輸電線路覆冰特征及其防治對策

李熙旸，劉 春，2，汪 煜，王 宗，吳小斌

（1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌443002；2.甘肅省電力公司調度控制中心，甘肅 蘭州730030；3.國網孝感供電公司，湖北 孝感432000）

0 引 言

在許多地區因雨凇、霧凇覆冰而使輸電線路的荷重增加，嚴重覆冰會導致輸電線路機械和電氣性能急劇下降，從而導致覆冰事故的發生［1－3］。輸電線路覆冰是一種嚴重的自然災害，可引發輸電線路導線舞動、絕緣子串閃絡等事故，嚴重危害電力系統的安全運行。美國、日本、英國、德國等多國都曾因輸電線路覆冰而引發安全事故，造成了巨大的經濟損失。

我國是高壓輸電線路覆冰較嚴重的國家之一。高壓輸電線路具有檔距較大、鐵塔較高等特點，線路覆冰對其影響比較嚴重，同時，輸電線路的電壓等級較高，載流量較大，線路破壞造成的經濟損失巨大。為此，本文研究了輸電線路的覆冰特性及防治措施。

1 輸電線路覆冰的種類與性質

按照覆冰形成的物理過程和氣象條件，可將輸電線路覆冰分為三類［4］：第一類是由降水產生的覆冰雪，即降水覆冰，包括由凍雨而形成的雨凇和覆雪；第二類是處在過冷卻狀態下的液體云粒或水滴碰到地面物體上，經過凍結后而產生的覆冰，此類覆冰稱為云中覆冰；第三類是大氣中的水蒸汽直接凍結或經過凝華而在地面物體上形成的一種霜，是經過凝華而產生的，稱為凝華覆冰，也稱這種覆冰為晶狀霧凇。在三類覆冰中，云中覆冰發生的概率最大，引起的輸電線路事故也最多。

根據水滴半徑、空氣中液態水含量、空氣溫度、風速四個參量，輸電線路絕緣子覆冰分為干增長和濕增長過程，這主要取決于冰面的溫度。在干增長過程中，冰面和環境溫度低于0℃，而在濕增長過程中，冰面及環境溫度等于0℃［5］。研究表明［6－7］對于不同類型的覆冰，霧凇和干雪是干增長過程，雨凇和濕雪則是濕增長過程，而混合凇濕是介于干、濕增長之間的一種覆冰過程。

2 影響輸電線路覆冰的因素

輸電線路覆冰的區別主要體現在覆冰種類、厚度及密度等差別上。影響絕緣子覆冰的因素很多，其中氣象條件、海拔高度、凝結高度、地形及地理條件、絕緣子種類及外形、懸掛高度、水滴直徑、風速風向、電場強度及泄漏電流等是常見的主要因素。

2.1 氣象因素

在冬季，當溫度低于0℃時就會產生覆冰現象，大氣中小水滴發生過冷卻，在高空甚至在夏季小水滴也會發生過冷卻［8］。若處于過冷卻水滴包圍的輸電線路絕緣子與氣流中過冷卻水滴發生碰撞，并凍結在絕緣子表面就形成了覆冰。有研究表明：導線表面發生覆冰現象必須有三個條件，即（1）大氣中要有足夠多的過冷卻水滴；（2）導線能夠捕獲過冷卻水滴；（3）過冷卻水滴必須立即凍結或者在離開導線表面之前凍結。三個條件中條件（1）是必要條件，是氣象學問題；條件（2）是流體力學的過程，故由流體力學定律來決定；條件（3）涉及到熱力學問題，由覆冰表面的熱平衡方程確定。

2.2 海拔高度的影響

每一個地區都有一個起始結冰的海拔高程，即凝結高度。對于一個條件相同的地區來說，一般海拔高程愈高愈易覆冰，且多為霧凇；在海拔高程較低處，其冰厚雖較薄，但多為雨凇或混合凍結。我國覆冰凝結高度的分布特點是西高東低，北高南低。在凝結高度以上，隨著高程的增加，覆冰厚度一般也會隨之增加。

2.3 地形及地理條件的影響

導線覆冰的輕重還取決于山脈走向、坡向與分水嶺、臺地、風口、江湖水體等因素［9］。在山區導線覆冰受地形及地理的影響更為嚴重。據研究表明：東西走向山脈的迎風坡在冬季覆冰較背風坡嚴重［10］，分水嶺、風口處線路的覆冰較其他地形嚴重。

2.4 季節的影響

覆冰主要發生在前一年的11月至次年3月之間，尤其是在入冬和倒春寒時，發生覆冰的機率最高。1月和12月幾乎是所有重覆冰地區平均氣溫最低的月份，由于濕度相對較小，覆冰相對于其他月份較輕。而在11月份、2月底和3月初，雖然平均溫度相對1月和12月較高，但濕度較高，覆冰較1月份要嚴重。

