覆冰天氣對江西電網輸變電設備的影響與對策

張 宇

（江西省電力科學研究院，江西南昌 330009）

0 引言

覆冰是我國部分地區冬春季常見的自然現象，但對電網設備的安全運行常帶來負面的影響。近年來，由于冬春季的雨雪冰凍天氣，造成了江西電網輸變電設備不同程度的覆冰，進而影響了設備的力學、電氣荷載或性能。在覆冰超過設備設計防護標準的情況下，將導致設備故障停運事件。為提出有針對性的電網防冰措施，改善設備在雨雪冰凍天氣下的運行可靠性，本文分析了江西電網設備的典型冰害事件特點和已有的防冰措施效果，并提出了相關建議。

1 江西電網歷年主要冰害事件

江西電網的冰害事件與江西省凍雨日數年際變化趨勢相關。1998年以前，電網時常有局部嚴重覆冰或冰害事件發生。1999年至2007年9年間，基本未出現冰害事件，但到2008年出現一個轉折點，繼2008年江西電網大范圍冰災后，之后連續幾年都有冰害事件發生。

1.1 2008年以前冰害事件

最早見于文獻的江西電網冰害出現在南昌梅嶺[1]，1972年2月上旬南昌地區出現罕見冰雪天氣，110 kV軍山-梅嶺送電線路157號鋼電桿和一條向電視臺供電線路的水泥桿均因重覆冰導致桿塔頭部折彎損毀，實測導線冰凌達250 mm。由于梅嶺東北面為鄱陽湖，這一事件在文獻中列為水氣增大型微地形覆冰典型案例。

1985年12月，贛中地區出現較大面積的凍雨，造成全省歷史上罕見冰害，其中110 kV斗豐、仙豐線跨江段發生斷線[2]。

1996年2月17日，南昌地區贛江水面風力達7～8級，并有凍雨夾雪，220 kV昌青線、昌梅線、昌盤線因導線舞動發生跳閘。2月18日-23日，贛州供電公司經歷了一次建局以來損失最大的冰凍災害。多條線路因冰害故障停運，110 kV寧瑞線3基桿塔橫擔彎曲，110 kV西大線6基桿倒桿，110 kV大巋線1基塔嚴重彎曲，多處斷線；大吉山變、鐵山垅變多油開關套管覆冰閃絡。

1998年1月22日，南昌地區110 kV七桃線因覆冰導致地線對導線放電，當日宜春地區110 kV袁津線因結冰毛竹被壓彎，倒向線路邊導線導致放電燒斷導線。

1999年至2007年，江西電網未出現明顯的冰害事件。

1.2 2008年雨雪冰凍災害

2008年初，我國南方出現了大范圍雨雪冰凍天氣，江西電網遭受了有史以來最嚴重的雨雪冰凍災害。110 kV及以上輸電線路累計跳閘404次，220 kV及以上變電站母線故障4次，500 kV線路倒塔116基；220 kV線路倒桿塔142基；110 kV線路倒桿塔513基。

1.3 2009年至今的冰害

2009年3月2日，500 kV咸夢線跳閘，重合不成功，巡線發現靖安縣石境山235-239號段線路覆冰嚴重，其中236-237號地線滑動弧垂降低，引起導線對地線放電。

2010年1月5日至6日，江西省北部32個縣市出現雪或雨夾雪天氣，南昌地區出現凍雨，4回500 kV線路、25回220 kV線路、5回110 kV線路、多回10 kV線路發生舞動，造成220 kV線路跳閘12條次，500 kV南樂Ⅱ回線29號右相發生掉串。2010年1-2月，江西電網共出現9次輸電線路覆冰閃絡故障，均發生在500 kV線路上。

2011年1月20日，撫州地區220 kV溫松Ⅰ線跳閘，重合不成功。巡線發現35-36號段OPGW光纜有放電點。經分析為線路覆冰嚴重后，發生脫冰跳躍，造成光纜對導線放電。當天，宜春地區110 kV三株線跳閘，重合不成功，巡視發現66-67號嚴重覆冰導致地線滑移，弧垂下沉，導地線安全距離不足。

