輸電線路脫冰跳躍影響因素及防治措施

江博 張斌 羅成軍 黃夢婷 韓柯明

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司超高壓公司，湖北宜昌 443000；2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002）

0.引言

輸電線路覆冰問題是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行地重要威脅之一，對國民經(jīng)濟(jì)造成了巨大損失[1-4]。當(dāng)導(dǎo)線覆冰層內(nèi)部或者外部溫度升高，或者受到外部風(fēng)力及人為敲擊等外部沖擊荷載的時(shí)候會(huì)發(fā)生脫落，造成導(dǎo)線上線振動(dòng)的現(xiàn)象，即脫冰跳躍[5-6]。

世界上最早被記錄的輸電線路覆冰事故發(fā)生在1932年[7-9]，國內(nèi)第一起被記錄的架空線覆冰事故則發(fā)生在1954年[10]，隨著各國電網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)以及媒體發(fā)展，國內(nèi)外均出現(xiàn)了許多關(guān)于輸電線路覆冰脫冰的報(bào)道。

1994年，美國東南部地區(qū)受到的嚴(yán)重的冰災(zāi)事故，最大覆冰厚度達(dá)到了125mm，對當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)造成了嚴(yán)重破壞[11]。1998年，加拿大遭遇嚴(yán)重凍雨，魁北克、安大略省的輸電線路由于脫冰跳躍和不均勻覆冰造成大量桿塔倒塌、導(dǎo)線斷線，據(jù)估計(jì)，冰災(zāi)共計(jì)造成損失35億美元[12-13]。

20世紀(jì)80年代，四川省西昌至樂山220kV輸電線路南九線因穿越高海拔重冰區(qū)，每年均發(fā)生多次脫冰跳躍，造成絕緣子串損壞、線夾滑移、導(dǎo)線燒傷等事故[14]。2013年，浙江電網(wǎng)受冰災(zāi)影響，110kV及以上輸電線路共計(jì)發(fā)生跳閘事故24條[15]。2008年，我國遭遇特大雪災(zāi)，輸電線路發(fā)生大量鐵塔倒塔事故，其中90%是由不均勻覆冰和脫冰跳躍產(chǎn)生的不平衡張力造成的，國家電網(wǎng)的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到了104.5億元[16-18]。

分析輸電線路脫冰跳躍資料可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線脫冰跳躍引起的危害主要有兩個(gè)方面。在電氣方面，導(dǎo)線相間、相地安全間隙不夠發(fā)生閃絡(luò)、跳閘；在力學(xué)方面，劇烈的導(dǎo)線張力變化以及脫冰引起的檔間不平衡張力變化，會(huì)導(dǎo)致絕緣子串損壞、導(dǎo)線斷線、線夾滑移、甚至倒塔等機(jī)械事故，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。國內(nèi)外科研人員對輸電線路脫冰跳躍進(jìn)行了許多研究，并取得了大量成果。本文對國內(nèi)外輸電線路脫冰跳躍的影響因素、防治手段及展望進(jìn)行總結(jié)和分析。

1.脫冰跳躍的影響因素分析

影響脫冰跳躍的因素有很多，主要有脫冰厚度和脫冰率、脫冰方式、脫冰組合、高差、檔距、風(fēng)速、絕緣子串長等。

1.1 脫冰厚度和脫冰率

脫冰厚度和脫冰率對于脫冰跳躍的影響非常簡單。當(dāng)輸電線路表面的冰層脫落后，導(dǎo)線覆冰狀態(tài)的力學(xué)平衡被破壞從而開始向上跳躍，其實(shí)質(zhì)就是將原來的彈性儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和勢能，所以，脫冰厚度越大、脫冰率越高，彈性能量釋放越多，引起的跳躍高度也就越高。