2.5 懸掛高度的影響

通常絕緣子懸掛愈高，空氣中液態水含量愈高，周圍風速也愈快，單位時間內向絕緣子輸送的水滴愈多，覆冰也愈嚴重［11］。因此覆冰隨絕緣子懸掛高度的升高而增加。

2.6 電場的影響

有些學者［12］認為：電場對移向導線的水滴會產生極化和吸引力。雖然水滴內的感應電荷隨交流電壓而變化，但其作用力永遠是一個指向導線的吸引力。由于電場對霧滴和毛毛雨所產生的吸引力能導致空氣層有效厚度增加，因此增加了導線上冰荷重。現場觀測與人工氣候室內的試驗研究［12］表明，電場對輸電導線覆冰的影響和電場強度有關。隨著我國特高壓交直流輸電線路的投建，電場對導線覆冰的影響不容忽視，與之相關的研究還有待進一步開展。

3 輸電線路覆冰事故成因分析

通過對覆冰事故的長期觀測和分析，我國輸電線路覆冰事故的原因可歸納為以下幾方面［13］：（1）輸電線路設計路徑選擇不合理，同時缺乏抗冰害的經驗，導致冰害事故頻繁發生；（2）某些輸電線路的設計抗冰厚度低于實際覆冰值；（3）對于某些重冰區域的輸電線路，雖然有一定的抗冰能力，但遇到極端惡劣天氣時，輸電線路機械及電氣性能下降，導致發生嚴重的冰害事故。

嚴重覆冰導致輸電線路機械性能和電氣性能急劇下降，是造成重大覆冰事故的直接原因。該原因主要體現在［14］：（1）嚴重覆冰引起線路過荷載。（2）不均勻覆冰或不同期脫冰引起張力差，導致線股斷口有縮頸和導線跳躍。（3）絕緣子串覆冰閃絡引起絕緣子的絕緣強度降低。（4）不對稱覆冰引起輸電導線舞動。

4 絕緣子閃絡

4.1 絕緣子閃絡的定義

絕緣子覆冰閃絡是指在外加電壓作用下，沿覆冰絕緣子和大氣交界面發生的復雜放電現象，在閃絡通道還可發生足夠強的電離以產生電弧。影響絕緣子覆冰閃絡特性的因素很多，包括覆冰過程、覆冰類型、電壓類型等。

4.2 絕緣子閃絡的防治方法

目前，采用比較多的防止輸電線路絕緣子發生覆冰閃絡事故主要有以下幾種措施。

（1）輸電線路采用倒“V”形絕緣子串。由于該類型絕緣子串自潔性能較好，積塵量少，在產生局部電弧時，電離氣體更易擴散。

（2）在絕緣子串上方加裝大盤徑的玻璃鋼傘裙罩（草帽型），選擇直徑在400～700 mm為宜。其不僅具有良好的防冰閃效果，還可大幅降低直線桿塔鳥害跳閘率。它的弊端是直徑增大，增加線路檢修工作量，且無法隔離絕緣子串本身的冰凌。

（3）對于直線單聯瓷絕緣子，在其上、中、下加裝3個大帽絕緣子，用來隔斷絕緣子的冰柱；對于硅橡膠絕緣子，則可采用上、中、下各有一片特大傘裙的合成絕緣子，這樣也可阻斷冰柱、污流，從而達到防止絕緣子覆冰閃絡的目的。

（4）在普通的復合絕緣子上方粘貼或熱塑一個大盤徑硅膠傘裙罩，直徑一般為400～600 mm。

（5）考慮到絕緣子串兩側的平衡，人為地將順路方向的絕緣子串偏斜角加大，這樣可以提高覆冰絕緣子的冰閃電壓。但該方法僅適用于單串絕緣子。

（6）重冰區線路可以考慮瓷絕緣子間插式的布置，玻璃絕緣子間插式的布置，以及瓷和玻璃絕緣子組合間插式的布置來改善絕緣子串的防冰閃絡特性。

5 輸電線路覆冰舞動

5.1 覆冰舞動的定義

研究結果表明，線路舞動是由于導線發生偏心覆冰后，在風的激勵作用下產生的一種低頻（約0.1～3 Hz）、大振幅（大于10 m）的自激振動現象。舞動的形成主要取決于3方面的因素，即覆冰、風的激勵（風速及風向）和線路結構參數。