2012年1月27日500 kV文贛Ⅱ回線跳閘，重合閘不成功，經分析為172號耐張塔C相跳線絕緣子發生冰閃放電。

2 江西電網輸變電設備典型冰害分析

2.1 重冰荷載

當輸電線路的覆冰厚度超過設計覆冰厚度時，可能導致導、地線斷線、從壓接管脫出，也會使金具斷裂，或造成導地線弧垂過大，使得導線對地或導地線間隙距離不足而放電，甚至可能因短路電流而燒斷線。上述情況一旦導致斷線，將使桿塔所受不平衡張力劇增，最終可能導致桿塔損毀。

重冰荷載下，失效部位也可能開始于桿塔本體，桿塔的部分塔材首先發生塑性形變，當失效塔材超出一定數量和程度時，引起鐵塔塔頭、橫擔折斷或整體垮塌，或者拉線桿塔的拉線斷裂導致桿塔失穩。

因重冰荷載引起的桿塔或導、地線損壞，對輸電線路和電網安全運行影響最嚴重，因為桿塔或導地線結構遭到破壞后，將引起線路長時間停運，特別是在山區覆冰段倒桿塔后，由于交通運輸問題，搶修恢復非常困難。嚴重時還可能引發多基桿塔連續串倒。

2.2 導線舞動

非圓截面構件在風激勵下所產生的自激振動稱為馳振，輸電線路舞動是對輸電線路導線馳振的特指。在冬季，當水平方向的風吹到因覆冰而變為非圓形狀的導線上而產生一定的空氣動力，并會誘發導線產生一種低頻率（約0.1～3 Hz）、大振幅（可達10 m以上）的自激振動。

一般來說，舞動的形成有兩個必要條件：一是不均勻覆冰，即導線表面附著新月形、扇形、D形等不規則覆冰，雨凇天氣條件下的覆冰最易使線路發生舞動。二是風的激勵。在導線覆冰情況下，線路發生舞動的風速通常在4～20 m/s。由于對導線起激振作用的是風的垂直分量，因此引起舞動的風向與線路走向的夾角一般大于45°。處于地勢平坦開闊地區、水面及風口等地區的輸電線路，易產生舞動。另外，在相同的環境、氣象條件下，分裂導線比單導線容易產生舞動，大截面的導線比常規截面的導線易于產生舞動。

線路舞動的危害性遠大于普通類型的線路故障，一是引發的線路跳閘以相間故障為主，重合閘不啟動，多造成線路停運；二是舞動易造成線路機械損傷，如金具損壞，甚至掉串、倒塔，搶修恢復困難，2008年至今江西電網因舞動發生過500 kV線路掉串3次，220 kV線路掉串1次；三是舞動具有范圍大、時間長的特點，尤其在南昌這樣電網相對密集，重要斷面較多的地區，一旦多條線路持續舞動，頻繁跳閘，將對電網安全穩定運行構成極大威脅。2010年1月5日14時至16時3個小時內，南昌地區共發生9次220 kV線路跳閘，均造成線路故障停運。

根據舞動形成的原理和條件，發生舞動的線路一般處于開闊地帶，冬季有穩定風力作用，且出現形成凍雨等雨雪冰凍天氣。因此，鄱陽湖平原的輸電線路是舞動易發線路，又由于冬季風向為偏北風，故其中東西走向的線路為易發舞動的重點線路。而由于丘陵、山區地形起伏，氣流被擾亂，不能穩定激勵覆冰導線，很少發生或沒有發生導線舞動現象，如贛州、吉安、萍鄉，上饒等山地丘陵地區。

江西電網歷次所有輸電線路舞動發生時間都在1月份。

2010年南昌地區12次舞動跳閘中，有11次為相間故障，且故障點都發生在同塔雙回線路上（三相導線垂直排列）。這是由于三相導線垂直排列的線路在發生舞動時，上、中或中、下導線舞動不同步，更易造成相間距離不足而導致空氣擊穿放電。