1.2 均勻脫冰和非均勻脫冰

非均勻脫冰指導(dǎo)線某段有覆冰脫落現(xiàn)象，而均勻脫冰是指導(dǎo)線各點(diǎn)每一處都掉落等量的覆冰。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，非均勻脫冰造成的導(dǎo)線脫冰跳躍高度要大于均勻脫冰。均勻脫冰時(shí)全檔單位長度的脫冰量比較少，釋放的彈性儲(chǔ)能并不是最大；剩余覆冰又會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線剛度比無冰狀態(tài)下導(dǎo)線剛度大，增大導(dǎo)線跳躍的難度。非均勻脫冰位置越接近檔中，跳躍高度越大。在導(dǎo)線系統(tǒng)中，導(dǎo)線剛度在弧垂最低點(diǎn)最小，從檔中向兩端剛度逐漸增大。在復(fù)雜的線路中，因?yàn)榇嬖跈n距組合、剛度變化等的影響，脫冰跳躍高度最大點(diǎn)的位置有一定隨機(jī)性，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)最大跳躍高度脫冰段不在正中間的情況。王黎明[19]等建立3自由度導(dǎo)線模型，發(fā)現(xiàn)50%非均勻脫冰跳躍達(dá)到最大跳躍高度時(shí)，脫冰段的中點(diǎn)在0.4檔處。

1.3 脫冰組合

輸電線路中某一檔單獨(dú)脫冰導(dǎo)線跳躍的高度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于多檔同時(shí)脫冰的跳躍高度，也要大于孤立檔脫冰的情況。當(dāng)一檔發(fā)生脫冰時(shí)，未脫冰檔張力比脫冰檔導(dǎo)線張力更大，所以，兩檔之間出現(xiàn)不平衡張力，絕緣子串?dāng)[向未脫冰檔，此時(shí)懸掛點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生豎直向上的位移分量，也增大了檔中的最大跳躍高度；相鄰的未脫冰檔等效檔距減小，而線長未變，所以馳度增大，重力勢能減小，彈性勢能減小，較小的勢能均通過絕緣子串?dāng)[動(dòng)轉(zhuǎn)移到了脫冰檔上，加大了脫冰檔導(dǎo)線跳躍的最大高度。連續(xù)檔單獨(dú)一檔脫冰和相鄰檔之間存在耦合作用，會(huì)不斷通過絕緣子向脫冰檔傳遞能量，而孤立檔不存在檔間耦合，只有檔內(nèi)的彈性儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化。

1.4 高差

輸電導(dǎo)線存在兩側(cè)懸掛點(diǎn)有高差的情況，有高差線路的脫冰跳躍高度要比無高差線路更小。因?yàn)楫?dāng)線路存在高差時(shí)，脫冰檔中點(diǎn)的跳躍方向不僅有豎直向上的位移量，也有沿線方向的位移量，即斜向上跳起，并且其運(yùn)動(dòng)軌跡近乎為一條與該檔線路相垂直的直線。該直線和無高差時(shí)的直線長度接近，但由于無高差線路中點(diǎn)在理想狀態(tài)下不存在沿線位移分量，所以豎直方向的跳躍高度比之有高差時(shí)要更大，并且相差數(shù)值和高差角有關(guān)，當(dāng)高差較小時(shí)，高差對脫冰跳躍的影響也小。

1.5 檔距

檔距較小時(shí)，隨著檔距的增大，脫冰跳躍的高度呈線性增加；檔距比較大時(shí)，脫冰跳躍高度增加量減小，呈現(xiàn)飽和趨勢；檔距繼續(xù)增加，脫冰跳躍的高度反而開始慢慢減小，脫冰跳躍的高度隨檔距增大有一個(gè)峰值。造成這一現(xiàn)象的原因是檔距較小時(shí)，導(dǎo)線整體剛度較大，導(dǎo)線基本平行于地面，隨著檔距逐漸增加，導(dǎo)線馳度也在逐漸增加，因此，導(dǎo)線跳躍高度跟著增加，越來越接近存在的峰值。當(dāng)檔距超過一定限定值后，馳度非常大，導(dǎo)線張力的垂直分量比小檔距時(shí)增長顯著，甚至起到了妨礙導(dǎo)線跳躍的作用，造成了導(dǎo)線跳躍高度反而開始降低的局面。

