電線電纜抗風雪防冰凍的設計探討

馬俊香

【摘 要】2008年初，我國南方和西北方遭遇50年來罕見的災害天氣，持續(xù)的低溫雨雪、冰凍給貴州、湖南等16個省市的生產(chǎn)和生活帶來了嚴重影響。由于受風雪冰凍導線或電纜表面大量覆冰，多地線路出現(xiàn)斷線，部分線路甚至出現(xiàn)倒塔等事故。文章通過對08年我國歷史罕見的低溫雨雪、冰凍災害分析，提出抗風雪防冰凍電線電纜的設計分類、并探討列舉常見抗風雪防冰凍電線電纜結(jié)構(gòu)、原理，及有關試驗方法。

【關鍵詞】抗風雪防冰凍 要求 設計 試驗

1前言

2008年初，我國南方和西北方遭遇50年來罕見的災害天氣，持續(xù)的低溫雨雪、冰凍給貴州、湖南等16個省市的生產(chǎn)和生活帶來了嚴重影響。由于受風雪冰凍導線或電纜表面大量覆冰，多地線路出現(xiàn)斷線，部分線路甚至出現(xiàn)倒塔等事故，造成500kV電網(wǎng)基本停運、220kV電網(wǎng)無法聯(lián)網(wǎng)、部分地區(qū)全部停電，局部地區(qū)交通、電力陷入癱瘓。？罕見的冰雪災害給電網(wǎng)安全和電力供應帶來了嚴峻考驗，引起了全社會對電力線路的關注和重視，也相應要求提高電網(wǎng)抵御特大冰雪災害能力和電網(wǎng)應急抗災水平。

2 電線電纜線路的抗風雪防冰凍要求

一般來說，普通電力線路是按15年一遇的抵御冰雪災害能力而設計，允許承受10-20毫米表面覆冰或雪的厚度，如果超出承載力，風吹震蕩，電力線路極易不勝重荷而斷裂。為提高電網(wǎng)抵御特大冰雪災害能力，提升電網(wǎng)應急抗災水平，國家電網(wǎng)公司全面提高電網(wǎng)設計建設標準，具體如下：110～330千伏電網(wǎng)設防標準由15年一遇提高到30年一遇，500千伏電網(wǎng)設防標準由30年一遇提高到50年一遇，750千伏電網(wǎng)設防標準為50年一遇，正在建設的特高壓工程設防標準按100年一遇考慮。除了參考國家建筑結(jié)構(gòu)設計規(guī)定，提高電網(wǎng)設防抵抗災害能力標準外，還有其它要求，分別是新增中冰區(qū)設計技術條件，堅持可靠性和經(jīng)濟性兼顧，合理提高電網(wǎng)大范圍抗冰能力；通過差異化規(guī)劃設計，在發(fā)生超過一般線路設防標準的嚴重自然災害情況下，能夠保持特高壓電網(wǎng)、核心網(wǎng)架、大型發(fā)電廠輸出線路、跨國跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)輸電線路等重要線路的安全穩(wěn)定運行等。

為進一步提供電網(wǎng)防災減災和科學發(fā)展的科技支撐，《電網(wǎng)防冰減災關鍵技術研究計劃》主要在下面幾個方面進行研究：一是研究提出差異化的電網(wǎng)規(guī)劃建設標準，進一步提高戰(zhàn)略性輸電通道、各電壓等級骨干線路和向重要用戶供電的輸變電設施的抵御冰災能力；二是研究開發(fā)大電網(wǎng)應急通信系統(tǒng)和應急指揮技術支持系統(tǒng)，進一步提高應急保障和指揮能力；三是研究災害氣象規(guī)律和輸變電設備覆冰機理，開發(fā)冰災氣象預警和輸電線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)，進一步增強覆冰綜合治理能力；四是研究開發(fā)大容量、高效率、自動化的電氣融冰裝置和靈活實用的機械除冰裝置，進一步提高輸變電設備除冰效率；五是研究開發(fā)用于電氣設備的防冰凍、除覆冰的新技術、新材料，防止或減少電氣設備覆冰等。

上述計劃也給作為電網(wǎng)關鍵部分的電線電纜，提出了相應的防冰減災研究規(guī)劃和要求。目前室外架空線路主要包括架空導線、架空絕緣線、架空通信電纜、各種進戶線、配線和接觸線等。對電線電纜的抗風雪防冰凍要求如下：一是按環(huán)境因素進行差異化設計，從電線電纜的抗災害強度方面滿足抗風暴、耐冰凍、受雨雪及其它災害的能力；二是針對相應的風雪冰災害機理，研發(fā)能夠自動調(diào)節(jié)靈活實用的抵御或減輕風雪冰災害的電線電纜；三是改變電線電纜的結(jié)構(gòu)設計，通過監(jiān)測智能系統(tǒng)調(diào)節(jié)電線電纜的周界環(huán)境，自動融雪化冰；四是開展多層次的新材料、新技術以及相應試驗方法的研究。