2.3 外絕緣冰閃

試驗和運行經驗都表明，當冰層處于結冰期，絕緣子串的冰閃電壓雖有一些下降，但一般并不會危及電力系統安全運行[3]。但當溫度升高開始融冰時，絕緣子和冰棱表面將形成一層水膜，污穢物溶解于其中形成導電的通道，繼而產生局部電弧，而電弧的伸長將導致總電阻的進一步減少和電流的繼續增大，到一定程度時電弧貫通全串而閃絡。因此，可以認為冰閃是一個由泄漏電流支持著局部電弧沿面逐步發展直至全串閃絡的放電過程[4]。重慶大學根據試驗得出絕緣子融冰時的最低冰閃電壓只有干閃電壓的25%，濕閃電壓的45%[5]。

有時在外絕緣覆冰情況下，雖未直接導致故障，但可能引起局部放電明顯增強。2008年1月25日，在冰凍雨夾雪天氣下，九江地區220 kV妙智變高壓場地隔離開關和懸式絕緣子大面積放電嚴重。晚間高壓場地象掛上了遍地的燈籠，巡視人員無法進入。圖1為江西電網因冰閃引起線路故障典型現場照片。

圖1 2010年2月500 kV羅文Ⅱ回線絕緣子冰閃燒傷痕跡

江西電網共出現10次輸電線路冰閃故障（2008年初電網冰災中雖出現大面積線路跳閘，但因倒塔斷線過多和搶修工作等原因，未逐次核查是否冰閃故障），均發生在500 kV線路上。沒有220 kV和110 kV線路冰閃跳閘的事件記錄。特別是2010年1月6日、1月8日、2月17日3天，江西電網集中發生8次500 kV線路冰閃故障，而其它電壓等級的線路未發生一起冰閃故障。

產生上述現象主要原因分析如下：在覆冰情況下，由于冰凌橋接空氣間隙，絕緣子冰閃電壓一般認為和串長有關，江西電網各電壓等級常用絕緣子串中（如表1所示），110 kV、220 kV絕緣子串的平均電壓梯度（運行電壓除以串長）明顯小于500 kV線路。

表1 江西電網各電壓等級常用絕緣子串平均電壓梯度

江西省電力公司從2005年開始，出于防雷的需要將江西省內大批220 kV線路絕緣子串從13片改造為15片，這項措施對防冰閃起到了積極的作用。

另外，所有發生冰閃的500 kV線路均為單回路，無同塔雙回路桿塔。這和同塔雙回路設計時因平衡高絕緣要求有關，500 kV同塔雙回路每串多采用31片或32片絕緣子，而500 kV單回路一般為每串28片絕緣子。單回路冰閃故障桿塔中耐張串未發生冰閃故障，原因為耐張串絕緣子數比懸垂串多，且耐張串的水平布置方式使冰凌難以橋接。

冰閃故障點均處于山區，大多故障桿塔周圍還有水庫、河流等水域，常年濕氣較重，在冬季寒冷季節，絕緣子表面容易覆冰。各次冰閃跳閘事件中，故障桿塔在b、c、d級污穢區分別為3次。江西省2011版污區分布圖中，b、c、d級污區分別占全省面積的77.5%、17.9%、4.2%，可見污區等級越重的地區冰閃概率越大。

10次冰閃事件都發生在1-2月份。有8次都發生在9時至14時的氣溫上升時段，且巡線人員觀察到線路正處于融冰狀態。

冰閃導致的故障停運概率也較高，10次輸電線路冰閃故障中5次造成了故障停運。變電站發生冰閃則可能造成母線故障，危害也非常大。

3 江西電網采取的防冰措施及效果

3.1 冰情觀測

2008年冰災期間，江西省電力公司就下文要求各單位選取典型地區、地段進行導線覆冰測量，收集了大量的覆冰資料，并繪制了2008年冰區分布圖。之后，每年冬季，各單位都加強了覆冰觀測記錄。2012年，江西省電力公司在安排了91個變電站覆冰觀測點和146個線路覆冰觀測點，對各觀測點的氣溫、風力、導地線覆冰厚度等參數進行了記錄。

