输电线路类型冻害分析及预防措施

2023-03-02吴闯

科技创新与应用 2023年35期

吴闯

（国网呼伦贝尔供电公司，内蒙古呼伦贝尔 021000）

由于我国地域广、山丘较多，输电线路冰雪灾害较为常见。以2008 年1 月南方电网冰雪灾害为例，华东、华中电网系统有多达几十条500 kV 线路出现了倒塔现象，进而引起输电线路的解列和停运，直接造成贵州境内500 kV 的骨干网大面积瘫痪。

实际上，冻雪或冻雨覆冰主要直接引起输电线路出现机械性或电气性故障，进而造成线路负荷过载、线路舞动或断线、绝缘子发生闪络或倒塔等输电事故，严重时会进一步引起电力系统发生解列，由此对国民经济及社会生产造成的损失难以估量。因此，近年来，相关学者及现场技术人员提高线路防冻保护的意识，积极开展防冻研究，从技术、设备、维护措施等多方面进行优化或改进以降低冻害造成的输电故障损失。

鉴于此，本文开展输电线路冻害分析，探讨现有输电线路冻害故障预防技术的优势及存在的问题，总结现有输电线路冻害预防可行的运维措施，有利于科学指导我国输电网络冻害的预防与处理，降低冻害所造成的影响，经济意义和社会意义重大。

1 输电线路冻害类型划分及成因

对于架空输电线路而言，根据冻害发生位置及引发后果的特征差异，可将发生的冻害类型主要划分为杆塔基础冻害、接地体损伤冻害、耐张线夹和导线损害冻害、复合绝缘子冻害及线路附属设施冻害等。而对于电缆线路而言，主要发生的是电缆线路的冻胀。

1.1 杆塔基础冻害

土壤的高含水率、高有机质含量、腐殖质土及泥炭土等，由于较大的温度变化及水分补给情况下的相对复杂冻特性的影响，造成突然与杆塔发生机械应力的相互作用[1]。杆塔基础冻害主要表型为杆塔倾斜、塔材弯曲、断裂、基础沉降、上拔和裂纹等。其中起直接作用的是冻土，根据其特点分为冻胀类冻土、融沉类冻土、流变与蠕变类冻土等类型[2]。

冻胀类冻土主要是指土壤在低温冻结情况下发生内部水分冻结的情况，这会引起土体体积出现膨胀。冻胀的危害主要在于输电塔受土体膨胀力的作用出现基础拔起的现象，且该影响日积月累地使得塔体基础埋深逐渐减小，直至最终使其失去稳定性导致发生基础拔断或者拉断。融沉类冻土主要是指土壤下方的厚层地下冰以及高寒地区的冰量冻土层，由于该冻土层埋藏较浅、距离地面相对较近，在环境温度升高或者人工活动的干预影响下会出现融化现象，以蠕动泥流或者热融沉陷为主要体现的形式，其存在极易诱发铁塔的倾斜、剪切变形或者发生其他的破坏。该类冻土由于其内部存在冰包裹体、液态水、固体矿物颗粒及空气和水蒸气等成分比例并非均匀分布，因此冻土形变时存在各向异性，这会导致塔体不同塔退发生不均匀形变，最终致使塔体受力不均匀而发生倾斜。

1.2 接地体损伤冻害

杆塔接地装置是防止雷电危害不可或缺的措施之一，由于受外力破坏或电化学腐蚀等因素影响，接地体容易发生损伤和断裂故障。接地体损伤冻害主要表现为接地网断裂、接地模块断裂、接地引线断裂。柳贡强等对于冻土区域输电线路接地故障机理进行了系统研究与分析，研究结果表明：①冻土区域线路运行年限越长，接地体故障几率越大，该类故障极易发生于焊接点、连接处等薄弱位置；②冻融的频繁发生也会降低杆塔基础的抗拔力，致使其出现上拔现象，进而导致接地体出现破坏性损伤。

1.3 耐张线夹和导线损害冻害

1.3.1 耐张线夹

接续管压接和耐张线夹是保证特高压输电线路超远距离不间断输电的重要手段。耐张线夹冻害主要表现为变形、裂纹、断裂等。吴坤祥等[3]针对某±800 kV 线路的耐张线夹未压区出现的膨胀开裂缺陷进行系统研究，通过采用宏观检查、解剖及渗水试验等方法，最终揭示了现场耐张线夹出现膨胀开裂的具体原因，即线路上的金具串基本呈倒挂状态，将子导线压接后会有缝隙存在于铝股线之间，雨雪天气液态水会通过该缝隙进入倒挂的耐张线夹，积累的水多次结冰膨胀产生的累积效应最终会致使耐张线夹开裂、锈蚀钢芯，威胁线路输电安全。