3 電線電纜的抗風雪防冰凍設計

3.1 設計思路

根據(jù)電線電纜的抗風雪防冰凍要求，我們分別從電線電纜抗風冰雪載荷和電熱融冰雪兩個方面進行設計，從而全面提高電力線路、通信線路等抗冰雪災害的能力。

3.2 載荷型抗風冰雪電線電纜

載荷型抗風冰雪電線電纜主要是通過提高強度、增大容量、減小體積和重量、降低周界附著力等方面進行設計的，常見的有新型高強度輕型合金導線、自阻尼導線、低風壓電線、防冰雪電線電纜等。

3.2.1 新型高強度輕型電力導線

這類導線主體部分以耐熱鋁合金線，其中合金鋁的電導率可達60%IACS，抗拉強度為160N/mm2，長期工作溫度為160℃或以上，比相應普通導線的截流量提高近一倍。而載力部分主要由高強度碳纖維或合金碳鋼來承荷，其中碳纖維復合線以其高抗張強度、低線膨脹系數(shù)、重量輕、耐腐蝕等優(yōu)點而逐步被廣泛推廣應用。采用新型高強度輕型電力導線，其良好的自阻尼減振特性能夠吸收較多的激振能量，可以更好地抗風雪等惡劣氣候條件。

3.2.2 自阻尼導線

自阻尼導線主要用于多風地帶，其結(jié)構(gòu)特點是在各個絞合層與層之間留有一定有間隙，自阻尼導線結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。當導線在風力狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)風舞振動時，由于各層導線的固有振動頻率各不相同而相互干擾，能夠自動抵消風舞振動的能量，達到減振輕荷的效果。這類導線的優(yōu)點是，可以減少導線的疲勞應力，相應提高線路壽命和降低成本。

1-加強芯件 2-導體 3-各層間空隙

3.2.3 低風壓電線

低風壓電線與普通電線相比，可降低30%-50%的風壓載荷，其減小風載荷原理模擬高爾夫球的表

面處理，使球表面形成漣漪來實現(xiàn)減小風載荷。該原理用來減小電纜表面所承受的風張力，電纜結(jié)構(gòu)示意圖見圖所示2。

1-導體半徑 2-絕緣凸脊及凸脊半徑 3-絕緣層 4-導電線芯 5-絕緣半徑

在強風地帶，帶有積雪的架空導線，通常會發(fā)生低頻大振幅的自激振動，可能引起相間短路或?qū)χС治锏膿p害。此時用相間隔離器，可使各相導線的扭轉(zhuǎn)風性各異，讓積雪時的積冰雪形狀不均，從而使作用于風上側(cè)和風下側(cè)的揚升力隨機化，以抑制擺動。

3.2.4 防冰雪電線電纜

在重冰雪地區(qū)，往往會由于電線電纜覆冰過重或冰雪過厚，而造成斷線或倒桿的線路事故。比較常見的結(jié)構(gòu)設計是采用帶翼狀結(jié)構(gòu)和防雪環(huán)式。防雪環(huán)式導線，將防雪環(huán)裝在導線上，當導線上的冰雪受風振而沿架空弧垂滑動時，因受防雪環(huán)而脫落。帶翼狀結(jié)構(gòu)防雪電線電纜見圖3所示，這種結(jié)構(gòu)電纜利用積雪時出現(xiàn)的不平衡而反轉(zhuǎn)，使得積雪滑落。由于周圍環(huán)境的惡劣，一般與融冰式方法組合設計，防冰雪效果才能比較理想。

1-導體 2-絕緣 3-翼狀結(jié)構(gòu)

在防冰雪電線電纜的外表面涂上一層化學憎冰性涂料，也能減小冰雪對導線的附著力，起到防冰脫雪的作用。

3.3 融冰雪式電線電纜

載荷型抗風冰雪電線電纜均靠電纜自身特性來達到抗風雪的目的。但在實際應用中，當周界環(huán)境惡劣多變時，載荷型抗風冰雪方式也無法滿足要求。此時，必須利用輔助電熱方式來融化冰雪。融冰雪電線電纜能夠自動融冰除雪，廣泛應用于重冰區(qū)的輸電線路上，可避免由于導線覆冰或積雪過重引起的斷線倒桿停電事故。