5.2 舞動的防治方法

根據不同線路的防舞方法，可以將線路防舞措施歸納為“避、抗、抑”3種。通常情況下優先采用避舞、抗舞措施，在無法實施或效果不佳時可以采用抑舞措施。

5.2.1 避舞措施

舞動易發生在導線易覆冰、風大且平穩的氣象環境下，在選擇線路路徑時，應考慮盡可能避開冬季多風、雨凇、濕雪頻繁以及寬闊江河、峽谷、迎風山坡和山脊等易舞動地區。避舞措施通過調查地形、地貌和氣象條件，以選擇適當的線路路徑、走向，盡量使之平行于冬季主導風向來避舞防舞。

5.2.2 抗舞措施

抗舞措施是在不破壞舞動條件前提下，通過提高線路的電氣和機械強度來抵抗導線舞動，使線路上的設備能夠在導線舞動時不被破壞并保持安全運行。

5.2.3 抑舞措施

抑舞措施是在舞動嚴重的輸電線路上加裝防舞動的裝置，從而破壞舞動形成的條件，限制舞動的幅度，消除舞動可能造成的危害，保證整個線路安全運行。從原理上講，抑舞措施可以分為：

（1）改變系統的空氣動力特性。基于流體力學原理，通過改變導線的外形和空氣動力特性，進而破壞舞動形成的條件。像纏繞繞流線法，即用某種特制繞流線纏繞導線，擾亂沿檔氣流，使導線覆冰時不易形成規則的翼形斷面，以破壞Den Hartog（鄧哈托）舞動的起舞條件。而安裝空氣動力阻尼器法則是在檔內不同位置安裝空氣動力阻尼器，使導線受風作用時的阻力垂直分量大于升力垂直分量，進而抑制舞動發生。

（2）改變系統的結構特性。基于結構力學原理，可通過改變舞動系統的固有扭轉振動或橫向振動頻率、質量分布和元件連接方式等動力學特性達到抑制舞動的目的。通常有以下做法：①安裝扭轉阻尼器、失諧擺、抑扭環等。②安裝壓重防舞裝置。這類裝置包括檔內集中安裝防振錘、在間隔棒上加掛重錘等。③安裝線間間隔棒。

6 輸電線路覆冰事故防止措施及方法

在對輸電線路覆冰長期觀測和研究的基礎上，結合國內外的現狀和經驗，防止輸電線路冰害事故可從以下幾方面入手：

（1）觀測該地區的冰雪狀況，掌握輸電線路覆冰的規律。對各氣象區域的氣象狀況進行長期監測，掌握輸電線路覆冰規律，同時對歷年來發生的覆冰事故進行詳細記錄，為輸電線路的抗冰設計和防冰除冰措施選擇提供參考。

（2）在輸電線路設計時，應考慮微地形、微氣候的影響，合理選擇線路走向，進而設計合理的抗冰厚度。并對線路沿線的薄弱環節加以重視，安裝行之有效的監測裝置和防冰抗冰設備，確保線路安全運行。對于經常發生冰害事故的線路，可以對部分重冰區線路進行改道，或進行局部改造，提高其抗冰能力；對于大面積的覆冰地區，宜采用除冰、融冰措施來防止冰害事故。

（3）對輸電線路覆冰的特點、機理進行深入觀測和研究，繪制各地區輸電線路覆冰雪分布圖，開發有效的覆冰監測裝置、防冰除冰措施和防覆冰舞動措施，制定積極有效的處理冰害事故的應急對策，盡量減少和防止冰害事故帶來的災害。

目前，大約有30多種處于各種實驗、研究及推廣階段的除冰方法和技術，大致可分為以下3大類：

①熱力除冰法。熱力除冰就是利用附加熱源或導線自身發熱，使冰雪在導線上無法積覆或者融化。利用焦耳熱效應來加熱導線，如帶負荷融冰方法和短路電流融冰法。此外還可以通過電阻絲伴隨加熱及鐵磁線圈因交流電感應出的邊際電流間接加熱。

②機械除冰法。機械除冰就是利用機械手工或者自動強制使導線上的覆冰脫落，主要有強力振動法和滑輪鏟刮法。

③自然脫冰法。自然脫冰就是在導線上安裝阻雪環、平衡錘等裝置可使導線上的覆冰堆積到一定程度時，在風或其他自然力的作用下，使冰雪自行脫落。該方法簡單易行，但可能會引起導線跳躍而發生線路事故。

7 結束語

本文總結分析了輸電線路覆冰種類，影響因素，詳細說明了由覆冰引起的絕緣子閃絡和線路舞動兩種線路危害，并列舉了相應的防治方法和措施，最后指出了線路覆冰的防御措施和除冰方法。該分析有利于輸電線路設計防冰，提高了輸電線路抵御自然災害的能力。

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