电线电缆抗风雪防冰冻的设计探讨

2015-10-31马俊香

中国科技纵横 2015年15期

关键词：电线电缆风雪冰冻

马俊香

（安徽华能电缆集团有限公司，安徽无为　238371）

电线电缆抗风雪防冰冻的设计探讨

马俊香

（安徽华能电缆集团有限公司，安徽无为238371）

2008年初，我国南方和西北方遭遇50年来罕见的灾害天气，持续的低温雨雪、冰冻给贵州、湖南等16个省市的生产和生活带来了严重影响。由于受风雪冰冻导线或电缆表面大量覆冰，多地线路出现断线，部分线路甚至出现倒塔等事故。文章通过对08年我国历史罕见的低温雨雪、冰冻灾害分析，提出抗风雪防冰冻电线电缆的设计分类、并探讨列举常见抗风雪防冰冻电线电缆结构、原理，及有关试验方法。

抗风雪防冰冻要求设计试验

1　前言

2008年初，我国南方和西北方遭遇50年来罕见的灾害天气，持续的低温雨雪、冰冻给贵州、湖南等16个省市的生产和生活带来了严重影响。由于受风雪冰冻导线或电缆表面大量覆冰，多地线路出现断线，部分线路甚至出现倒塔等事故，造成500kV电网基本停运、220kV电网无法联网、部分地区全部停电，局部地区交通、电力陷入瘫痪。罕见的冰雪灾害给电网安全和电力供应带来了严峻考验，引起了全社会对电力线路的关注和重视，也相应要求提高电网抵御特大冰雪灾害能力和电网应急抗灾水平。

2　电线电缆线路的抗风雪防冰冻要求

一般来说，普通电力线路是按15年一遇的抵御冰雪灾害能力而设计，允许承受10-20毫米表面覆冰或雪的厚度，如果超出承载力，风吹震荡，电力线路极易不胜重荷而断裂。为提高电网抵御特大冰雪灾害能力，提升电网应急抗灾水平，国家电网公司全面提高电网设计建设标准，具体如下：110～330千伏电网设防标准由15年一遇提高到30年一遇，500千伏电网设防标准由30年一遇提高到50年一遇，750千伏电网设防标准为50年一遇，正在建设的特高压工程设防标准按100年一遇考虑。除了参考国家建筑结构设计规定，提高电网设防抵抗灾害能力标准外，还有其它要求，分别是新增中冰区设计技术条件，坚持可靠性和经济性兼顾，合理提高电网大范围抗冰能力；通过差异化规划设计，在发生超过一般线路设防标准的严重自然灾害情况下，能够保持特高压电网、核心网架、大型发电厂输出线路、跨国跨区联网输电线路等重要线路的安全稳定运行等。

图1　自阻尼导线

图2　低风压电线

为进一步提供电网防灾减灾和科学发展的科技支撑，《电网防冰减灾关键技术研究计划》主要在下面几个方面进行研究：一是研究提出差异化的电网规划建设标准，进一步提高战略性输电通道、各电压等级骨干线路和向重要用户供电的输变电设施的抵御冰灾能力；二是研究开发大电网应急通信系统和应急指挥技术支持系统，进一步提高应急保障和指挥能力；三是研究灾害气象规律和输变电设备覆冰机理，开发冰灾气象预警和输电线路覆冰监测系统，进一步增强覆冰综合治理能力；四是研究开发大容量、高效率、自动化的电气融冰装置和灵活实用的机械除冰装置，进一步提高输变电设备除冰效率；五是研究开发用于电气设备的防冰冻、除覆冰的新技术、新材料，防止或减少电气设备覆冰等。

上述计划也给作为电网关键部分的电线电缆，提出了相应的防冰减灾研究规划和要求。目前室外架空线路主要包括架空导线、架空绝缘线、架空通信电缆、各种进户线、配线和接触线等。对电线电缆的抗风雪防冰冻要求如下：一是按环境因素进行差异化设计，从电线电缆的抗灾害强度方面满足抗风暴、耐冰冻、受雨雪及其它灾害的能力；二是针对相应的风雪冰灾害机理，研发能够自动调节灵活实用的抵御或减轻风雪冰灾害的电线电缆；三是改变电线电缆的结构设计，通过监测智能系统调节电线电缆的周界环境，自动融雪化冰；四是开展多层次的新材料、新技术以及相应试验方法的研究。

3　电线电缆的抗风雪防冰冻设计

3.1设计思路

根据电线电缆的抗风雪防冰冻要求，我们分别从电线电缆抗风冰雪载荷和电热融冰雪两个方面进行设计，从而全面提高电力线路、通信线路等抗冰雪灾害的能力。

3.2载荷型抗风冰雪电线电缆

图3　带翼状结构防冰雪电线电缆

载荷型抗风冰雪电线电缆主要是通过提高强度、增大容量、减小体积和重量、降低周界附着力等方面进行设计的，常见的有新型高强度轻型合金导线、自阻尼导线、低风压电线、防冰雪电线电缆等。

3.2.1新型高强度轻型电力导线

这类导线主体部分以耐热铝合金线，其中合金铝的电导率可达60%IACS，抗拉强度为160N/mm2，长期工作温度为160℃或以上，比相应普通导线的截流量提高近一倍。而载力部分主要由高强度碳纤维或合金碳钢来承荷，其中碳纤维复合线以其高抗张强度、低线膨胀系数、重量轻、耐腐蚀等优点而逐步被广泛推广应用。采用新型高强度轻型电力导线，其良好的自阻尼减振特性能够吸收较多的激振能量，可以更好地抗风雪等恶劣气候条件。

