架空電力輸電線路安全運(yùn)行的探討

中國(guó)航天建設(shè)集團(tuán) 趙侃坤

1 架空電力輸電線常見故障

1.1 雷擊造成線路中斷

架空輸電線路所在的高度導(dǎo)致其在自然條件下易受雷擊侵襲，其造成的過電壓分為兩種，一是雷電發(fā)生在架空線路附近，二是雷電直接作用在架空線路上。電力輸電線路雖設(shè)置有絕緣層、絕緣子等保護(hù)性措施，但線路本身由金屬材料制成，雷電形成的強(qiáng)烈電磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致輸電線路上產(chǎn)生過電壓，線路上的絕緣層在長(zhǎng)期使用過程中會(huì)出現(xiàn)相對(duì)薄弱的點(diǎn)位，過電壓會(huì)將這些薄弱點(diǎn)擊穿。過電壓同時(shí)會(huì)進(jìn)一步引發(fā)導(dǎo)線上的過電流，巨大的電流作用在本身就存在一定阻值的金屬導(dǎo)線上，短時(shí)間內(nèi)就會(huì)在導(dǎo)線上產(chǎn)生大量熱量甚至直接引燃絕緣層。

以10kV架空線路為例，過電壓會(huì)引發(fā)絕緣子及其下方的金屬橫擔(dān)出現(xiàn)閃絡(luò)，此時(shí)絕緣保護(hù)失效，短路通路形成，工頻續(xù)流最終將導(dǎo)致線路跳閘或?qū)Ь€熔斷。如雷擊閃絡(luò)沒有損壞線路、僅是造成絕緣子閃絡(luò)，當(dāng)過程結(jié)束后被擊穿的空氣又會(huì)迅速占領(lǐng)原有的空間并形成絕緣環(huán)境，這種情況下重新合閘基本上都能成功。

1.2 線路覆冰

在長(zhǎng)距離的架空輸電線路中桿塔間存在較大跨度，電力輸電線路的芯線大多以重金屬制作而成，自重非常大，大跨度的線路受到重力作用對(duì)桿塔產(chǎn)生強(qiáng)大的拉應(yīng)力。在降雨、降雪后，低溫作用導(dǎo)致線路、絕緣子及其他部位上產(chǎn)生厚重的覆冰，由此增加了線路及桿塔承擔(dān)的負(fù)荷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致金屬導(dǎo)線受力變形甚至斷股。覆冰在風(fēng)力作用下部分脫落，突然的重力變化引發(fā)導(dǎo)線跳躍，這種突然的應(yīng)力變化增加了桿塔和導(dǎo)線的變形風(fēng)險(xiǎn)。另外覆冰本身也具有形態(tài)和體積，導(dǎo)線部署在野外空曠環(huán)境下很易受到風(fēng)力的作用，結(jié)冰的導(dǎo)線形成了更大的受力面積，強(qiáng)風(fēng)使其在空中大幅度舞動(dòng)，這也是使導(dǎo)線受損的常見原因?？梢姼脖鶎?duì)導(dǎo)線、桿塔、絕緣子及桿塔上的金具都會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響和損壞，威脅架空線路安全運(yùn)行。

1.3 線路污閃

發(fā)生這種情況存在三個(gè)先決條件：較高的運(yùn)行工頻電壓；起到絕緣保護(hù)的絕緣子表面覆蓋了大量的污染物，如鳥糞、灰塵等；污染物在降雨、降雪、霧氣、潮氣的作用下吸收了大量的水分，成為可導(dǎo)電的介質(zhì)。線路受到污染后最直接的后果是引發(fā)大面積的跳閘，原因是同一個(gè)區(qū)域內(nèi)的絕緣子類型基本一致，而降雨、霧氣、降雪、覆冰等可造成線路絕緣子污染的情況通常覆蓋面較大，一次性會(huì)影響一個(gè)區(qū)域內(nèi)大量的絕緣子，此時(shí)如某一處引發(fā)了跳閘，即使重新合閘成功電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性依然難以保障，因?yàn)槠渌慕^緣子也受到了污染，隨時(shí)可能引發(fā)跳閘。故此，當(dāng)線路存在污閃的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，要對(duì)區(qū)域內(nèi)受天氣影響的其他絕緣子統(tǒng)一進(jìn)行檢查和處理，否則無法保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.4 外力破壞

違章的工程建設(shè)造成線路中斷。在道路施工、橋梁施工或者其他類型的施工活動(dòng)中，有些施工企業(yè)在管理過程中并沒有完全按照規(guī)范辦理作業(yè)票據(jù)或超過規(guī)定范圍施工，進(jìn)而造成電力基礎(chǔ)設(shè)施被破壞，典型的情況包括挖斷電纜、破壞桿塔基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。還有些是因從高空拋下物體直接擊打在電力輸電線路上，進(jìn)而引發(fā)線路中斷。