1.6 風(fēng)速

線路在風(fēng)荷載的作用下，不同風(fēng)速會(huì)使導(dǎo)線發(fā)生不同水平的橫向擺幅。因此，脫冰跳躍前后的靜態(tài)位置時(shí)離地面高度都要比無風(fēng)時(shí)要高，當(dāng)輸電線路在風(fēng)中脫冰時(shí)，導(dǎo)線豎向的跳躍高度要比無風(fēng)時(shí)略有減小，并且風(fēng)速越大跳躍高度越小，但是總體而言差距并不大，可以認(rèn)為風(fēng)速對脫冰跳躍的影響很小，造成這一現(xiàn)象的原因是風(fēng)荷載作用在導(dǎo)線上造成導(dǎo)線風(fēng)偏會(huì)增大導(dǎo)線的剛度。不同于跳躍高度，風(fēng)速大小對脫冰造成的橫向擺幅影響很大，風(fēng)速越快橫向擺幅越大，并且脫冰時(shí)機(jī)對橫向擺幅的影響也非常大。李黎[20]等分析了導(dǎo)線處于不同風(fēng)偏距離下發(fā)生脫冰的各種狀況，結(jié)果表明當(dāng)脫冰檔達(dá)到最大風(fēng)偏時(shí)再發(fā)生脫冰能造成最大橫向擺幅。

1.7 脫冰速度

研究脫冰速度就是采用所謂的“unzipping”開拉鏈?zhǔn)矫摫绞?，現(xiàn)有的脫冰方案有3種：中間向兩側(cè)脫冰、兩側(cè)向中間脫冰和從一側(cè)向另一側(cè)脫冰，其中從中間向兩邊脫冰的動(dòng)力響應(yīng)最強(qiáng)，在進(jìn)行人工除冰時(shí)，應(yīng)該避開從中間開始除冰，最好按照兩邊向中間除冰。三者都是脫冰速度越快，脫冰跳躍的高度越高，導(dǎo)線動(dòng)態(tài)張力變化幅值越大，脫冰速度越慢，導(dǎo)線跳躍高度越低，導(dǎo)線動(dòng)態(tài)張力變化越平緩，當(dāng)脫冰速度極大時(shí)，跳躍高度和動(dòng)態(tài)張力變化的時(shí)程曲線和整檔同時(shí)脫冰基本一致。原因是雖然脫冰速度不同，但是最終的平衡位置是相同的，脫冰速度越慢越接近靜力卸載。

1.8 絕緣子串長

絕緣子串長對脫冰跳躍的高度有兩個(gè)方面的影響：一是導(dǎo)線脫冰跳躍過程中，脫冰檔與未脫冰檔之間出現(xiàn)張力差，絕緣子擺動(dòng)過程中掛點(diǎn)向上抬升，增加導(dǎo)線的跳躍高度，長絕緣子串比短絕緣子串轉(zhuǎn)動(dòng)更小的角度就可以讓兩檔的張力重新達(dá)到平衡。二是絕緣子擺動(dòng)的過程中，脫冰檔等效檔距增大，弛度減小，因此串長對等效檔距的影響非常明顯。串長過短時(shí)，懸掛點(diǎn)接近固定點(diǎn)懸掛，和鄰檔之間耦合小，接近孤立檔脫冰，所以跳躍高度不高。在檔距不變前提下，隨著串長的增加，脫冰跳躍的高度也慢慢增加，當(dāng)串長達(dá)到一定長度時(shí)，脫冰跳躍高度會(huì)趨于飽和。袁光輝[21]對絕緣子串長影響進(jìn)行了數(shù)值仿真，結(jié)果是無絕緣子串時(shí)跳躍高度峰值為2.89m，串長3m時(shí)高度為17.51m，串長6m時(shí)高度基本沒變?yōu)?7.61m。研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)檔距不大時(shí)，串長對脫冰高度基本上沒有影響；當(dāng)檔距較大，串長大的絕緣子串跳躍高度略有增加：800m檔距時(shí)，串長10m的導(dǎo)線跳躍高度12.62m，串長15m導(dǎo)線跳躍高度為13.55m，串長20m跳躍高度為14m。

1.9 其他因素

除上述影響因素外，脫冰跳躍還和許許多多的因素有關(guān)。例如，導(dǎo)線截面積越大，脫冰跳躍的高度越低。因?yàn)榇蠼孛娣e導(dǎo)線比之小截面積導(dǎo)線剛度更大，因此脫冰跳躍的高度更小。連續(xù)檔線路中檔脫冰時(shí)，由于線路之間的耦合作用所以跳躍的高度隨檔數(shù)增加而增加，但是，當(dāng)檔數(shù)達(dá)到5～7檔時(shí)，跳躍高度飽和，檔數(shù)繼續(xù)增加跳高基本不增加。子導(dǎo)線分裂數(shù)量對脫冰跳躍基本上沒有影響等。需要注意的是，上述所有分析結(jié)果都是在保證討論因素外的均保持一致而得到的，在實(shí)際線路中需要將所有影響因素綜合考量。

