超高压、特高压线路防凝冻灾害的分析

2010-06-07赵全江黄欲成

电力建设 2010年2期

赵全江，黄欲成，李翔

（中南电力设计院，武汉市，430071）

0 引言

2008年初，我国南方大部分地区相继出现了持续大范围冰雪灾害天气，其影响范围大、持续时间长、涉及面广、危害严重，给我国南方地区的交通、电力、通信和人民生活带来极大影响。

由于输电线路覆冰严重，大大超过了原设计条件，致使多条输电线路铁塔、导线、绝缘子、金具等受到严重损坏[1-12]。针对本次凝冻灾害情况，应深入分析其特点和原因，从输电线路的设计、施工、运行和科研等方面找出薄弱环节，采取相应对策，提高电网抗击严重自然灾害的能力。本文主要针对超高压、特高压输电线路的防凝冻灾害设计进行分析研究。

1 杆塔事故原因分析

1.1 冰荷载超出杆塔承载能力

此次发生覆冰倒塔事故的输电线路设计覆冰厚度多为10～15 mm，而现场实际覆冰厚度大部分超过30 mm，甚至达到50～60 mm，且其比重大，一般约为0.9 g/cm3，冰载超过杆塔极限承载力。垂直荷载力及两侧不平衡张力共同作用使覆冰最严重处的杆塔先倒塌，形成破坏源，随后其冲击力拉倒两侧相邻的、本已承受严重冰载的杆塔（多时6基左右，少则2～3基），部分邻近杆塔出现塔头变形或基础损坏。

（1）罕见的覆冰气候是输电线路设备损坏和倒塔的最直接原因。低温持续时间长，湿度大，极易形成稳定的雨淞覆冰，特别是位于山顶、垭口等特殊微地形处的覆冰明显偏重且持续增长，长时间重荷下塔材屈服。

（2）过重冰荷使输电线路的薄弱部件首先损坏。此次覆冰密度大，地线的覆冰又比塔体、导线和绝缘子串上的大，冻积率较导线高。现场观测部分杆塔倒塌是由地线支架塌陷引发（如500 kV张长线129号塔于1月20日发生OPGW光缆断线事故，随后于1月25日发生中横担以上塔头扭断的事故），部分没倒的杆塔也出现了地线支架变形、损坏。地线支架重冰荷载明显超出设计值，成为杆塔最薄弱的环节。

（3）微地形、微气候条件及纵向张力差是覆冰倒杆的主要原因。倾倒的杆塔多在海拔较高或空气极度潮湿的山上，且覆冰越重形成的两侧不平衡张力也就越大，杆塔就更可能倾倒。倒塌杆塔多从塔颈处损坏，在拉力、压力的共同作用下，常是微地形、微气象特征最突出的1基先倒，相邻杆塔在冲击拉力的作用下连带损坏。

（4）导地线不均匀覆冰或不均匀脱冰使铁塔承受的纵向张力和扭力远远超过了其设计承受能力，造成铁塔倾覆或塔头折断，也是本次冰灾事故的主要原因之一。

1.2 绝缘子串覆冰严重造成频繁冰闪

2005年初华中地区出线2次大范围的冰闪跳闸，分别跳闸28条次和69条次。此次冰灾事故中，冰闪跳闸也时有发生，仅南方电网超高压输电公司所属曲靖局2008年2月13日统计结果：罗百II线发生2次冰闪跳闸、罗马线发生1次冰闪跳闸。历次冰闪跳闸的主要原因及影响因素为：

（1）空气污秽较重使冰闪跳闸易于发生；

（2）覆冰过厚致使爬距减小，绝缘子串耐压降低；

（3）绝缘子串型式明显影响冰闪发生率；

（4）冰闪与环境温度的变化直接相关。

1.3 导线舞动损坏部分线路设备

冰害事故的另一形式为大幅度导线舞动，主要原因是导地线不均匀覆冰后，在风的激励下产生低频率、大振幅自激振动。舞动时气温为0～6°C，导线覆冰厚度20～40 mm，风速为4～25 m/s，风向与线路走向夹角不小于45°。舞动使部分双串绝缘子相互碰撞，其冲击力使绝缘子球头断裂导致掉串。舞动幅值基本正比于风速。近几年导线舞动中因绝缘子球头断裂而掉串已发生多次，说明少量绝缘子球头存在机械强度缺陷。