建筑物或者樹木干擾電力輸電線路。架空輸電線路本身帶電，且由其產(chǎn)生的工頻電磁場(chǎng)還會(huì)對(duì)人體形成一定的輻射作用，為了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及避免電磁輻射對(duì)人體造成危害，建筑物選址要和電力輸電設(shè)施保持足夠的安全距離，然而有些建筑物違章建造，安全距離不符合國(guó)家規(guī)范的要求。另外樹木也是干擾電力架空線路的常見因素之一，有些樹木生長(zhǎng)速度非?？欤瑯涔诘牟粩鄶U(kuò)大會(huì)對(duì)架空線路形成外力作用；垃圾異物或人的活動(dòng)也會(huì)干擾破壞電力輸電線路。如焚燒垃圾或農(nóng)作物秸稈損害電力設(shè)施、氣球和風(fēng)箏等漂浮物落在輸電線路上，這些情況都可能引發(fā)電力線路跳閘。

1.5 鳥類危害

鳥類普遍具有筑巢的行為習(xí)慣，通常情況下鳥類將巢穴安置在樹木的枝杈上，但也有些鳥類會(huì)將巢穴筑在電力桿塔上，鳥類筑巢后其排泄的糞直接落在桿塔的絕緣子、金具及橫擔(dān)等位置，在潮濕、大霧、下雨或下雪的情況下鳥類糞便成為導(dǎo)體，極易引發(fā)絕緣子閃絡(luò)跳閘事故。我國(guó)對(duì)自然環(huán)境的保護(hù)力度逐年加大，并通過植樹造林活動(dòng)不斷增加森林覆蓋率，鳥類的繁衍活動(dòng)也因此變得更加頻繁，有些鳥類還屬于國(guó)家級(jí)保護(hù)動(dòng)物，如在桿塔上筑巢須采取安全移除的措施。根據(jù)歷年來的統(tǒng)計(jì)資料，由鳥類造成的電路輸電線路故障已排到所有故障類型前三位。

1.6 風(fēng)力因素

架空輸電線路部署在高空，尤其是特高壓、超高壓線路工頻電磁場(chǎng)效應(yīng)更為突出，考慮到控制電磁輻射的需求，這類線路通常都部署在較高的位置，而高空位置的風(fēng)力作用非常顯著，線路在其作用下會(huì)不斷擺動(dòng)，再加上自重影響，易因過大的負(fù)荷而形成機(jī)械性損害。由風(fēng)力作用引發(fā)的故障類型常見如下：風(fēng)偏故障。架空線路在重力作用下自然垂直于地面，但受到風(fēng)力影響線路會(huì)發(fā)生位置偏離，此時(shí)有可能在導(dǎo)線間引發(fā)相間放電問題，另外拉應(yīng)力的變化導(dǎo)致導(dǎo)線和線路固定連接部位產(chǎn)生放電也是非常突出的一類問題；線路舞動(dòng)。當(dāng)風(fēng)向不穩(wěn)定時(shí)輸電線路在其作用下左右搖晃，由此產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用在桿塔之上，增加了桿塔變形、倒塌風(fēng)險(xiǎn)。另外高壓輸電線路的舞動(dòng)也會(huì)大幅增加閃絡(luò)的概率，金具、螺栓等用于固定線路的結(jié)構(gòu)在這些應(yīng)力的作用下也會(huì)逐漸掉落。

1.7 設(shè)計(jì)缺陷

電力架空輸電線路是在地面上設(shè)置桿塔基礎(chǔ)，然后通過吊裝、組裝、放線等操作完成施工，輸電線路在設(shè)計(jì)規(guī)劃階段要對(duì)其地質(zhì)條件、周邊建筑物和道路的規(guī)劃方向、農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響等做出全面系統(tǒng)的評(píng)估。如，要判斷周邊是否存在泥石流、滑坡、軟土地質(zhì)等不利因素，地質(zhì)勘察是排除這些不利影響的主要舉措。另外電力輸電線路跨度都很長(zhǎng)，前期的規(guī)劃階段還需考慮后期是否存在道路、橋梁、管道施工等因素的干擾。如前期調(diào)查規(guī)劃階段沒有充分考慮到這些因素，在后期使用過程中就可能引發(fā)各種問題。因此在設(shè)計(jì)規(guī)劃階段應(yīng)做好技術(shù)調(diào)研工作，一方面規(guī)避不利的自然因素，另一方面也應(yīng)充分考慮到基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)或人為活動(dòng)造成的干擾，提前加以預(yù)防。

