架空输电线路覆冰成因及防控措施

邢闯 张博 温玮

摘 要：根据线路运行经验，线路覆冰会严重危及线路安全稳定运行，本文对覆冰的形成与分类作了简要的介绍，例举了近期我国发生的重大覆冰事故，从覆冰会导致输电线路机械特性和电气特性受损的角度进行了危害分析。结合我国覆冰事故的具体情况，列举了防止线路覆冰以及消除线路覆冰的一些措施，并分析指出现有技术的一些不足之处。

关键词：输电线路；覆冰危害；除冰技术

0 引言

输电线路覆冰作为一种严重的自然灾害，可导致绝缘子闪络、导线舞动、设备损毁、杆塔垮塌等事故 ，对现有的输电线网构成了巨大的威胁。2008年春节期间南方地区出现大范围持续低温雨雪天气，最终酿成一场特大冰灾，灾害期间尤以湖南省、贵州省受灾最为严重。统计数据显示，期间贵州电网500kV线路发生停运 5次及断线事故193起，湖南电网500kV线路发生停运 12次及断线事故481起，电压等级越高的线路发生非停或断线事故时造成的经济损失也就越大。为了更好地保障输电线路的安全运行，本文对输电线路覆冰及其危害进行了分析介绍，并探讨了输电线路防除冰技术。

1 覆冰的形成与分类

1.1 覆冰的形成

覆冰的形成是一个错综复杂的物理现象，与其相关的因素有环境温度、相对湿度、风速风向、 大气环对流等。在我国每年冬季来自西伯利亚的寒流人侵南下，寒潮冷锋过境时气温大幅度下降，风力风速骤增。这时暖湿气流在南方地区交汇，加之局部特殊的地理地形，容易形成持续低温雨雪天气，为覆冰的形成创造了良好条件。输电线路覆冰应具备以下3个条件：足够冻结的温度、一定量的过冷却水和强度较大的风力。

1.2 覆冰的分类

依据覆冰形成的物理过程和环境参数，电力部门大致将输电线路覆冰分为雨淞、混合淞和雾淞这3大类 。覆冰发生时一般不是单一天气，而是多种天气交替或共同作用，这就使得覆冰种类具有多样性。雨淞属于一种降水覆冰，一般当温度接近0℃时，大气中过冷却水碰撞到导线表面冻结成冰。发生时空气相对湿度较高，且风力较强，此类覆冰主要伴随着冻雨的出现，与海拔高度基本无关。混合淞是一种最为常见的覆冰，其表征状态比较复杂，在一定气象条件下，随时间推移可由单纯雨淞发展而来。雾淞属于一种凝华覆冰，形成条件为温度、湿度都相对较高，且风力微弱，多在浓雾天气时导线上容易生长。当温度上升或有风时，雾淞极易消融或振摆脱落，附着力低决定其危害程度不高。雨淞和混合淞都有着较大的密度和超强的附着力，容易诱发多种不同程度的输电线路危害，其中尤以混合淞造成的事故最多、危害最大[1]。

2 覆冰灾害影响分析

覆冰对电网故障率的影响主要体现在输电线路故障，输电线路覆冰后机械特性和电气特性受到严重影响是造成重大覆冰事故的直接原因[2]。

2.1 机械特性

在恶劣的雨雪冰冻气象条件下，导线的阻尼特性会因覆冰雪产生一系列的改变 。输电导线覆冰厚度增长是一个循序渐进的过程，与周边环境温度及低温持续时间有关。刚开始导线覆冰后横截面呈不规则或近椭圆形形状，加之一定的风速，极易诱发一种特殊的低频高幅舞动，该种舞动最大振幅可达10余米，不规则覆冰引起的长时间舞动会造成金具磨损、杆塔晃动。当覆冰厚度达到线路设计荷载极限时，超过了导线的抗冰厚度会出现缩颈、断裂现象，同时杆塔也会因覆冰过荷载发生塔基下沉、塔架折断以致倒塌。不均匀覆冰、不同期脱冰或档距差别较大的线路覆冰会产生张力差，在张力差的作用下也会造成不同程度的机械事故，当这种不平衡张力过大时会使悬挂绝缘子偏移逐渐增大，发生翻转或与杆塔碰撞，造成绝缘子炸裂损毁。