2 事故线路的过载能力分析

2.1 事故线路情况

据不完全统计，南方电网超高压输电公司所辖500 kV线路因此次冰灾故障停运共计7条，线路倒塔86基（贵州境内60基、广西境内26基），严重损坏46基（贵州境内31基、广西境内15基），断线43处（贵州境内19处、广西境内24处）。现以其中比较典型的500 kV交流柳贺乙线为例进行分析，其工程设计情况如表1所示。

表1 500 kV交流柳贺乙线设计参数Tab.1 500kVAC Liu-He-Yi line design parameters

自2008年1月12日以来，广西持续低温冻雨天气，境内大部分地区发生了从1949年有气象资料以来最严重的覆冰灾害。

500 kV柳贺乙输电线路遭到一定程度的损坏，其中：121（N221）、122（N222）号塔发生倒塔事故；106（N206）、120（N220）、386（N540）号塔发生酒杯颈口以上倾覆事故；124（N224）、125（N225）号塔挂线横担弯曲。

2.2 导线过载能力

为校核导线在覆冰气象条件下的过载能力，分别计算导线弧垂最低点的最大应力达60%、80%和95%破坏应力时的相应覆冰厚度，如表2所示。导线应力达到95%破坏应力时的覆冰厚度称为“极限冰厚”。

表2 LGJ-400/35导线覆冰过载能力Tab.2 LGJ-400/35 conductor iced overload capability

本工程发生倒塔事故的N221、N222号塔耐张段，代表档距为670 m。考虑到导线悬点应力比弧垂最低点应力要大，经对其悬点应力进行计算，该段导线极限冰厚值为26.6 mm。而此次冰灾现场实际覆冰厚度多超过30 mm，甚至达到50～60 mm（折算到标准比重），覆冰厚度已远超过导线的极限承载能力。

2.3 地线过载能力

为校核地线在覆冰气象条件下的过载能力，分别计算最大应力达60%、80%和95%破坏应力时的覆冰厚度，如表3所示。从表3看出，地线承载力较强。

表3 GJ-80地线覆冰过载能力Tab.3 GJ-80 ground wire iced overload capability

2.4 绝缘子、金具的过载能力

500 kV柳贺乙线路工程导线耐张串采用双联240 kN绝缘子。当绝缘子机械强度的安全系数K=1时，对应于单根子导线的极限荷载为120 kN，而LGJ-400/35导线的破坏荷载为98.7 kN，因此绝缘子的过载能力是满足工程要求的。

对损毁的206号塔进行计算分析。该塔型为ZBV2-30，水平档距和垂直档距设计值为600 m和800 m，其实际值为576 m和616 m。使用的绝缘子串型为210 kN单联悬垂绝缘子串。当覆冰为20 mm时，绝缘子串所受垂直荷载为96.5 kN，小于210 kN。若按绝缘子实际荷载210 kN计算，对应的覆冰厚度可达39.4 mm。因此，可以看出所选用绝缘子的过载能力较强。

2.5 杆塔的过载能力

若不考虑纵向张力，直线杆塔具有较强的抗冰能力。湖南省电力勘测设计院曾对复沙I回19号ZB63铁塔进行过受力计算分析。该塔设计冰厚15 mm，在不考虑纵向张力时能够承受30 mm冰厚。不考虑纵向张力时，不同覆冰厚度模拟计算结果如表4所示。

表4 不考虑纵向张力时不同覆冰厚度模拟计算结果Tab.4 Different icing thickness calculation without longitudinal tension

当考虑纵向张力时，直线杆塔的抗冰能力较差，当导线覆冰25 mm时，不均匀覆冰纵向张力达到15%最大使用应力将导致铁塔破坏；当导线覆冰为30 mm时，不均匀覆冰纵向张力达到10%最大使用应力将导致铁塔破坏。

根据悬垂绝缘子串在事故前的偏斜值及梯级覆冰造成相邻档覆冰厚度的差值，计算出杆塔承受的不均匀覆冰纵向张力达到20～25 kN，相当于最大使用应力的14.3%～17.9%。实际覆冰已远超过杆塔的过载能力。

3 凝冻灾害及相关因素分析

覆冰是由非常复杂的天气过程和微物理过程相结合而形成，分为雾凇、雨凇、混合冻结等类型；而以混合冻结覆冰最普遍，覆冰量最大，对架空送电线路的危害也最严重。

3.1 电线的覆冰厚度

空气中的过冷雨滴、雾滴凝冻在导线上形成覆冰，通常将凝冻在导线上的覆冰圆环厚度称为冰厚，换算成标准冰密度（0.9 g/cm3）的冰厚称标准冰厚，计算成设计重现期的标准冰厚称设计冰厚。按现行相关设计规程规定，500 kV线路设计冰厚为离地20 m高、30年一遇的标准冰厚。

