输电线路覆冰防治措施分析

2023-09-20刘晓亮鲁海鹏苟方杰姚生奎

电力安全技术 2023年8期

刘晓亮，鲁海鹏，苟方杰，姚生奎

(国网甘肃省电力公司兰州供电公司，甘肃兰州 730000)

0 引言

架空输电线路作为电能远距离传输的主要通道，其正常运行是保证电力系统安全稳定的基础。架空输电线路大多分布在野外，处于高海拔、覆冰、大风等复杂环境。复杂地形环境引起的微地形和微气象条件使得架空输电线路无法完全避让覆冰区域，极易造成输电线路舞动、短路、绝缘子闪络、断线等，不利于线路运行和维护工作的开展，甚至可能造成倒塔等重大事故。

为提高输电线路应对覆冰灾害的能力，保障电网可靠供电，下面对输电线路覆冰类型及危害进行分析，系统总结当前几种覆冰防治措施的特点及存在问题，并提出输电线路覆冰防治的新方向。

1 输电线路覆冰类型及危害

1.1 覆冰类型分析

输电线路常见的覆冰灾害类型有雨凇、混合凇、软雾凇及白霜四种，其各自特点如下。

1) 雨凇。雨凇是混合凇覆冰的一种初级形式，主要发生在低海拔地区的冻雨期，当环境温度较低时，空气中的水分在输电线路表面聚集并凝结成冰。不过相对于冰而言，雨凇密度较低、持续时间较短。

2) 混合凇。在满足雨凇发生条件的基础上，如果空气中的水分含量较高且空气流速较快，就易形成混合凇。混合凇的密度较高，并且覆冰发展速度较快，对导线的危害更为严重。

3) 软雾凇。软雾凇的形成同样与空气中的水分含量及空气流速有关，如果低层云中有着较多的过冷水滴，当温度降低时就易形成软雾凇。与其他几种覆冰类型相比，软雾凇的密度较低，对导地线的附着性不强，但极易在导地线上形成不均匀覆冰，从而导致输电线路舞动现象。

4) 白霜。当外界环境温度降到零度以下时，空气中的水分在线路表面凝结白霜，但很难附着在线路表面，对输电线路运行影响较小。

1.2 覆冰危害性分析

根据输电线路覆冰灾害影响的分析，可将影响输电线路运行的载荷分为静态载荷和动态载荷。

静态载荷包含因覆冰附着而导致塔身、绝缘子及导地线增加的重力荷载；因塔身迎风面增大而增加的风载荷；以及因杆塔高度不同而导致相邻两档导线沿线路方向产生的不均匀荷载。随着覆冰厚度的增加，输电线路承受的重力荷载及风荷载也随之增加，当覆冰厚度超出其自身承载极限时，会导致塔线体系杆件应力及变形超出设计值而遭受破坏。

动态载荷是指因导线覆冰舞动或导线脱冰跳跃而引发的冲击荷载、除冰装置持续产生的变化载荷等，其中冲击载荷的作用时间短，载荷变化剧烈，对塔线体系危害严重。此外，由于输电线路覆冰自然脱落以及因除冰措施使用而脱落的位置难以准确定位，且覆冰导致输电线路结构破坏的薄弱位置相对随机，因而覆冰脱落所产生的冲击载荷会不可避免地导致输电塔线体系的动力响应发生变化，进而诱发线路其他位置的覆冰脱落，引起输电塔线体系更剧烈、更复杂的动力响应过程，由此对输电塔线体系结构造成的危害相对于静态载荷更为严重。

2 输电线路覆冰防治措施分析

目前，输电线路覆冰灾害的防治措施主要有防冰和除冰两类。防冰措施是指在线路建设中尽量避免途径覆冰多发区域，但受气候和地形因素的影响，实际线路途径区域很难完全避开覆冰区域。对于覆冰多发区域的输电线路，往往采取适当提高线路设计参数的方式来抵抗覆冰，但同时造成了投入成本显著增加。而当覆冰灾害发生后，最常用的除冰措施主要有直流融冰和机械振动除冰两类。

2.1 直流融冰

直流融冰是目前消除输电线路覆冰灾害比较成熟的技术之一，通过输电线路外接直流装置使线路短路的方式产生几百甚至上千安培的短路电流以达到快速融化线路覆冰的目的；此外，也可通过调整功率潮流、降低线路容抗、降低线路功率因数等方式使线路电流满足融冰要求。直流融冰技术虽然在一定程度上能解决线路覆冰问题，但也存在着一定的局限性。

