500 kV输电线路冰闪故障及治理分析

李如凰

摘 要：覆冰冰闪事故是我国输电线路建设中最常见的事故故障之一，它不但严重威胁了电力系统的安全常态运行，也造成了不可估量的经济损失。文章所针对的就是这种高压直流输电线路的主要故障，并基于某变电站500 kV输电线路作为背景，探讨了冰闪故障发生的原因、覆冰的状态类型，并提出了直流融冰技术对冰闪故障的治理过程。

关键词：冰闪故障；覆冰；500 kV输电线路；直流融冰

中图分类号：TM855 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）06-0078-02

冰闪故障是由于持续高幅值闪络泄漏电流融化冰层所造成的，在此过程中闪络频率应该与电压梯度呈现正比关系，而且闪络电压也与覆冰水电导率、覆冰类型、冰量以及气压都有关系。而再看输电线路的覆冰因素也涉及电路所处地形、地势、气候甚至季节等外界因素，因此冰闪故障的原理及发生状况是相当复杂的。

1 冰闪故障的起因解读

冰闪故障与输电线路上覆冰绝缘子的直流闪络特性有关，这是因为经研究表明闪络电压可以与输电线路覆冰绝缘子的覆冰水电导率、覆冰量、覆冰类型以及大气气压联系起来，而且由于直流闪络的梯度偏短，就使得闪络频率与电压梯度成正比关系，因此可以说闪络就是由于持续高幅值电流对冰层融化所造成的。关于冰闪故障的起因，下文给出了若干种解读。

1.1 输电线路融冰桥接线短路

融冰桥的接线短路可以从两方面来看，第一是由于输电线路结冰形成天然放电通道，第二则是由于线路融冰形成放电通道。因为在融冰过程中出现水导致电导率升高，因此冰闪电压就会呈现快速降低状态。

1.2 污 染

输电线路暴露在室外，经历各种气候变化，难免受到污染。当自然降水与绝缘子污秽相结合时，就会大幅度增加水与冰之间的电导率，最终导致绝缘子闪络的发生。

1.3 绝缘子结构

绝缘子结构类型也能对闪络发生产生影响。由于闪络是形成于放电通道的，尤其是对目前我国比较常用的径盘式瓷质绝缘子或玻璃绝缘子而言，它们的结构造型很容易形成冰雪融化或结冰时的桥接造型，它为冰闪闪络提供了天然的放电通道[1]。

2 覆冰的状态类型及其对冰闪的影响

覆冰是附着于超高压直流输电线路绝缘子串上的冰层，它主要被分为以下几种类型。

2.1 雨 凇

雨凇还被叫做“冻雨”，因为它是约-2～3 ℃的过冷水构成的，在与绝缘子直接接触后就形成了覆冰。雨凇具有结冰密实度与透明度高的特点，它会为绝缘子串形成一层厚厚的“冰盔甲”，可以达到1 cm3/g的结冰量。曾有相关资料统计显示，雨凇所形成的覆冰可以造成低闪络电压，极易导致输电线路由于闪络而短路跳闸。我国在过去10年间由雨凇覆冰所导致的变电站输电线路闪络跳闸现象屡见不鲜，已经成为了变电站发展进程中的顽疾。

2.2 湿雪覆冰

如果在0 ℃以上的环境中下雪，当雪花附着于绝缘子串上时就会融化，并沿绝缘子外部形成滴流现象。当凌晨温度下降到0 ℃以下时，滴流就会逐渐形成冰凌，这就是绝缘子的“桥接”。桥接可以为冰闪闪络提供通道造成输电线路跳闸。而当日间温度再次回升，冰凌融化，还会引起绝缘子串表面的电压分布畸变现象，如此状况下绝缘子性能就会严重下降，此时也会引起闪络跳闸故障。

2.3 雾 凇

雾凇就是空气中的水分子遇冷空气凝结于绝缘子串上的霜结表现，它也是一种典型的覆冰现象，但这种覆冰的结冰密度相对较低，相比于雨凇覆冰厚度只有一半左右，而且不透明，是一种粉状的覆冰现象，因此这种雾凇现象也多发于500公尺以上的高海拔地区。一般情况下由雾凇所引发的冰闪闪络现象是很少见的，它的危害也远不如雨凇大[2]。