2.脫冰跳躍的防治措施

脫冰跳躍會(huì)在電氣和力學(xué)兩個(gè)方面對輸電線路造成嚴(yán)重的危害，脫冰跳躍的防治措施研究從來沒有停止。脫冰跳躍的防治可以從兩個(gè)角度展開：未建設(shè)的線路規(guī)劃設(shè)計(jì)防范、已有線路的治理。

2.1 線路設(shè)計(jì)規(guī)劃

在輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)劃階段，脫冰跳躍的防治手段主要有兩種：一是避開覆冰區(qū)域，從根本上避免脫冰跳躍發(fā)生的可能性；二是改變輸電線路設(shè)計(jì)，提高桿塔強(qiáng)度，使脫冰跳躍不會(huì)造成線路斷線倒塔和閃絡(luò)。

避開覆冰區(qū)。影響輸電線路覆冰的因素有很多，例如，溫度，導(dǎo)線溫度低于0℃；空氣濕度，空氣相對濕度需要高于85%；風(fēng)速，觀察和研究表明，無風(fēng)和風(fēng)速很低時(shí)，導(dǎo)線也不會(huì)發(fā)生覆冰。在條件可以的情況下，輸電線路應(yīng)該避開高海拔山峰、埡口等容易覆冰的地區(qū)。

改變線路設(shè)計(jì)。在力學(xué)方面，根據(jù)2008年冰災(zāi)事故調(diào)查報(bào)告分析，大檔距、大小檔、大高差的線路發(fā)生脫冰跳躍時(shí)最容易產(chǎn)生不平衡張力而引起斷線倒塔。桿塔位置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量設(shè)計(jì)成均勻檔距，大檔距、大高差大小檔線路不平衡張力大小需要進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算；可以適當(dāng)放松導(dǎo)線，提高過載荷能力；加強(qiáng)桿塔等。

在電氣方面，脫冰跳躍會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線碰線和相間距離過近，發(fā)生閃絡(luò)、保護(hù)裝置動(dòng)作跳閘等事故。輸電線路導(dǎo)線排列方式和位置需要嚴(yán)格設(shè)計(jì)，發(fā)生脫冰跳躍時(shí)能夠保留足夠的電氣間隙。

2.2 線路脫冰治理辦法

2.2.1 防冰環(huán)

防冰環(huán)是一種結(jié)構(gòu)簡單的環(huán)狀防脫冰跳躍裝置，在電線周圍卡接防冰環(huán)形成凸起，當(dāng)覆冰較薄時(shí)，導(dǎo)線只會(huì)在相鄰兩個(gè)防冰環(huán)之間出現(xiàn)一段冰層無法使整檔線路形成長段覆冰；覆冰較厚掩蓋防冰環(huán)時(shí)，也可以使導(dǎo)地線上的冰層分段脫冰，避免整檔同時(shí)脫冰造成的劇烈張力變化和跳躍高度。

防冰環(huán)的原理可以從導(dǎo)線振動(dòng)和受力分析兩個(gè)方面來理解：線路振動(dòng)時(shí)，會(huì)形成無數(shù)的波腹和波節(jié)，而波節(jié)處在會(huì)反復(fù)受到曲折的動(dòng)態(tài)應(yīng)力影響，覆冰處導(dǎo)線剛度較大波節(jié)處會(huì)因?yàn)榍蹌?dòng)態(tài)應(yīng)力導(dǎo)致覆冰破裂；波腹處受到的慣性力最大，而導(dǎo)線和冰層的剛度不同。冰層粘結(jié)在導(dǎo)線表面，冰層與相鄰兩個(gè)防冰環(huán)之間的摩擦力與防冰環(huán)外側(cè)冰受到的相互作用剪切力等于冰的重力。當(dāng)摩擦力小于防冰環(huán)外的冰層最大剪切破壞力時(shí)，兩個(gè)防冰環(huán)之間的覆冰將會(huì)脫落。

2.2.2 粘彈鉛芯阻尼器

粘彈鉛芯阻尼器由鋼板、高分子粘彈性材料和鉛芯組成。粘彈鉛芯阻尼器依靠粘彈性材料和在鐵塔發(fā)生較強(qiáng)振動(dòng)時(shí)能夠通過鉛和粘彈性材料的剪切滯回變形耗能機(jī)制耗散能量，達(dá)到降低振動(dòng)幅值的能力。

