輸電線路覆冰災害分析及防治

薛慶蓮 劉向陽

(1．廣州供電局有限公司輸電管理所，廣東廣州 510310;2．中國南方電網公司調峰調頻發電公司清遠抽水蓄能電站建設管理局，廣東清遠 511853)

覆冰災害是長期困擾輸電線路的老問題，世界范圍內每年都會因覆冰災害導致架空輸電線路大面積跳閘、斷線、倒塔、導線舞動［1，2］、絕緣子閃絡［3-5］等事故。加拿大、俄羅斯、美國、日本、芬蘭、英國、冰島和我國都曾因為覆冰災害引發電網安全事故，造成了巨大的經濟損失。自20世紀40年代，覆冰災害成為全世界許多國家的學術界和工程界一直關注的問題。

1 覆冰的成因和分類［6］

空氣中的“過冷卻”水滴和濕雪下落過程中碰到溫度低于零度的架空線后，會在架空線表面凍結成冰。

覆冰大致可分為雨凇覆冰、混合凇、軟霧凇、白霜、雪五種類型。

雨凇覆冰，超冷卻的降水碰到溫度不高于0℃的物體表面時所形成的玻璃狀的透明或無光澤的表面粗糙的冰覆蓋層，附著能力很強，密度較大，約(0．5～0．9)×103kg/m3。架空線覆冰常常指雨凇冰。雨凇覆冰是混合凇覆冰的初級階段。由于凍雨持續期一般較短，因此，導線覆冰為純粹的雨凇覆冰的情況相對較少。混合凇，氣溫0℃以下，風比較猛時，容易形成混合凇。在混合凇覆冰條件下，水滴凍結比較弱，積冰有時透明，有時不透明，冰在導線上粘合力很強。導線長期暴露于濕氣中，便形成混合凇。混合凇是一個復合覆冰過程，密度較高，生長速度快，對導線危害特別嚴重。軟霧凇，是由于山區低層云中含有的過冷水滴，在極低溫度與風速較小情況下形成的。這種積冰呈白色、不透明、晶狀結構、密度小，在導線上附著力相當弱。最初的結冰是單向的，由于導線機械失衡，逐漸圍繞導線均勻分布，在此情況下，這種冰對導線一般不構成威脅。白霜、雪，白霜是空氣中濕氣與0℃以下的物體接觸時，濕氣往冷物體表面凝合形成的，白霜在導線上的粘結力十分微弱，即使是輕輕地振動，也可以使白霜脫離所粘結導線的表面，與其他類型覆冰相比，白霜基本不對導線構成嚴重危害。

輸電線路覆冰的形成是一個復雜的物理過程，影響因素眾多，各種氣象條件對覆冰的影響很大［7］。但是，如何對這些氣象條件進行監測，進而得到確切的氣象參數，現在這方面的研究還不是十分成熟。日本做了一些這方面的研究，并且對各種氣象條件對覆冰的影響進行了比較分析。具體做法是在一個風洞中開展實驗研究，成功監測到導線周圍的雪花分布、風速、大氣溫濕度等許多氣象參數。

隨著對覆冰物理特性的深入研究，研究人員開發了很多覆冰雪預測模型，例如Ackley模型、Lozowski模型、Poots模型、Chaine模型、Jones模型以及Makkonen模型等。上述模型在不同情況下體現的優越性是不同的。Makkonen模型考慮了在覆冰生成的過程中，架空線上未結冰的雨水并不會脫落，而是在架空線下方形成冰柱，并且指出每米架空線上的冰柱是45根，這一結論與實測情況相符。并且，Makkonen用數值分析的方法對覆冰模型進行了研究。具體做法是，把導線半徑、覆冰生長的時間、降水率、氣溫、風速等氣象條件作為變量輸入到相應程序中，這種方法考慮了冰柱生長，結果更加實際可靠。Makkonen模型也有很大的缺點，即水滴大小和液態水的含量等參數不易獲得。但是，由于Makkonen模型與工程實際較符合，在很多國家得到廣泛的應用。

2 覆冰對輸電線路的危害

1)過負載事故。若實際覆冰厚度遠超過設計覆冰厚度，由此引起導地線、金具、絕緣子、桿塔的實際應力大于其承載能力時，便會發生過負載事故。覆冰后的輸電塔的重量過大，也會引起基礎的下沉或爆裂，從而發生倒塔事故。