冰情觀測與監測的作用不僅限于冰情預警，更重要的是累積江西省覆冰的歷史資料。例如，對于輸電線路抗冰設計，電線覆冰厚度的選取是重要基礎參數，但由于覆冰氣象資料的缺乏，很多抗冰改造工程在選擇覆冰厚度時沒有長期積累的歷史數據，更無法通過設計手冊規定的概率函數進行計算，大多憑經驗進行估計，在技術經濟上往往會導致偏差。

3.2 抗冰設計與改造

為提高電網抵御低溫雨雪冰凍災害的能力，省公司按照國網公司電網抗冰差異化設計指導原則，并結合江西實際情況制訂了防覆冰倒塔改造技術原則。

自2008年起，公司開展了三年抗冰改造工作。主要內容是對2008年發生倒塔斷線的線路區段進行加強改造，以及對主干鐵路、高速公路的跨越段進行獨立耐張段改造。三年共安排主網線路抗冰改造199回。通過三年抗冰改造，大大提高江西電網輸電線路的抗冰能力。

3.3 交直流融冰技術

贛州和南昌地區很早就已開展了以110 kV線路為主的交流輸電線路融冰工作，其中贛州地區從1960年就開始對幾條易覆冰的110 kV輸電線路進行融冰，在變電站內專門配置了10 kV融冰柜和融冰電纜，每年冬季形成常態融冰工作，并探索實踐了對架空地線進行融冰的方法（早期贛州地區110 kV線路因載波電話需要，多采用絕緣地線，90年代后期新建線路不再使用絕緣地線）。1997年后至2007年，因贛州地區長期沒有出現嚴重冰情，融冰工作停止。

2008年冰災后，江西省電力公司組織各單位開展了交流融冰的各項工作，包括交流融冰方案的編制和融冰用電纜等材料的配備。2008年底至2009年初，江西九江、贛東北、鷹潭、南昌供電公司分別以10 kV作為融冰電源電壓，進行了110 kV線路的短路融冰試驗，達到了預期的導線溫升效果。2013年1月，吉安公司對覆冰嚴重的井岡山地區110 kV井廈線進行了10 kV交流短路融冰，在不到半小時的時間內，三相導線覆冰全部融化。

2008年，中國電力科學研究院、江西省電力公司、株洲變流技術國家工程中心參與研制應用500 kV夢山變移動式直流融冰研究，該裝置的整流方案采用IGBT脈沖整流加直流斬波調壓電路。額定交流輸入電壓36 kV，額定輸出功率20 MW，額定直流輸出電壓5 kV，額定輸出直流4 kA。需半掛式平板拖車四輛，包括箱體一起，尺寸為10×2.5×3.1 m。2011年1月27日，四臺車并聯運行在500 kV夢永Ⅰ回線路進行融冰試驗，導線溫升達15.8℃。

江西省電力公司2008年啟動了220 kV輸電線路可移動式直流融冰裝置的研究工作，該裝置的整流方式是晶閘管全控整流橋帶續流二極管，額定容量15 MW、輸出直流電流0～1 500 A連續可調，額定交流輸入電壓10 kV，額定空載輸出直流電壓13.5 kV，外形尺寸為9.1×2.5×2.9 m，重約12 t。該裝置目前放置在220 kV虎崗變，具備對80 km以內220 kV線路融冰的能力，可滿足220kV虎崗變5條220kV出線的融冰需求。

根據近年來的江西電網交直流融冰研究與實踐，認為目前公司的融冰工作仍存在如下問題：

1）在大范圍冰災下，電網融冰能力有限。線路融冰工作是一項系統工程，涉及氣候條件、電網運行狀況、調度安排、融冰裝備配置、線路參數、電源點等問題，目前已有融冰手段的應對大范圍冰災的能力仍顯不足。