李黎[22]等安裝粘彈鉛芯阻尼器進(jìn)行了多種脫冰工況的數(shù)值仿真，結(jié)果表明粘彈性鉛芯阻尼器的減震效果顯著，減震率達(dá)到28.8%以上。減震率計(jì)算公式定義為：

式中，α為減震率，x0為未安裝阻尼器時(shí)的位移量，x1為安裝阻尼器后位移量。

2.2.3 相間間隔棒

相間間隔棒安裝于線路兩相導(dǎo)線之間，可以有效控制相間距離。若三相從上向下排列，最下相可以采用絕緣子加拉線的方式與大地相連，這樣當(dāng)線路發(fā)生脫冰跳躍時(shí)也可以使導(dǎo)地線之間保持安全距離。

王黎明[23]等模擬了不同組合的相間間隔棒安裝組合，結(jié)果表明脫冰過程中相間距離能有效保持安全距離并且間隔棒和金具的受力能力完全能滿足使用。

2.2.4 加強(qiáng)懸垂線夾緊固螺栓

《GB/T 2314-2008電力金具通用技術(shù)條件》規(guī)定各種冰區(qū)導(dǎo)線型號(hào)的不平衡張力與導(dǎo)線拉斷力占比規(guī)范。如果脫冰跳躍產(chǎn)生的不平衡張力使導(dǎo)致導(dǎo)線在線夾內(nèi)發(fā)生滑移，說明設(shè)計(jì)規(guī)格不能滿足事故線路的運(yùn)行條件，此時(shí)可以考慮將懸垂線夾適當(dāng)加強(qiáng)，更換緊固螺栓，同時(shí)，施工時(shí)保證達(dá)到緊固力要求。

2.2.5 其他辦法

除上述辦法外，脫冰問題的治理措施還有很多種：（1）加密子導(dǎo)線間隔棒。對于分裂導(dǎo)線比常規(guī)線路安裝了更多的間隔棒，子導(dǎo)線脫冰時(shí)影響更小。（2）直線塔改耐張塔。耐張塔可以有效地減小脫冰跳躍對導(dǎo)地線、絕緣子金具串等影響。（3）I串改V串。據(jù)相關(guān)資料，一定條件下，重冰區(qū)采用懸垂V串，導(dǎo)線脫冰跳躍時(shí)穩(wěn)定性好。（4）加裝重錘片。加裝重錘片減小絕緣子串的擺動(dòng)幅度，防止動(dòng)態(tài)張力對絕緣子串和金具的損壞等。

3.存在問題及未來研究方向

本節(jié)希望可以對輸電線路脫冰跳躍的影響因素及防治措施進(jìn)行了分析，給出存在的問題和未來發(fā)展方向，旨在更好地對輸電線路脫冰問題進(jìn)行防范和治理。

設(shè)計(jì)線路路徑有很大局限性，因此有必要加強(qiáng)線路覆冰狀態(tài)的監(jiān)測，特別是脫冰跳躍受災(zāi)高發(fā)區(qū)，使用傳感器技術(shù)和信息技術(shù)、人工除冰等手段把災(zāi)害消滅在萌芽中。

雖然目前對于脫冰跳躍災(zāi)害的治理手段有很多，但每一種都存在著一定的缺陷?，F(xiàn)有的粘彈鉛芯阻尼器尺寸較小，提供的阻尼力非常有限；相間間隔棒的組合安裝方式需要經(jīng)過嚴(yán)格的模擬計(jì)算，安裝位置不好會(huì)使防治效果很差，并且可能會(huì)增加舞動(dòng)和次檔距振蕩的風(fēng)險(xiǎn)等。治理工具的最佳使用場景需要進(jìn)一步研究，并且繼續(xù)研發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)的脫冰治理用具和手段。

4.結(jié)語

國內(nèi)外對脫冰跳躍的研究表明：影響脫冰跳躍的因素很多，需要結(jié)合實(shí)際情況分析；脫冰災(zāi)害的防治措施研究需要從未建設(shè)的線路規(guī)劃設(shè)計(jì)防范、已有線路的治理兩個(gè)方面入手。目前，脫冰跳躍防治手段均存在局限性，新的治理手段和用具需要進(jìn)一步研究。