3 500 kV输电线路冰山故障的治理方法——直流 融冰

3.1 直流融冰技术原理

直流融冰要通过相关装置并从变电站系统中获得交流电支援，将交流电能转化为直流电能，并将直流电能输入到待融化覆冰线路的导线之中。在直流电流的作用下，导线会发热将输电线路绝缘子串上的覆冰融化。直流融冰装置可以按结构分为两类，带整流变式与不带整流变式。

3.2 直流融冰方法

直流融冰的方法操作是将输电线路中的三相导线与三根直流覆冰融冰母线相接，通过装置自动切换实现导线的融冰过程。本文提出了两种直流融冰方法。

方法一：假设有A、B、C三根导线，将它们分3次完成覆冰融化，这其中融冰的回路电阻应该为单相直流的2R电阻，融冰时间记为T/2。

方法二：同样分3次完成三相导线融冰过程，但是将其中两相导线并联再接入到融冰电源的另一个输出端。如此通过三相导线线路的自动切换装置功能就能分3次完成导线融冰过程。总体来说该方法就是两相并联后再与另一相串联，它的融冰回路电阻可以达到1.5 ？赘。方法二的融冰时间相对方法一偏长为3/2 T，但是它也消耗了更高的电源容量（约高出30%）。

3.3 直流融冰装置冰闪治理相关计算

在直流融冰装置中，保险电流与导线最大允许电流是决定它是否能够稳定治理冰闪的最关键参数。

在构建输电线路在覆冰状态下的热平衡模型之前，要首先计算输电线路的不覆冰临界负荷电流为：

式中，ic就表示了临界负荷电流，而R表示导线半径，v表示风速，Ta表示环境温度，w表示空气中液态水的含量，ca表示覆冰融化后水滴与导线上的碰撞系数。在一定的气象条件下，Ta、v以及w都应该为已知条件。从上述公式可以看出，对输电线路不覆冰的临界负荷电流产生影响的因素还是很多的，而且它们都会随着环境的变化而变化，尤其是风速表现最为明显。

直流融冰装置所产生的导线融冰电流让导线产生热量主要可以分解为4个部分进行分析。①它让冰层温度上升到融点；②使得冰层在融点作用下逐渐融化；③部分热量损失于导线表明到冰层表面的热传递过程中；④基于冰层表面的热量散失，这里采用了布格道尔经验公式：

式中，Ir就是融冰电流，而A和R0是在0 ℃状态下的导线电阻，Tr表示融冰时间，△t表示导体温度与外界气温之差，g0表示冰的比重，它的取值通常为0.9，b表示覆冰冰层的厚度，而D表示导体覆冰后的外径，RT0表示在等效冰层传到热阻下的具体温度，V表示风速。

以某500 kV输电线路为例，它有A、B、C、D共4个变电站，它在经历雨凇时输电线路导线的导热系数为2.27x10-2，而在经历雾凇时输电线路导线的导热系数λ为0.12x10-2，此时就可以推导出两种覆冰状况下的直流融冰对导线辐射的等效热阻应该为：

在该500 kV输电线路中，发现它的出现共有6回，依据上文所描述的直流融冰方法，测量该地当时环境温度为-10 ℃，风速为5 m/s，按照覆冰厚度为15 mm计算，则将数据导入到公式中可计算得出它在融冰1小时时间内的最小融冰电流。

直流融冰可以不拘束于线路的感抗影响，它比较适合于那些诸如500 kV或更高电压等级，且跨度较长的架空输电线路中[3]。

4 结 语

除直流融冰技术之外，治理冰闪故障的方法还有很多，例如采用具有防冰效果或防覆冰布置的绝缘子、为输电线路设计抗冰方案、机械除冰等等。总体而言，高压输电线路的冰闪还是要从预防做起，在面对不同气候状态与突发情况，应该采取不同的应对方法，做到及时防护、及时治理，将冰闪故障给高压输电线路带来的损失降到最低。

参考文献：

[1] 黄观学.浅析输电线路运行故障分析与防治方法[J].时代报告，2012，（1）.