融冰雪式電線電纜有居里合金式、切換電流式、自控溫式等多種型式。其中前兩種方式只能用于電力線路中，而自控溫式也能用于其他線路中。

3.3.1 居里合金式融冰雪導線

居里合金是一種鎳-鉻-硅-鐵四元合金，該合金在低溫時具有磁性，在低溫時放在交變磁場中便會產(chǎn)生渦流而發(fā)熱融冰。通過這種合金的磁性改良，研發(fā)出高發(fā)熱型融雪線材，將該合金線材緊密卷繞在電力線路或加工電力導線中，便能起到一定的融冰雪效果。當然該導線融冰雪的能力會受到設計材料和電網(wǎng)電流等方面的影響。

3.3.2 切換電流式防冰雪導線

切換電流式防冰雪方法一般設計在鋼芯鋁絞線或合金線中，導線外部的鋁芯與內(nèi)部鋼芯之間有一層耐老化的絕緣層，在正常情況下，電流通過鋁線運行，當導線上面的溫度降到零下，并構(gòu)成結(jié)冰條件時，架設在桿塔構(gòu)架上的傳感器等電器元件控制相應切換開關，讓部分電網(wǎng)電流經(jīng)過鋼芯，從而對導線加熱而融化冰雪。融冰后仍通過傳感器等電器元件，將全部電流再切換到鋁線上，恢復正常運行。

3.3.3 自控溫式融冰雪電纜

自控溫融冰雪有兩種方式，一種是將自控溫加熱電纜緊緊敷設在電力或通信線路上，自控溫加熱電纜能夠長期將線路溫度穩(wěn)定在融冰雪的周界環(huán)境中，該方式通常工作溫度是固定的，一旦電纜制成后便不可改變，主要用于常年積雪的嚴寒地帶。

另一種是伴熱電纜，該電纜實質(zhì)是一種帶絕緣體的加熱元件，通過電力電子器件控制加熱元件的發(fā)熱功率，從而控制其加熱線路的溫度，可以靈活地進行冰雪災害預防。

4抗風雪防冰凍電線電纜的試驗要求

作為電線電纜，除了滿足電纜本身功能性的電氣和物理性能指標，加熱型電纜還需進行功率、溫度和抗老化壽命方面的試驗。還得滿足抗風防凍、耐環(huán)境等一些特殊試驗，主要有風噪音、風壓、電暈、難積雪、舞動、沙塵暴、抗冰凍、環(huán)境保護等方面的試驗。

4.1 風振試驗

架空導線在穩(wěn)定風流量的吹動下，會引起振動，導線的振動與風向、風速、導線外徑、檔距、海潑和環(huán)境因素有關。導線承受的動、靜應力超過其疲勞極限，經(jīng)過一段時間會發(fā)生斷股現(xiàn)象。風振試驗是利用電磁激振器模擬導線振動，根據(jù)IEEE相關標準激振頻率在100Hz內(nèi)，振動3×107后，將導線拆股查看有無開裂斷股現(xiàn)象。風振試驗能夠反應架空導線材料和結(jié)構(gòu)的抗振動疲勞性能。

4.2 舞動試驗

在風雨冰雪等自然條件下，導線承受低頻率、大幅度的振動時，考核導線的傳輸性能和機械性能發(fā)生的變化。通常規(guī)定試驗樣品按架設檔距固定，按標準施加張力，將激振頻率調(diào)整到共振頻率、連續(xù)舞動105次以上后，檢查導線的機械電氣性能的變化率。

4.3 蠕變試驗

蠕變試驗考核架空導線承受水平張力狀態(tài)下、由于結(jié)構(gòu)變形和材料延伸而產(chǎn)生的緩慢軸向塑性變形。按照IEC 61395規(guī)定，架空電線電纜在規(guī)定負荷下，持續(xù)1000小時后，分點記錄蠕變量，并繪出蠕變曲線，根據(jù)該曲線，推算出10年、20年后的蠕變量。

抗風雪防冰凍試驗在電線纜方面仍需經(jīng)過研究部門進行深入的研究試驗，并在實際應用中進行驗證和調(diào)整。

5 結(jié)語

惡劣的自然風雪災害對相關行業(yè)電力和通訊設備的鐵塔、導線、電纜和附件，提出了更高的要求，為避免電網(wǎng)覆冰災害的再次發(fā)生，重建和未來電網(wǎng)建設中，將對抗風雪防冰凍的性能要求大大提高，相應產(chǎn)品的市場也會迅速增加。相應地，抗風雪防冰凍電線電纜的市場前景比較良好，具有較高的社會經(jīng)濟效益。