2.2 电气特性

覆冰可以被看作一种特殊的污秽，架空输电线路裸露在外，绝缘子非常容易被覆冰或伞形冰凌桥接，导致其绝缘强度下降，泄漏距离缩短，从而容易发生覆冰闪络。在外部高电压作用下，闪络通道上会发生持续放电现象，不仅会引起线路频繁闪络跳闸，而且产生的电弧会烧伤绝缘子，严重时绝缘子炸裂失效。当覆冰达到一定重量和体积后，因线路过荷载引起弧垂增大，架空地线垂直降到导线中间，有风力的情况下会发生相间短路事故、烧伤或烧毁导线等，还有覆冰舞动轻则也会引起线路频繁闪络跳闸[3]。

3 输电线路融除冰技术

依照工作原理习惯上将融除冰技术分为3大类 ：热力融冰、机械除冰和自然脱冰。以下是关于这 3种方法基本原理及应用的阐述。

3.1 热力融冰法

热力融冰法是将覆了冰的导线通以相当的电流，电流流经导线产生热量融化线上的覆冰。当覆冰未发生时，通过及时准确的天气预报和利用高效的覆冰监测系统，适时启动热力融冰装置让线路无法积冰，俨然不失为一种有效的抗冰举措，但这同时也对天气预报和覆冰监测系统提出了更高的要求。

3.1.1 直流短路融冰技术

直流短路融冰法需先将覆了冰的线路从电网中断开，以两相电路为例，短接线路其中的一端，另一端接人融冰电源形成通路，实质是将覆冰线路当作用电负载，合适电源的选择是此类方法奏效的关键。在关于 500kV覆冰线路直流融冰方案研究中，通过计算得出系统需提供的功率为200MW，所以具有一定的可行性，但是要提供如此大的电源容量也有难度。对于部分220kV线路可以考虑采用直流短路融冰法，直流短路融冰法對整个系统的稳定运行影响不大，实验融冰效果还不错。

3.1.2 交流短路融冰技术

交流短路法和直流短路法有很多相似之处。对于部分电压等级为220kV且融冰距离较短的线路可以采用交流短路法，冰灾期间现场融冰效果明显。与直流短路融冰法相同的是，交流短路融冰法同时也受到线路电压等级和电源选择的限制。利用220—500kV交流电作为融冰电源，所产生的短路电流能够满足最小融冰电流，但需要系统提供1000—2000Mvar的无功功率，系统无法满足这一要求。另外还存在一个问题，这两种方法进行融冰时线路都应从电网中切开，无法进行正常的供电，且当遇上持续低温雨雪天气会再次发生覆冰[4]。

3.2 机械除冰法

冰灾发生后如没有切实有效的融冰手段，则多会考虑采用机械除冰。机械除冰法主要是利用不同的机械装置工作时产生的外作用力破除导线上的覆冰，目前较为主流的方法有滑轮铲刮法与强力振动法。与热力融冰法相比较，滑轮铲刮法装置具有低成本、低能耗等优点，缺点是在除冰时操作复杂且易刮伤导线；由于雨淞的超强附着力，强力振动法需将振动强度控制在一定范围内，所以除冰效果不佳。

3.3 自然脱冰法

所谓自然脱冰法是借助自然力的作用来使覆冰自行脱落，诸如风力、气温变化、地球引力等。将导线上加装平衡锤、阻雪环等装置，当覆冰雪到达一定程度便会自行脱落。相比上述两种方法，自然脱冰法同时兼有简单易行和低成本的特点。但此类方法脱冰时产生的不平衡张力，容易引发导线跳跃造成冰闪跳闸等事故。

4 结语

覆冰事故给我国电网带来了巨大的经济损失，同时也对我们抵御覆冰灾害产生了一些启示：（1）电力部门在进行输电线路规划和设计时，在路径选择上应尽量避开覆冰区域，这是目前防治覆冰最为有效的手段；（2）加大对融冰电源的研发力度，提出更加创新的除冰方案；（3）今后覆冰研究工作的重难点仍需放在覆冰机理和完善模型上，以及研发出高效的覆冰监测系统和融除冰装置。

参考文献：

[1]李庆峰等.全国输电线路覆冰情况调研及事故分析 [J].电网技术，2008，32（9）：33—36.

[2]胡毅.电网大面积冰灾分析及对策探讨[J].2008，34 （2）：215—219.

[3]黄新波等.电力架空线路覆冰雪的国内外研究现状 [J].电网技术，2008，32（4）：23—28.