3.2.2自阻尼导线

自阻尼导线主要用于多风地带，其结构特点是在各个绞合层与层之间留有一定有间隙，自阻尼导线结构示意图见图1。当导线在风力状态下发现风舞振动时，由于各层导线的固有振动频率各不相同而相互干扰，能够自动抵消风舞振动的能量，达到减振轻荷的效果。这类导线的优点是，可以减少导线的疲劳应力，相应提高线路寿命和降低成本。

3.2.3低风压电线

低风压电线与普通电线相比，可降低30%-50%的风压载荷，其减小风载荷原理模拟高尔夫球的表面处理，使球表面形成涟漪来实现减小风载荷。该原理用来减小电缆表面所承受的风张力，电缆结构示意图见图所示2。

在强风地带，带有积雪的架空导线，通常会发生低频大振幅的自激振动，可能引起相间短路或对支持物的损害。此时用相间隔离器，可使各相导线的扭转风性各异，让积雪时的积冰雪形状不均，从而使作用于风上侧和风下侧的扬升力随机化，以抑制摆动。

3.2.4防冰雪电线电缆

在重冰雪地区，往往会由于电线电缆覆冰过重或冰雪过厚，而造成断线或倒杆的线路事故。比较常见的结构设计是采用带翼状结构和防雪环式。防雪环式导线，将防雪环装在导线上，当导线上的冰雪受风振而沿架空弧垂滑动时，因受防雪环而脱落。带翼状结构防雪电线电缆见图3所示，这种结构电缆利用积雪时出现的不平衡而反转，使得积雪滑落。由于周围环境的恶劣，一般与融冰式方法组合设计，防冰雪效果才能比较理想。

在防冰雪电线电缆的外表面涂上一层化学憎冰性涂料，也能减小冰雪对导线的附着力，起到防冰脱雪的作用。

3.3融冰雪式电线电缆

载荷型抗风冰雪电线电缆均靠电缆自身特性来达到抗风雪的目的。但在实际应用中，当周界环境恶劣多变时，载荷型抗风冰雪方式也无法满足要求。此时，必须利用辅助电热方式来融化冰雪。融冰雪电线电缆能够自动融冰除雪，广泛应用于重冰区的输电线路上，可避免由于导线覆冰或积雪过重引起的断线倒杆停电事故。

融冰雪式电线电缆有居里合金式、切换电流式、自控温式等多种型式。其中前两种方式只能用于电力线路中，而自控温式也能用于其他线路中。

3.3.1居里合金式融冰雪导线

居里合金是一种镍-铬-硅-铁四元合金，该合金在低温时具有磁性，在低温时放在交变磁场中便会产生涡流而发热融冰。通过这种合金的磁性改良，研发出高发热型融雪线材，将该合金线材紧密卷绕在电力线路或加工电力导线中，便能起到一定的融冰雪效果。当然该导线融冰雪的能力会受到设计材料和电网电流等方面的影响。

3.3.2切换电流式防冰雪导线

切换电流式防冰雪方法一般设计在钢芯铝绞线或合金线中，导线外部的铝芯与内部钢芯之间有一层耐老化的绝缘层，在正常情况下，电流通过铝线运行，当导线上面的温度降到零下，并构成结冰条件时，架设在杆塔构架上的传感器等电器元件控制相应切换开关，让部分电网电流经过钢芯，从而对导线加热而融化冰雪。融冰后仍通过传感器等电器元件，将全部电流再切换到铝线上，恢复正常运行。

3.3.3自控温式融冰雪电缆

自控温融冰雪有两种方式，一种是将自控温加热电缆紧紧敷设在电力或通信线路上，自控温加热电缆能够长期将线路温度稳定在融冰雪的周界环境中，该方式通常工作温度是固定的，一旦电缆制成后便不可改变，主要用于常年积雪的严寒地带。

另一种是伴热电缆，该电缆实质是一种带绝缘体的加热元件，通过电力电子器件控制加热元件的发热功率，从而控制其加热线路的温度，可以灵活地进行冰雪灾害预防。

4　抗风雪防冰冻电线电缆的试验要求

作为电线电缆，除了满足电缆本身功能性的电气和物理性能指标，加热型电缆还需进行功率、温度和抗老化寿命方面的试验。还得满足抗风防冻、耐环境等一些特殊试验，主要有风噪音、风压、电晕、难积雪、舞动、沙尘暴、抗冰冻、环境保护等方面的试验。

4.1风振试验

架空导线在稳定风流量的吹动下，会引起振动，导线的振动与风向、风速、导线外径、档距、海泼和环境因素有关。导线承受的动、静应力超过其疲劳极限，经过一段时间会发生断股现象。风振试验是利用电磁激振器模拟导线振动，根据IEEE相关标准激振频率在100Hz内，振动3×107后，将导线拆股查看有无开裂断股现象。风振试验能够反应架空导线材料和结构的抗振动疲劳性能。

4.2舞动试验

在风雨冰雪等自然条件下，导线承受低频率、大幅度的振动时，考核导线的传输性能和机械性能发生的变化。通常规定试验样品按架设档距固定，按标准施加张力，将激振频率调整到共振频率、连续舞动105次以上后，检查导线的机械电气性能的变化率。

4.3蠕变试验

蠕变试验考核架空导线承受水平张力状态下、由于结构变形和材料延伸而产生的缓慢轴向塑性变形。按照IEC 61395规定，架空电线电缆在规定负荷下，持续1000小时后，分点记录蠕变量，并绘出蠕变曲线，根据该曲线，推算出10年、20年后的蠕变量。

抗风雪防冰冻试验在电线缆方面仍需经过研究部门进行深入的研究试验，并在实际应用中进行验证和调整。