500 kV输电线路覆冰故障分析及治理

宁 健

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司柳州局，广西 柳州 545000）

0 引言

高压输电线路是电力系统的重要组成部分，它承担着电力输送的重要任务。然而，极端天气条件下，如冰雪天或雨雪交加的恶劣天气，输电线路上不可避免地会出现覆冰现象，导致线路的供电能力受到严重制约[1-2]。覆冰导致输电线路损坏的原因有很多，目前主要可以分为四种，分别是覆冰过荷载、覆冰舞动、脱冰跳跃和覆冰闪络[3]。覆冰过荷载指的是输电线路杆塔或导线在风雪交加的情况下，积雪重量增加，所承受的荷载变大而导致断裂的现象[4]。覆冰舞动是指输电线路在覆冰情况下，杆塔或导线振动，导线与杆塔之间摩擦力发生变化，引起导线弯曲和振动，最终导致杆塔或导线的损坏[5]。脱冰跳跃是指输电线路在冰雨或有雾气的情况下，导线和杆塔周围温度较高，覆冰层熔化，而这时覆冰层又会因为高温蒸汽产生冷却，导致跃起，造成明显的冲击力，从而加剧杆塔或导线的弯曲和振动[6]。覆冰闪络是指输电线路在覆冰情况下，由杆塔或导线的电场强度变化导致的杆塔体或导线的电击穿[7]。

本文对500 kV输电线路覆冰故障原因和治理方法进行了深入研究，通过对覆冰过荷载、覆冰舞动、脱冰跳跃和覆冰闪络等不同现象的分析，结合实际情况，提出了一些可行的治理和预防措施，可以为提高输电线路的安全性能提供一些参考。

1 常见覆冰故障及分析

冬季或早春，当气温在-5～0 ℃、风速在1～15 m/s时，如遇浓雾、降雨等情况，空气湿度超过85%，冷的浓雾（粒径较小的雨滴）、雨滴（粒径较大的雨滴）落在输电线路上会导致线路表面结冰。冰冻的雪花在下落过程中穿过温暖层时往往会变湿并融化，如果降落在低于冰点（0 ℃）的输电线路上，会以白色冰块的形式覆冰。寒冷浓雾结成的覆冰称为雾凇，冷雨滴结成的覆冰称为雨凇，雪花冻结而成的覆冰称为雪凇（也叫湿雪）。输电线路有时会遇到随气流飘浮的不同粒径的过冷水滴（雾和雨），在碰撞瞬间部分被湿润，在输电线路的迎风面形成冰体，呈半透明状，这种覆冰叫混合淞。目前常见的输电线路覆冰故障主要有四种，分别是覆冰过荷载、覆冰舞动、脱冰跳跃和覆冰闪络。

1.1 覆冰过荷载

覆冰过荷载是导致输电线路故障的主要因素之一，主要包括自重荷载、风荷载和附着力荷载三种类型。当输电线路覆冰积累到一定体积和重量之后，输电线路导、地线垂直方向的荷载将会倍增，使得弧垂增大，导线对地间距减小，从而有可能发生闪络事故。弧垂增大的同时，在风的作用下，两根导线或导线与地之间可能相碰，会造成短路跳闸，烧伤甚至烧断导线的事故。如果覆冰的重量进一步增大，则可能超过导线、金具、绝缘子及杆塔的机械强度，使导线从压接管内抽出，或外层铝股全断、钢芯抽出；当导线覆冰超过杆塔额定荷载一定限度时，可能导致杆塔基础下沉、倾斜或爆裂，杆塔折断甚至倒塌。严重覆冰会造成导线、地线断裂，杆塔倒塌，金具损坏。其中杆塔过荷载示例如图1所示。

图1 杆塔过荷载

1.2 覆冰舞动

覆冰舞动是指导线和杆塔之间的摩擦力变化以及导线和杆塔本身的振动所造成的作用力，集中在导线终端，导致导线发生弯曲和振动，最终导致杆塔或导线的损坏。覆冰舞动的主要原因是传统的钢丝绞线杆塔和钢管塔的设计和施工难以抵御大风和覆冰的作用力，从而使得导线产生较大的偏差和振动。

输电线路舞动的发生通常取决于三个因素：风激励、线路结构参数和线路覆冰不均匀。舞动造成的危害是多方面的，轻则造成闪络、跳闸，重则导致设备和绝缘子损坏，绞线断线，杆塔螺栓松动、脱落甚至倒塔等电网重大故障。易发生舞动的局部敏感区域主要是在风口、开阔地带、江河湖面等易于覆冰且风激励较强的地区。为防止输电线路舞动，一般采取安装相间间隔棒、线夹回转式间隔棒、双摆防舞器、失谐摆、偏心重锤等防舞装置的措施。

1.3 脱冰跳跃

脱冰跳跃是指输电线路在雨雪交加的情况下，导线和杆塔周围的温度较高，覆冰层融化，当这些融化的水滴落到地面时，又会因为周围的温度较低而发生凝固，同时还会导致明显的跳跃冲击力。这些冲击力会传递到导线和杆塔上，导致导线的弯曲和振动，最终造成杆塔或导线损坏。同时，不同期脱冰还会引起导、地线跳跃，相互接近，发生放电；导线跳跃，引起耐张塔引流线与横担接近，发生放电；悬垂绝缘子串偏移，碰撞横担等。其中导线不同期脱冰示例如图2所示。