2）移動式直流融冰裝置還有待進一步完善。目前配置的2套可移動式直流融冰裝置都存在體積和重量較大的問題：夢山變移動式融冰車體長10 m，寬2.5 m，高3.1 m，共4臺。而變電站設計較為緊湊，進站道路寬度也有限，移動式融冰車的出入和布置均不方便，在平時不使用時還要有較大的專門擺放場地。出現冰災時，道路交通不便，將給移動式融冰裝置的運輸帶來困難。

3）地線覆冰問題還未較好地解決。由于地線（包括OPGW）逐基或隔幾基接地，不論是采用交流還是直流融冰，目前主要融導線上的覆冰，在很多情況下，導、地線同時覆冰后弧垂都增大，當導線融冰后，弧垂恢復，結果可能導致導、地線距離不夠，或者導線脫冰后產生跳躍與地線相碰，發生放電。另外，冰災中很多鐵塔塔頭扭曲或倒塔是因為地線覆冰過重或地線斷線的不平衡張力引起。

五年后，我大學畢業時，老馬還在寫詩，已經是個小有名氣的農民詩人。雖然依舊在種地，但他有了一點難得的感悟：詩歌可能與稻草有關系，但一定和職業沒有關系。別人可以把愛詩和寫詩的人當成怪物，但詩人自己不能。

3.4 人工及機械除冰技術

2008年1月18日，為防止絕緣子冰閃，超高壓分公司對覆冰嚴重的500 kV文贛線絕緣子串進行停電登塔除冰。1月24日、26日超高壓分公司分別對500 kV南昌變、進賢變覆冰設備進行除冰工作。采用的工具有木榔頭、木棍和高壓水泵。由于大部分設備位置較高，調用了3臺升降車進行升高。

2010年，江西省電力公司統一配置了10套爆破除冰裝置，配置在超高壓、九江、撫州、萍鄉、贛州公司，并組織進行了除冰培訓。該裝置由震動除冰裝置本體、射繩器系統、遙控引爆裝置等組成，除冰時通過射繩器將一次拉繩掛上地線，用牽引繩將震動除冰裝置拉上地線，遙控擊發空包彈，空包彈產生的高壓氣體推動活塞高速向上運動，活塞帶動彈簧推動破冰頭沖擊地線，產生沖擊波，進行震動除冰。

輸電線路登塔人工除冰方式效率較低，作用不大，且存在一定安全風險。變電站采用一般人工除冰方式無法清除干凈的隔離開關動觸頭等部位，采用高壓水泵則花費時間更長，效果不佳。

爆破除冰較好地解決了融冰裝置難以處理的地線覆冰問題，但主要限于局部嚴重覆冰地段，若需長距離除冰，則人力和時間成本較大。由于方法需在地面將裝置拋射掛上導線，對于跨越山頭的大檔距線路，難以除去其檔距中部的覆冰。

3.5 防冰閃改造

針對2010年1-2月份發生的9次500 kV冰閃故障，江西省電力公司確定了大小傘插花改造的治理方案。改造方案采取“3+1”（3普通絕緣子與1片大盤徑空氣動力型絕緣子組合）絕緣子插花方式，對于雙聯絕緣子由于上述方式將使兩串絕緣子之間間隙較小，故采用“5+1”方式。目前，已有300多基500 kV線路桿塔使用了防冰閃絕緣子串。

采取上述改造的絕緣子串在結構上有利于阻礙覆冰橋接絕緣子，可有效地提高冰閃電壓。目前，江西電網采取防冰閃改造后的桿塔近兩年未發生過冰閃跳閘。相對于V串或倒V串防冰閃改造，插花改造更易實施。但據湖北超高壓公司統計，2008年冰災事故中共發生4次500 kV交流線路閃絡，其中就有“3+1”和“5+1”插花串閃絡情況。分析在嚴重覆冰情況下，絕緣子串完全被冰包裹，插花方式阻斷融冰水形成泄漏通道的能力降低。因此，重冰區線路應使絕緣子串具有足夠長的干弧距離，或采用V串、倒V串等更有效的防冰閃措施[5]。

