冰厚度增加5mm 時(shí)，垂直荷重約增加25%，不平衡張力約增加50%，因此，覆冰厚度對鐵塔不平衡張力影響更大。

正常情況下的鐵塔不平衡張力值在鐵塔可承受范圍之內(nèi)。但是，由于實(shí)際工程中鐵塔的前后側(cè)檔距、高差、脫冰率不同等因素，鐵塔兩側(cè)往往會產(chǎn)生較大的不平衡張力。而一個(gè)耐張段中多檔之間覆冰率不同或不同時(shí)脫冰會造成本耐張段中某一基鐵塔的不平衡張力遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，而常規(guī)鐵塔設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮該種情況，同時(shí)，由于桿塔處于山地，冰融化時(shí)容易出現(xiàn)不均勻融冰現(xiàn)象，從而加劇了鐵塔兩側(cè)的不平衡張力。鐵塔在不均勻冰工況下可能發(fā)生受彎或者受扭，當(dāng)鐵塔所能承受的不平衡張力值超過極限后，鐵塔構(gòu)件將會屈曲失穩(wěn)，整個(gè)鐵塔發(fā)生扭轉(zhuǎn)、彎曲破壞，從而導(dǎo)致整條線路無法運(yùn)行。

當(dāng)覆冰厚度增加時(shí)，重覆冰對鐵塔產(chǎn)生了較大的垂直荷載以及不平衡張力，同時(shí)不平衡張力對鐵塔產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩。動載和靜載的共同作用使得橫擔(dān)桿件發(fā)生屈曲破壞，從而引起塔頭桿件屈曲，鐵塔主材破壞，發(fā)生倒塔事故。

4 輸電線路覆冰事故的防治措施

4.1 優(yōu)化線路路徑方案

海拔高度是影響線路覆冰的主要因素之一，海拔每升高100m，平均氣溫降低0.6℃。因此，線路路徑選線時(shí)，應(yīng)盡可能避開高海拔地區(qū)，同時(shí)設(shè)計(jì)檔距應(yīng)當(dāng)均勻。對于大檔距、大高差的鐵塔應(yīng)該提高抗冰設(shè)計(jì)能力，同時(shí)處理好安全與投資之間的關(guān)系。

對于高山、孤立的山丘、風(fēng)道、埡口、迎風(fēng)坡、水庫上方、相對高差較大、連續(xù)上下山等易覆冰的微地形微氣區(qū)段，應(yīng)加強(qiáng)線路鐵塔抗冰災(zāi)害能力。

4.2 增加導(dǎo)線截面積

架空輸電線路中，導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度主要取決于導(dǎo)線鋼芯的截面積。為了降低覆冰對導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的影響程度，在選擇導(dǎo)線的過程中，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂虻膶?shí)際情況對導(dǎo)線進(jìn)行合理的選擇。例如，在重覆冰地區(qū)應(yīng)選用鋼芯截面積較大的導(dǎo)線，使導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度得以提高。采取此項(xiàng)措施能夠有效地提高導(dǎo)線的瞬時(shí)破壞應(yīng)力，減小因覆冰情況導(dǎo)致斷線事故的發(fā)生。

4.3 提高安全系數(shù)

GB 50545—2010《110kV～750kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，導(dǎo)線在弧垂最低點(diǎn)的設(shè)計(jì)安全系數(shù)應(yīng)不小于2.5，工程中導(dǎo)線的安全系數(shù)往往取2.8。在重覆冰地區(qū)建議提高導(dǎo)線的安全系數(shù)，這樣，可以減少導(dǎo)線的最大使用應(yīng)力、有效降低導(dǎo)線的懸點(diǎn)應(yīng)力及導(dǎo)線產(chǎn)生的荷載，顯著提高線路的安全運(yùn)行能力。提高安全系數(shù)雖然降低了導(dǎo)線的使用應(yīng)力，但同時(shí)也增大了弧垂，減少了檔距，增大整條輸電線路的投資，因此，此項(xiàng)措施適合不受弧垂控制的地區(qū)。

4.4 采用合理的除冰手段

當(dāng)設(shè)計(jì)階段無法采取有效的抗冰措施時(shí)，應(yīng)在運(yùn)維階段考慮采用防冰和除冰的措施【4】。例如，人工除冰法、機(jī)械除冰法、采用熱力除冰法，被動脫冰法等方法，減少覆冰在導(dǎo)線上的積累。

除了上述措施之外，還應(yīng)加強(qiáng)建設(shè)江西地區(qū)的覆冰情況觀測站，加強(qiáng)微地形、微氣象地區(qū)及以往覆冰受災(zāi)線路的資料收集，細(xì)化優(yōu)化江西地區(qū)冰區(qū)劃分，為輸電線路提供全面可靠的一手資料，使設(shè)計(jì)更為合理，從而降低覆冰災(zāi)害事故的發(fā)生，提高輸電線路的安全正常運(yùn)行水平，促進(jìn)電網(wǎng)事業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展【5】。

5 結(jié)語

冰雪具有極大的隨機(jī)性和復(fù)雜性，隨著江西高壓電網(wǎng)的建設(shè)，輸電線路覆冰災(zāi)害是影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要因素。本文介紹了輸電線路覆冰及災(zāi)害事故的主要原因，針對實(shí)際發(fā)生的覆冰事故分析了不同覆冰厚度對鐵塔結(jié)構(gòu)的影響，最后對輸電線路的事故防治提出了幾點(diǎn)建議和預(yù)防措施：設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)化線路路徑方案，提高設(shè)計(jì)安全參數(shù)，增大導(dǎo)線截面面積；運(yùn)行維護(hù)時(shí)應(yīng)及時(shí)去除導(dǎo)線上的覆冰，防止冰雪積累，提高輸電線路的安全正常運(yùn)行水平，促進(jìn)江西地區(qū)電網(wǎng)事業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。