在2008年发生大面积覆冰倒塔事故地区，导、地线实际覆冰厚度大大超过设计覆冰厚度，例如：江苏境内设计冰厚10 mm地区事故冰厚达到22 mm；湖南境内设计冰厚15 mm地区事故冰厚达到40 mm以上；贵州境内设计冰厚40 mm地区事故冰厚甚至达到80 mm。

3.2 海拔高度及风向

海拔高程和风向夹角对电线覆冰存在较大影响。

在同一地形及天气条件下，一般海拔高程愈高愈易覆冰，冰厚也愈大，且多为雾淞；海拔高程较低处，其冰厚较小，且多为雨淞或混合冻结。随着高程的增加，覆冰厚度也随之增大。

在覆冰过程中，风对电线覆冰起着重要的作用，它将大量过冷却水滴源源不断地输向送电线路，与电线相碰撞，被电线捕获而迅速增大覆冰。当具备形成覆冰的温度和水气条件后，风速的大小和风向是决定覆冰大小最重要的参数。根据云南电力设计院观测数据，当风向与线路垂直时，覆冰厚度比风向平行线路时增大1.2～2.0倍；当风向夹角为45°时，东西向导线覆冰较重，南北向导线覆冰较轻。不同方位（南北及东西）导线的覆冰厚度相差l.28倍。

3.3 相对高差及连续上下山

连续上下山地段和相对突出地形，由于杆塔悬挂点相对高差较大，对杆塔正常运行工况不平衡张力存在较大影响。根据理论计算，直线杆塔构件通常由大风工况控制，在平原地区直线杆塔的抗冰能力较强，覆冰倒塔多发生在地形高差较大的山区或丘陵地带。

通常情况下，设计覆冰工况时导线不平衡张力取值为其最大使用应力的10%～20%，地线为20%～30%。前苏联《超高压架空线路机械部分设计》介绍，对于高山线路，直线杆塔在正常情况下应承受同侧3相导线和2根地线的张力差，推荐导线张力差取值如表5所示。

表5 前苏联推荐的正常情况下3相导线张力差取值Tab.5 3-phase conductor tension values under normal condition recommend by former USSR

相对高差对地线的垂直档距影响较大，在高差较大的地段，地线垂直档距往往大于导线。前苏联《超高压架空线路机械部分设计》中指出，地线的垂直档距应按其本身参数计算，不宜将导线和地线的垂直档距取值相同。

3.4 特殊地形及档距分布

在本次大规模冰灾事故倒塔中，有的塔位海拔高程并非很高。经过现场调查发现该地段周围地势平坦，线路从平地通过突出的山岭，塔位相对高差超过50 m，形成相邻大小档距，属于微地形特征。

线路在翻越高山区时，存在垭口、分水岭、迎风坡、小盆地等一些微地形，这种地形造成风速和水汽通量增大，导线能捕获更多的水滴，因而形成较其他地形更大的电线积冰。山顶、迎风坡的覆冰厚度是窄河谷和高地的2～4倍。

因此，线路经过相对突出高耸地形或相邻档距大小悬殊，宜按微地形处理，适当提高杆塔抗冰能力。

3.5 导线悬挂高度对覆冰的影响

导线覆冰厚度随电线悬挂高度增高而增加，原因主要有2个，首先，积冰时风速随高度增加而增大，水滴向电线的输送量越大，单位时间内覆冰厚度也越大；其次，积冰时空气含水量随高度而增加。在有雾时，雾中的含水量也是随高度增加的。

3.6 电线扭转对覆冰的影响

电线覆冰时的形状往往很不规则，有扇形、片形、椭园形和园形等，电线承受偏心荷重。由于其扭转角度与l2/d4（l为档距长度，d为导线直径）成比例，而l远大于d，故电线易扭转，这就便于在电线的各个侧面上更进一步积冰。

档距中央的扭转程度要比线夹附近大。随风运动的冷却水滴比较均匀地积聚到扭转电线的整个表面，而不像固定不扭转的线段那样覆冰主要积聚在迎风一侧。对比之下，线夹附近电线与气流平行的长径增长得快，与气流正交的短径增长得慢，迎风面积增加不多，冰重增长较慢；而档距中央长径、短径增长较均匀，与气流正交的迎风面积增加较多，冰重增长较快，质量较大。