2 架空電力輸電線路安全運(yùn)行策略

2.1 合理設(shè)計(jì)電力輸電線路

路徑選擇。在規(guī)劃電力架空輸電線路的路徑時(shí)要綜合考慮經(jīng)濟(jì)節(jié)約、維護(hù)便捷、安全可靠等需求，通過嚴(yán)格的地質(zhì)勘察活動(dòng)掌握周邊的水文信息、山體信息、地下水信息及森林資源信息等，通過合理的設(shè)計(jì)來預(yù)防各類地質(zhì)災(zāi)害對(duì)輸電線路造成的干擾。我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)活動(dòng)非常活躍，高鐵、高速公路、大型機(jī)場(chǎng)的建設(shè)需求始終保持在相對(duì)旺盛狀態(tài)，會(huì)在一定程度上干擾到電力線路，因此在線路規(guī)劃階段要結(jié)合具體的工程建設(shè)方向做好前瞻性的預(yù)測(cè)。從經(jīng)濟(jì)性的角度看，線路越短越好，并要盡可能減少轉(zhuǎn)角、彎折之類的設(shè)計(jì)，規(guī)避復(fù)雜的施工條件。

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。電力設(shè)施的桿塔建立在鋼筋混凝土基礎(chǔ)上，現(xiàn)階段的電力工程建設(shè)中基本上都是采用樁基礎(chǔ)，以預(yù)制或現(xiàn)澆的方式建造桿塔的混凝土樁基。樁基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、強(qiáng)度和耐久性對(duì)電力輸電線路的安全運(yùn)行起到非常關(guān)鍵的作用。桿塔基座體積較大，在澆筑或預(yù)制的過程中易因溫度控制不到位或養(yǎng)護(hù)不到位而差生裂縫，進(jìn)而在后續(xù)的使用中影響輸電線路的正常運(yùn)行。應(yīng)嚴(yán)格檢查桿塔混凝土基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)完整性、預(yù)留螺栓的長(zhǎng)度，確保其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

桿塔選型。目前國(guó)內(nèi)使用的輸電線路桿塔分為兩種類型，一是體型較大的鐵塔，主要用于輸送主干線路，其高度和重量都較大。在城市或鄉(xiāng)村的道路兩側(cè)部署了大量的預(yù)置鋼筋混凝土桿，整體高度較低。桿塔的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)形態(tài)直接決定了其對(duì)架空線路的承載能力，尤其是在考慮風(fēng)力、重力載荷、覆冰等因素的情況下，應(yīng)該充分評(píng)估桿塔的性能是否滿足使用的需求。

2.2 預(yù)防雷擊斷線的技術(shù)措施

設(shè)置護(hù)纜導(dǎo)電帶。主要作用是預(yù)防潮氣或雨水等進(jìn)入導(dǎo)體芯線，同時(shí)導(dǎo)電帶本身也具有良好的導(dǎo)電性能，和線纜間可產(chǎn)生較大的接觸面積，其對(duì)雷電產(chǎn)生的高溫作用也能也能產(chǎn)生良好的耐受力；一夾通引弧金具。這種裝置由引弧球、接地環(huán)、通用夾線等組成，其優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)自鎖。中和球具備預(yù)防氧化、可中和正負(fù)電荷的作用。其中的引弧球以金屬材料制作而成，本身就具備良好的耐高溫性能，在遭受雷電沖擊的情況下也不易燃燒，進(jìn)而對(duì)輸電系統(tǒng)產(chǎn)生了良好的保護(hù)作用。

消弧棒。在遭受雷擊的情況下輸電線路上有可能產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的電弧作用，消弧棒以耐腐蝕、耐高溫、導(dǎo)電性能出色的材料制造而成，可以起到良好的消弧作用，其主要構(gòu)成部分包括引流板和消弧球；接地棒。輸電線路的桿塔上必然會(huì)設(shè)置避雷針，在遭受雷電作用時(shí)通過專門的接地線將電流導(dǎo)入到地下，接地線的材料為銅包鋼，在地面下50cm深度處挖設(shè)出專門的接地溝，在其中敷設(shè)出接地網(wǎng)，然后再將桿塔上引下的銅包鋼和接地線連接在一起形成完整的接地網(wǎng)。銅包鋼的最外層設(shè)計(jì)有導(dǎo)電性能優(yōu)異的銅材料，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)良好的導(dǎo)電性能，在雷擊情況下起到顯著的保護(hù)作用。在上技術(shù)措施的支撐下，電力輸電線路可達(dá)到較好的防雷擊故障效果。