图2 导线不同期脱冰

1.4 覆冰闪络

覆冰闪络是指导线和杆塔之间的电场强度发生变化时，导线和杆塔发生放电现象。这种放电现象可以穿透覆冰层和绝缘层，同时还会破坏或腐蚀导线加强件、杆塔表面的涂层等。随着输电电压的增加，覆冰闪络的危害也在逐渐扩大。在融冰过程中，冰层表面水膜具有较高的电导率，增大了泄漏电流；同时，冰凌间隙会引起绝缘子串电压分布及单片绝缘子表面电压分布的畸变，降低覆冰绝缘子串的闪络电压；闪络过程中持续电弧会烧伤绝缘子，引起绝缘子绝缘强度下降。在低温潮湿且导线周围空气中存在一定盐分时，覆冰闪络发生的概率更大。覆冰闪络示例如图3所示。

图3 覆冰闪络

2 覆冰检测技术

检测输电线路覆冰情况，对预防输电线路因器件过热、过载、开路等原因发生火灾或爆炸等重大事故起着关键作用。目前输电线路覆冰大多采用人工巡视的检测方式，但这种方式存在着维护成本高、人员安全性得不到保障等问题。为提高检测效率和安全性，应综合运用现有的输电线路覆冰检测技术，包括常规检测方式和先进检测技术。

2.1 常规检测方式

常规检测方式包括巡视、红外检测、视频监控等。其中，巡视是目前应用最广泛、效率最高的一种方法，但这种方法人工成本较高，且人员安全性得不到保障。红外检测是一种针对输电线路覆冰问题的非接触式检测方法，其优点在于无须直接接触输电线路，缺点是检测结果受天气和设备本身性能影响较大。视频监控也是一种常用的检测方式，但其受监控设备的安装位置和视角影响较大。

2.2 先进检测技术

现阶段，涌电流法、微波检测法和雷达检测法等先进检测技术已被广泛应用于输电线路覆冰情况检测。涌电流法主要是基于线路放电的波形特征进行判读，其缺点在于有很大误差，需要多次检测来得到准确结果。微波检测法主要是根据星载微波辐射计测量数据进行计算，可以有效提高检测效率。雷达检测法是目前应用最广泛的一种先进检测技术，其主要原理是利用雷达得到的回波信号来分析覆冰的密度、厚度等参数，进而得到覆冰的具体情况。

3 覆冰故障的治理

3.1 应用止振措施

为了解决覆冰故障带来的影响，可以对现有的高压输电线路进行改进。近年来，一些针对高压输电线路的止振措施已经应用于实际工程中，例如通过增加减振器以及优化钢管杆架结构等方法，来减轻高压输电线路的振动程度。

3.2 应用覆冰保护层

覆冰保护层的应用可以有效避免覆冰过荷载等故障的发生。覆冰保护层大多采用轻质材料制成，例如泡沫塑料、塑料等，可以在不影响输电线路的情况下，在导线或杆塔表面形成一定的绝缘层，以防止覆冰过荷载的发生。

3.3 输电线路脱冰

输电线路脱冰方式主要可以分为机械脱冰、热力脱冰和化学脱冰三种类型。

（1）机械脱冰：机械脱冰是一种传统的脱冰方式，主要是利用机械力量清除覆冰。其优点在于脱冰效率高、成本较低，但也存在着安全性较差、可能对输电线路造成损伤等缺点。

（2）热力脱冰：热力脱冰是一种利用热能清除冰雪的方法。其优点在于可以快速融化冰雪，缺点是能量消耗较大，脱冰设备占地较大，成本较高。

（3）化学脱冰：化学脱冰是通过吸附、溶解、分解等作用清除覆冰的一种方式。其优点在于脱冰效率高、占地面积小，缺点是对环境有一定的污染性。

下面介绍三种常见的脱冰技术：爆炸脱冰、人工摘冰和除冰机器人脱冰。

（1）爆炸脱冰：爆炸脱冰是通过爆炸产生的热能清除覆冰的一种方式。该技术已被广泛应用于输电线路覆冰治理中，由于该方法温度较高，冰雪可以快速溶解并脱落，所以效率很高。但这种方法需使用可控爆炸措施，存在一定的危险性，因此，在采用该技术时，必须采取安全措施，以确保人员和设备的安全。

（2）人工摘冰：人工摘冰是一种比较传统的脱冰方法。其工艺简单、成本低，但工作强度高，因此不适合大面积使用。此外，这种技术存在安全隐患。因此，在实施时，应根据具体情况合理选择。

（3）除冰机器人脱冰：输电线路除冰机器人如图4所示。除冰机器人能够在输电线路上自主行走，并通过携带的机械除冰装置清除线路上的覆冰。除冰机器人具有跨越防振锤及压接管的能力，并能通过行走保护装置防止脱线。其携带了摄像机和机械除冰装置，摄像机用于检测线路设施覆冰及周围通道情况，机械除冰装置用于清除线路覆冰。除冰机器人和地面基站之间采用无线通信方式，地面基站对机器人的运行状态具有远程控制和监测能力。除冰机器人采用锂电池和汽油机复合动力供电，以确保除冰过程中的大功率输出要求。

图4 除冰机器人

3.4 定期检测和维护

定期检测和维护是减少覆冰故障的重要措施。通过定期检查输电线路杆塔和导线的附属设施，及时发现并修补可能存在的故障，可以最大程度地排除故障隐患。

4 结束语

输电线路在冬季容易出现覆冰现象，导致设备过荷载、振动过大、覆冰闪络等问题。为保障电网的正常运行，必须对输电线路的覆冰故障进行有效治理和预防。本文分析了500 kV输电线路覆冰故障的发生原因及其影响，并介绍了覆冰常规检测方式和先进检测技术，以及机械脱冰、热力脱冰和化学脱冰等脱冰方式，其中重点介绍了三种常见脱冰技术：爆炸脱冰、人工摘冰和除冰机器人脱冰，并分析了其特点和适用范围，可以为提高输电线路的安全性能提供一些参考。