1.3.2 导线

输配电线路大多直接暴露于自然环境，雨雪天气的存在会致使线路上附着冰雪或者水滴凝结成冰，即导线覆冰现象[4]。倘若低温天气持续，则导线上的覆冰将持续累积，严重时会发生线路冻害故障。实际上，线路导线覆冰现象的出现需要3 个必备条件：一是线路周边空气的湿度必须足够大，水分含量满足凝结条件；二是存在附冰物，如导线；三是低温环境持续时间必须充足以保证导线上冰晶的充分凝结。

在设计输配电工程中线路的过程中，设计人员也会充分考虑线路覆冰情况，然而，由于同时兼顾施工难度、成本等因素，线路覆冰设计裕度无法从根本上完全抑制覆冰故障的发生。导线覆冰损害发生的主要原因就是因为导线实际覆冰的厚度大于设计阈值，这会致使线路承受超过其耐受负荷的应力、出现导线断裂、杆塔折损等事故。与此同时，倘如导线覆冰并非均匀发生，当部分线路张力不足时还会使杆塔发生倾斜。此外，线路覆冰也会导致线路外绝缘层的加速老化或绝缘层的冻裂，这些都会导致停电故障的发生。

1.4 复合绝缘子冻害

复合绝缘子冻害主要表现为绝缘子材料耐久性和绝缘性能降低，出现橡胶老化、变硬、开裂和芯棒脆断等现象。当线路绝缘子串覆冰或者出现冰凌桥接的现象后，绝缘泄露距离严重缩短，局部沿面绝缘电阻显著下降，极易发生沿闪事故，具体表现为绝缘子串表面出现电弧灼伤；与此同时，绝缘子串易出现不均匀覆冰或不同期脱冰现象，相邻档张力差导致直线杆塔承受张力差，使悬垂绝缘子串偏移，碰撞横担，造成绝缘子损伤或破裂[5]。此外，盘形瓷绝缘子在极低温度环境下会由于内部温差的影响导致不同位置“隐患应力”。经过多次循环，造成应力逐渐增大，最终导致绝缘子劣化[6]。

1.5 电缆线路的冻胀

电缆线路冻涨的成因主要有二：一种是因为电缆隧道积水、本体绝缘性能降低、附属设施损坏；另一种原因是电缆隧道在地表以下，夏季持续性降雨、暴雨或地表以下反水导致电缆沟积水，冬季积水冰冻，导致电缆隧道内部发生故障。

1.6 线路附属设施冻害

线路附属设施冻害主要表现为在线监测系统寿命缩短、电池老化、本体损坏等。

2 输电线路冻害故障预防技术

2.1 杆塔基础冻害预防技术

根据输电线路基础冻害发生的主要原因，可采用以下几种技术措施预防输电线路基础冻害的发生。

2.1.1 换填根据前文梳理的杆塔基础冻害发生的原理可知，杆塔基础冻害发生的关键因素仍在于塔基附近土质的多样性及其冻融特性的差异性，鉴于此，在实际工程应用中，可以通过换填法来降低杆塔冻害的发生，但换填物的选择、换填比例、换填方式等均需具体情况具体分析。与此同时，在换填施工过程中，需要注意杆塔塔基周围土体的含水量不能过高[7]。然而，值得注意的是，换填法施工相对复杂，且施工方案设计不合理时会出现杆塔失稳及地的扰动等情况，造价也相对较高。鉴于此，在实际工程应用设计时，需要充分考虑选用换填法的合理性并兼顾工程造价。

2.1.2 隔排水

水是冻害现象发生的先决条件，因此当塔基建设在地下水位较高且冻害容易发生的地区时，可以从隔水和排水2 个角度分别对杆塔基础冻害进行控制[8]。例如，在施工过程中，可以采用隔水土工布，利用其将杆塔基础周围的土体与高含水率土地相互隔离，这可以显著减少土体水分迁移，抑制杆塔基础的冻胀。与此同时，对于透水性能较好的基础土体而言，可以通过增加砂砾石反滤层来进行排水，即将砾石反滤层设置于杆塔基础侧面。隔排水的方法在预防杆塔基础冻害上的原理与换填法的原理较为类似，且施工成本和复杂度同样相对较高，因此实际应用时需进一步考量施工合理性。

2.1.3 隔热

对于存在较多年限的高纬度、高海拔地区的冻土层而言，由于该类冻土层的稳定性及机械性能相对较差，在其上方开展杆塔建设施工的过程中，极易发生多年冻土层融化、退化的现象，这会导致杆塔塔基的下沉；与此同时，建设完成后由于该区域的严寒天气循环交替，又极易发生杆塔塔基冻拔现象，这极易造成杆塔塔基的损坏[9]。鉴于该情况，本文建议首先可以在杆塔基础周围铺设隔热板，其可以减少施工过程中热量向冻土层的传播，以此来减少外界施工对冻土层温度场现有分布的破坏，同时还可以缩小杆塔基础周围环境温度的差异，减小塔基循环冻融的发生程度，抑制严重冻胀现象的发生。刘万福等[10]通过仿真计算论证了上述隔热板的存在确实可以有效减少施工对于地下冻土层温度场分布的破坏。然而，值得注意的是，本文所提的措施目前只适用于新建设的杆塔，这是由于早期建设的杆塔施工较为复杂，难以施行所提的建议，操作难度大。