2.3 加強(qiáng)電力輸電線路巡檢，及時(shí)處理潛在故障隱患

日常的巡檢工作對(duì)及時(shí)消除一些潛在的電力輸電故障具有重要的作用：通過巡檢活動(dòng)消除鳥類的干擾。鳥類的筑巢活動(dòng)是比較常見的干擾性因素，鳥類會(huì)在電力輸電設(shè)施上產(chǎn)生大量糞便排泄物，這些污染物吸收水分后即可導(dǎo)電，進(jìn)而破壞絕緣子的功能、導(dǎo)致其閃絡(luò)，在日常巡檢過程中要及時(shí)清除桿塔上的鳥巢和鳥糞；消除樹木或違章建筑的干擾性作用。樹木的生長(zhǎng)速度非?？?，特高壓、高壓輸電線路部署在桿塔上，距離地面高度較大，不太可能受到樹木或違章建筑干擾。而隨著城市和鄉(xiāng)村道路布置的輸電線路也非常多，此類線路距離地面高度較小，隨著樹木生長(zhǎng)或違章建筑的建設(shè)會(huì)受到嚴(yán)重干擾，日常巡檢中還要處理樹木和違章建筑方面的問題。

城市建設(shè)活動(dòng)需求非常頻繁，居民住宅、道路、地下設(shè)施等都會(huì)產(chǎn)生大量的動(dòng)土作業(yè)和吊裝作業(yè)，機(jī)械設(shè)備誤觸、物體跌落等都可能損壞電力輸電線路，進(jìn)而導(dǎo)致故障停電。相關(guān)部門應(yīng)形成聯(lián)合管理模式，通過制度措施加強(qiáng)對(duì)工程建設(shè)的監(jiān)督，防止因不規(guī)范的操作而破壞線路、桿塔、混凝土桿或混凝土基礎(chǔ)。

2.4 處理覆冰問題的技術(shù)措施

設(shè)計(jì)層面的預(yù)防措施：覆冰是一種常見自然現(xiàn)象，難以通過技術(shù)手段避免架空線纜上出現(xiàn)覆冰。造成的最直接危害是增加了輸電線路負(fù)重，如其耐受力不足會(huì)導(dǎo)致機(jī)械性的受損，如導(dǎo)線斷股。在經(jīng)常出現(xiàn)低溫冰凍、降雪的地區(qū)應(yīng)提高導(dǎo)線和桿塔的承重能力，使其在覆冰的情況下也不會(huì)出現(xiàn)機(jī)械性的損傷。

消除導(dǎo)線上覆冰的技術(shù)措施：電流溶解法。電力輸電線路本身存在一定的電阻值，如適當(dāng)增加負(fù)荷電流，根據(jù)焦耳定律線路運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量也會(huì)更加明顯。因此在線路覆冰情況下可通過增大電流的方式適當(dāng)提高其放熱量，進(jìn)而借助這些熱量溶解導(dǎo)線上的覆冰，但電流不能過大，否則會(huì)影響線纜的安全性；機(jī)械除冰法。如覆冰情況非常嚴(yán)重，通過電加熱法難以在短期內(nèi)有效的處理覆冰，此時(shí)也可考慮機(jī)械除冰的方式，先對(duì)相關(guān)線路實(shí)施停電操作，然后再手持工具除冰，這種作業(yè)方式的最大缺點(diǎn)是要斷電。除人工之外和可采用滑車式除冰器。

2.5 構(gòu)建高效率的線路巡檢模式

國(guó)內(nèi)在電力管理中積極構(gòu)建信息化、智能化的平臺(tái)，借助電力大數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)電壓、電流、負(fù)荷等各類關(guān)鍵參數(shù)實(shí)施全面的監(jiān)控，管理人員借助信息化平臺(tái)觀察這些參數(shù)的走勢(shì)和趨勢(shì)，并借此來判斷系統(tǒng)是否存在隱患。如，當(dāng)電力輸電線路的載荷異常升高時(shí)線路上的電流、發(fā)熱量也會(huì)隨之增長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)可引發(fā)線路故障。可根據(jù)實(shí)時(shí)的電力大數(shù)據(jù)掌握可能發(fā)生故障的區(qū)段、分析潛在成因，進(jìn)而實(shí)時(shí)維護(hù)和保養(yǎng)。在電力線路巡檢工作中積極引入無人飛行器之類的工具，人工巡檢模式在當(dāng)前的時(shí)代背景下呈現(xiàn)出效率低下的缺陷，無人飛行器借助高精度的攝像機(jī)對(duì)線路覆冰、桿塔受損、鳥巢等情況實(shí)施檢查，進(jìn)而提高巡檢工作的效率。