2)不均勻覆冰或不同期脫冰事故［8］。覆冰倒塔很大程度上是由不均勻覆冰和不同期脫冰引起的相鄰兩檔之間的不平衡張力造成的。國內不少學者對輸電塔的不平衡張力進行了研究。在輸電塔—線體系的設計過程中，采取鐵塔和導線分開設計的方法。目前，對于輸電塔縱向不平衡張力的具體算法的研究尚不成熟，

通常的做法是依據規范取導線最大使用張力的百分數進行校核。縱向不平衡張力是導致輸電塔倒塌進而威脅到電網安全運行的重要因素之一［9］，因此精確計算縱向不平衡張力有著十分重要的現實意義。

3)絕緣子冰閃事故［10］。由于檔距相差懸殊、沿線局部地段地形、高程、覆冰時風速、風向的影響，桿塔兩側導地線覆冰可能不均勻，因此桿塔兩側會產生不平衡張力，該張力差可使導線在線夾內滑動，導致導線截面因磨損而減小或斷裂、絕緣子損傷或破裂、桿塔橫擔扭轉或變形、導線和絕緣子閃絡及導線電氣間隙減少而發生閃絡等。

4)導線舞動。覆冰后的導線在特殊情況下會發生低階固有頻率的自激振動，振動振幅極大，震蕩起來如野馬奔騰，稱為奔馬型振動，統稱舞動［11］。舞動多在導線覆冰、氣溫0℃，且有強風時發生。舞動可造成金具損壞、導線斷股、斷線、倒塔等事故的發生［12］。

3 覆冰作用下輸電線路的荷載

輸電塔承受的荷載包括風荷載、導地線對輸電塔的荷載、重力荷載等。

1)風荷載計算。

一般情況下覆冰風速取為10 m/s，當實際風速大于35 m/s時，覆冰風速取為15 m/s。根據本算例的實際情況，設計風速為30 m/s，故本文取覆冰風速為 10 m/s［6］。

桿塔風荷載標準值:

其中，

式(1)與式(2)中，WS為風向與線路方向垂直時，桿塔風荷載標準值，kN;μZ為風壓高度變化系數，可按表1選用。一般情況下，可選地面粗糙度 B類計算;μS為桿塔構件的體型系數，1．3(1+η);βZ為風荷載調整系數。當桿塔高度不大于60 m時，在全部高度范圍內采用一個系數，按表2取用;當桿塔高度大于60 m時，按《建筑結構荷載規范》取值;Af為構件承受風壓投影面積計算值，m2;V為基準風速，m/s;η為桿塔背風面折減系數，按表3取值。

表1 風壓高度變化系數

表2 桿塔風荷載調整系數

表3 桿塔背風面折減系數

2)導地線荷載計算。

導地線的垂直荷載可看作導地線的垂直比載與線路檔距和導地線外徑的乘積。導地線的垂直比載作用方向是垂直向下的，主要包括兩項:自重比載和冰重比載［13］。

a．自重比載。

導地線的自重比載是由其自身質量引起的比載，大小不受外界因素的制約。其計算公式為:

其中，q為導地線的單位長度質量，kg/km;g為重力加速度，g=9．806 65 m/s;A為導地線的截面積，mm2。

b．冰重比載。

將導地線上的覆冰簡化為空心圓柱的模型，當覆冰厚度為b時，導地線上單位長度的覆冰體積為:

覆冰密度按 ρ=0．9×10－3kg/m3計算。

冰重比載計算公式為:

其中，b為覆冰厚度，mm;d為導地線外徑，mm。

垂直總比載:

推導得到導線掛點垂直荷載計算公式:

地線掛點垂直荷載計算公式:

水平比載主要包括覆冰風壓比載一項。

導地線覆冰時，直徑在原有的基礎上增大了2b，增大了迎風面積的同時也影響了構件的風載體型系數。按照相關規定，在覆冰工況下構件的風載體型系數與線徑無關，一律取為μsc=1．2。覆冰時的風壓比載計算式為［14］:

4 輸電線路覆冰防治的幾點建議

第一點:從源頭入手，建設“安全電源”。在冰災發生時，電網被“支解”的情況時有發生。個別省份電網與主網解裂，甚至一些地區依靠家用發電機勉強供給生活用電。第二點:深入研究輸電線路不平衡張力的影響因素，不平衡張力是倒塔的重要原因之一。第三點:分析輸電塔在覆冰作用下的破壞機理和失效路徑，以便“補強”。第四點:對中重冰區做好統計工作，設定設計覆冰厚度和重現期時要在規范上有傾斜。

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