2.1.4 反压

为了降低杆塔冻害发生时冻拔现象发生的严重程度，在一定条件下可以通过增加杆塔自重来与冻拔力进行一定的对抗或抵消，与此同时，还可以通过增加拉伸等方式进一步增强对杆塔的空间约束，抑制冻拔的发生。

2.2 接地体损伤冻害预防技术

为了保证线路防雷接地的效果，同时减少因塔基冻害上拔导致接地体的损坏，本文建议采取以下措施：一是输电塔基设计时应尽可能避开沼泽地、河滩等冰冻土富含的地区以降低杆塔上拔的影响，倘若无法避开该类区域，利用置换土的方式。二是提高焊接工艺、减少接地结构的薄弱区域、提高接地结构的抗腐蚀性。三是适当采用柔性接地方式来缓和塔基上拔时给接地体带来的应力，抑制接地体破坏性损伤的发生。

2.3 耐张线夹和导线冻害预防运维措施

2.3.1 耐张线夹

针对耐张线夹的冻害预防，本文提出建议的运维措施如下：一是加强施工过程的监管，确保施工人员在进行导地线压接前应清洁压接位置，且均匀涂抹电力复合脂，并在压接时采取防松线股的相关措施。二是需要改进压接管，确保压接管的未压接区域增加铝质衬管或者填充电力脂，从根本上避免雨水渗入到耐张线夹的发生，避免耐张线夹因积水的冻胀而发生开裂。三是增加运维频次或监测设备，持续关注耐张线夹的状态，及时发现潜在隐患并进行针对性处理。四是通过采用无人机或直升机巡视等先进运维手段提高巡检的效果。五是适时开展耐张线夹鼓胀的消缺，对退役的鼓胀线夹开展机械拉伸实验以累计运维数据、辅助运维策略的制定。此外，还需加强现场缺陷辨识，并对未压区膨胀开裂的耐张线夹进行及时更换。

2.3.2 导线

针对架空线的冻害预防运维，本文建议如下：首先，在电网系统运维过程中，运维人员可以将部分监视或保证系统安装于线路上，以此来实现对线路状态的实时监督，便于及时采取有效措施预防导线覆冰的发生，同时提高运维人员的防范意识，定期现场或视频巡视，及时发现潜在导线覆冰隐患。其次，我国地域东西跨度和南北跨度均较大，不同地区的气候千差万别，在此情况下，针对不同运行工况下的导线采取相同的覆冰设计值显然存在不合理性。鉴于此，十分有必要针对不同地区的线路覆冰情况及气象信息进行统计和分析，据此合理划分冰区，针对导线冰冻极易发生的地区，覆冰设计余量应相对提高。此外，根据需要还可适当建设冰情监测站以加强导线覆冰的预防和监管。

2.4 复合绝缘子冻害预防技术

其一是从复合绝缘子制备过程，通过优化、改进原料和生产工艺制造出可以降低由于温度变化造成复合绝缘子组成元件所产生应力的复合绝缘子，据此减缓其绝缘老化速度。

其二是可以从防冰和除冰的角度出发，采用加热除冰或者新材料涂层防冰技术。文献[11]借鉴“荷叶效应”制备出了一种可以实现超疏水的涂层，该涂层的存在可有效降低绝缘子的覆冰量。文献[12]进一步研究了绝缘子疏水涂层对于线路覆冰过程的影响，揭示了带有疏水涂层绝缘子覆冰延缓的机制。然而，尽管涂层可以降低覆冰的严重程度，但一且绝缘子表面出现覆冰，则同样容易出现故障，鉴于此，专家考虑进一步从融冰的角度采取可行措施。例如，将可调电阻涂料添加至硅橡胶涂料研制了可兼顾电热效应的防冰涂层，这在一定程度上抑制冰层覆盖于绝缘子表面现象的发生。然而，该类复合型的涂层材料目前的研究仍然主要以防冰为主、融冰效果相对较差，这主要是因为该类电热涂层中融冰成分添加稍多即会引起绝缘子沿面泄露电流的增大，容易引起线路沿面闪络的发生，降低绝缘子的性能、威胁电网运行安全。此外，也有学者尝试在憎水涂层中添加可以吸收光的材料，其可以将吸收的太阳能转换成融冰的热能，以此提升线路复合绝缘子的抗冰、融冰性能，例如张宇等[13]研制出了光热型涂料用于附着复合绝缘子表面，并随即开展了太阳光照强度和实验环境温度等因素对于复合绝缘子带电融冰过程的影响，研究发现所研制的涂层具有较好的融冰能力，且太阳光照强度的增大或者环境温度的升高均会增强绝缘子表面的融冰效果。