3.7 设计冰厚与线路造价分析

设计覆冰厚度越大，线路工程造价越高。轻冰区设计冰厚每增加5 mm，线路工程造价静态投资相应增加1.13倍。而重冰区的造价明显提高，20 mm冰区的造价是l0 mm冰区的1.53倍，30 mm冰区的造价是10 mm冰区的2.09倍。

4 线路设计、建设改进建议

（1）设计标准的选取。提高现有输电线路覆冰设防标准，探讨500 kV线路覆冰重现期采用50年一遇的可行性和技术经济性。在对2008年冰灾调查分析的基础上，按不同的概率进行冰区划分，科学合理地绘制冰区分布图，对极端情况按验算条件复核杆塔强度。

（2）可研、初设阶段的路径选择。在线路设计的可研、初设阶段，选择合适的线路走廊，降低线路平均海拔，注意微地形的影响，尽量避免经过覆冰严重地段。在选择线路路径时应尽量避开重冰区，沿起伏不大的地形走线；尽量避免横跨垭口、风道和通过湖泊、水库等容易覆冰的地带；翻越山岭时应避免大档距、大高差；沿山岭通过时，宜沿背风或向阳面走线；应避免使转角点设立在突出开阔的山脊或分水岭上，转角角度不宜过大。

（3）对覆冰情况进行细致的调研工作，慎重划分气象分区。由于全球气候的变化，近年来全国很多地方均出现了少有的灾害性气象，需要注重与气象部门加强联系，充分掌握线路沿线气象条件。结合本次冰灾的特点，加强对不同地区和不同高程的覆冰厚度调查，提出相适宜的设计冰厚。

（4）增加中冰区设计条件及相应措施。为了提高杆塔的抗覆冰过载能力，同时处理好安全与投资的关系，在现行的设计规程和重冰区设计规定之间，增加10～20 mm中冰区设计条件。

（5）必要时增加线路验冰工况。增加验算条件，验算覆冰厚度可考虑25～35 mm。验算覆冰情况下，导线弧垂最低点的最大张力不超过其拉断力的70%。

（6）适当提高地线支架的抗冰能力。地线上的覆冰密度比塔体和绝缘子串上的大，冻积率较导线高。现场观测部分杆塔倒塌是由地线支架塌陷引发，部分没倒的杆塔也出现了地线支架变形、损坏，说明地线支架为杆塔的最薄弱环节。因此，应适当提高地线支架设计标准，地线覆冰宜比导线增加5～10 mm。

（7）采取差异化设计方法。建议在系统可靠性要求高以及电厂送出等重要线路上应提高抗冰设防标准。对两回及以上线路处于同一走廊区域的地段，至少考虑1条战略性保证线路，增加其设计冰厚，提高抗冰灾能力。

（8）尽快建立、完善观冰站系统，加强冰厚分析研究。结合2008年冰灾事故范围，针对不同地区、不同高程、不同地形特点设置覆冰观测站，全面收集和长期积累气象资料，为输电线路设计、运行维护提供基础数据。

（9）积极开展500 kV线路抗冰、防舞新技术研究。在总结220 kV线路的电流融冰技术和经验的基础上，研究500 kV线路融冰技术；研究包括导线覆冰状态的监测温度、湿度、覆冰厚度、积污、导线风偏等参数的综合在线监测及报警系统；研究防覆冰涂料和防覆冰导线等新材料，为今后防止大范围冰害事故提供必要的装置、设备和第一手资料。

试验研究不同覆冰状况、不同积污状态、不同绝缘子串型、不同插花布置的绝缘子串的冰闪特性以合理配置绝缘子，减少冰闪故障，深入研究500 kV倒V串绝缘子的机械受力特性和电气闪络特性。

研究采用滑动或有限握力悬垂线夹等技术措施，减少杆塔覆冰不平衡张力。

研究新型防舞器及安装位置的优化，进一步调研易舞区、易舞线段，归纳和分析诱发舞动的条件和参数以找出规律并采取对策。

为了及时准确地了解现场情况，开展利用红外仪观测电线、杆塔上的冰情和远程信息传输系统等新技术的研究，以便掌握电力线路上的冰情发展情祝，及时采取预防措施。

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