3.6 防舞動治理

2008年南昌地區部分線路發生舞動后，結合500 kV夢永Ⅱ回線、500 kV南樂Ⅰ、Ⅱ回線抗冰改造工程對舞動線路開展了防舞治理，分別對此3條線路部分區段安裝雙擺防舞器。

2010年對4回500 kV線路、8回220 kV線路、4回110 kV線路進行防舞改造。2011年完成了完成了17回220 kV輸電線路的防舞動改造治理。500 kV線路采用雙擺防舞器、線夾回轉式雙擺防舞器、線夾回轉式間隔棒、動力減振器等4種防舞金具。220 kV線路優先采用相間間隔棒，在相間間隔棒校核不滿足導線荷載要求時，采用雙擺防舞器、線夾回轉式雙擺防舞器、動力減振器。

500 kV南樂Ⅰ回線、南樂Ⅱ回線1-132號于2008年安裝了雙擺防舞器。2010年1月份凍雨天氣下，安裝雙擺防舞器區段仍有舞動現象，振幅約0.5～2 m不等，幅值最大處達3～4 m，但總體比其它未安裝雙擺防舞器區段振幅要小。

4 電網防冰工作建議

從江西省近年的雨雪冰凍天氣和電網設備故障情況來看，對電網防冰工作應予以充分的重視。基于設備冰害特點和電網防冰技術現狀，提出如下建議：

1）重視輸變電設備覆冰資料的積累，每年冬季堅持開展變電站、輸電線路覆冰觀測，并充分利用覆冰在線監測的覆冰數據。收集記錄發生舞動、重冰荷載、冰閃等故障的桿塔地形、氣候特點。

2）由于目前融冰技術、機械除冰技術的一些局限性，對于防御長時間、大范圍冰災，目前這些技術只能作為輔助手段，必須根據江西省雨雪冰凍天氣和覆冰分布規律，提高電網設備本體抗冰設防水平。

3）在進行變電站選址、輸電線路路徑選擇、設備選型、線路結構設計時，應充分利用地理信息系統，結合江西省冰區分布圖、近年來的覆冰觀測記錄和輸變電設備的冰害故障記錄，有針對性地提高新建輸變電工程的抗冰防冰水平。

4）江西電網500 kV線路在2004年后開始有一定規模（2003年僅一條），而本世紀江西省冰凍天氣自2008年后才凸顯，因此500kV線路防舞動和防冰閃工作在前期未得到足夠重視。除對新建線路嚴格按照舞動圖和易覆冰區進行防舞、防冰設計外，對已建線路應根據覆冰觀測記錄和運行經驗，認真梳理易發冰害區段，使防舞動、防冰閃措施逐步實施到位。

5）為防止輸電線路冰閃故障，提出如下防治要求：

對于新建線路，在重冰區，應采取更加有效的措施，如V型串或倒V串。

對于中、輕冰區新建線路或倒V串改造困難的已建線路，可采用“3+1”插花方式的防冰閃措施，或將單回路絕緣子串增加至31片及以上。

已建線路防冰閃改造重點考慮山區、濕氣重、污穢等級較高的地區，改造桿塔以500 kV單回路懸垂串和跳線串為主。

6）對于易覆冰區的變電站，可采用復合增爬裙加強支柱絕緣子或構架絕緣子的防冰閃能力。對于常年覆冰的變電站，可配置熱力除冰裝置以應對母線和隔離開關等部件的覆冰問題。

[1]鄭勁光，吳瓊，劉熙明.江西省凍雨氣候概況和環流特征[J].氣象與減災研究，2009，32(4)：45-49.

[2王守禮，李家垣.微地形微氣象對送電線路的影響[M].北京：中國電力出版社，1999.

[3]《江西省電力工業志》編委會.江西省電力工業志[M].北京水利電力出版社，1994.

[4]顧樂觀，孫才新.電力系統的污穢絕緣[M].重慶：重慶大學出版社，1990.

[5]史惠萍.覆冰對絕緣子串工頻特性的影響[J].江西電力，1995，19(3)：15-19.

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