1) 直流融冰装置造价昂贵，有时会涉及线路改造以致操作不便，而且融冰装置工作的准备时间较长，在线路覆冰厚度快速发展时，会出现融冰速度跟不上覆冰增长的情况。

2) 直流融冰的基础条件较高，如果覆冰已导致线路断线、断股，则无法采取直流融冰方式。

3) 对于穿越微地形或微气象区域的输电线路，可能会出现某一条线路的个别区段发生快速大量覆冰，而其他区段未覆冰或覆冰较轻的情况，此时如果采取全线路直流融冰方式，会导致这些区域的导地线过热甚至烧断，进而诱发产生二次事故。

2.2 机械振动除冰

机械振动除冰是指覆冰在导线振动过程中轴向拉伸和横向弯曲的共同作用下，其正应力大于其最大正应力值时就会立即从架空线上脱落。机械冲击振动除冰装置是一种可通过人工完全在地面进行除冰操作的机械装置，当线路需要除冰时，可通过该装置对覆冰线路施加足以使冰层破裂的高应力冲击荷载，冲击载荷在导线中产生横波和纵波并迅速向覆冰导线两端扩散从而使覆冰脱落。但是，该方法的融冰效率较低，只适用于输电线路高度较低且覆冰范围较小的情况。

其他除冰方法还有基于冲击波的电脉冲除冰、电动机械装置除冰、机器人除冰等，其中电脉冲除冰法能够实现的除冰长度有限，电动机械装置及机器人除冰装置夹持电缆、防滑、越障等能力不足且控制设计十分复杂。

3 输电线路覆冰防治新方向

由于上述除冰措施均存在一定的应用缺陷，因此，需在输电线路覆冰灾害监测和预警方面下功夫以提升输电线路覆冰灾害应对能力。

现场可采用输电线路覆冰图像监测技术获取输电线路导地线照片，并通过模糊化、图像分割、边缘检测和径向距离计算等方法进行一系列处理得到导地线覆冰厚度。

与人员巡视线路相比，该方法可更加准确直观地反映输电线路的实时覆冰情况，但无法做到有效预警，且在实际工程应用中受制于输电线路覆冰的不均匀现象，通过有限拍摄角度采集得到的图像难以真实反映输电线路的覆冰情况；在单跨档距过长或者现场可视度很低时，摄像头、镜头表面起雾结冰，也会造成图像分辨率急剧下降甚至无法采集到输电线实时图像的情况。

为有效解决这些问题，可通过称重法准确实现覆冰厚度的有效监测。当输电线路覆冰时，整个塔线体系受到的荷载就会增大，绝缘子串顺线路倾角、导地线张力、风偏角、弧垂、应力、导线倾角、杆塔倾斜度等几何、力学参数会发生变化，称重法就是利用拉力传感器、角度传感器等量具测量各个参数，再结合气象传感器测得的气象数据，通过输电线路力学状态方程进行综合分析，利用输电线路覆冰厚度模型计算出导地线等值覆冰厚度。

式中：F为悬挂点处的轴向应力；为风偏平面内导线和绝缘子串单位长度覆冰重力；为风偏平面内导线单位长度自重和覆冰重力之和；为风偏平面内导线单位长度自重力；为风偏平面内耐张绝缘子串单位长度自重力；b为等值覆冰厚度；D为导线直径；L为导线线长；ρ为标准覆冰密度；L'为风偏平面内的导线线长；β'为风偏平面内高差角；θ为导线轴向与水平线的夹角；h'为风偏平面内高差；λ为绝缘子串长度。

此外，还可在现有研究的基础上对输电线路所在地区覆冰发展情况与外界环境变化情况进行汇总，并通过深度学习算法研究覆冰条件下温度、湿度、风速和风向等气象因素对导地线覆冰厚度变化的影响规律，建立覆冰条件下导地线覆冰的多因素预测模型，对导地线覆冰的发展情况进行预测，以预测得到的导地线覆冰发展情况为依据，通过多目标优化算法，建立多目标优化的除冰决策模型(见图1)，进而基于经济性或时效性等目标选择最优的除冰措施。