架空電力輸電線路安全運行的探討

中國航天建設集團 趙侃坤

1 架空電力輸電線常見故障

1.1 雷擊造成線路中斷

架空輸電線路所在的高度導致其在自然條件下易受雷擊侵襲，其造成的過電壓分為兩種，一是雷電發生在架空線路附近，二是雷電直接作用在架空線路上。電力輸電線路雖設置有絕緣層、絕緣子等保護性措施，但線路本身由金屬材料制成，雷電形成的強烈電磁場會導致輸電線路上產生過電壓，線路上的絕緣層在長期使用過程中會出現相對薄弱的點位，過電壓會將這些薄弱點擊穿。過電壓同時會進一步引發導線上的過電流，巨大的電流作用在本身就存在一定阻值的金屬導線上，短時間內就會在導線上產生大量熱量甚至直接引燃絕緣層。

以10kV架空線路為例，過電壓會引發絕緣子及其下方的金屬橫擔出現閃絡，此時絕緣保護失效，短路通路形成，工頻續流最終將導致線路跳閘或導線熔斷。如雷擊閃絡沒有損壞線路、僅是造成絕緣子閃絡，當過程結束后被擊穿的空氣又會迅速占領原有的空間并形成絕緣環境，這種情況下重新合閘基本上都能成功。

1.2 線路覆冰

在長距離的架空輸電線路中桿塔間存在較大跨度，電力輸電線路的芯線大多以重金屬制作而成，自重非常大，大跨度的線路受到重力作用對桿塔產生強大的拉應力。在降雨、降雪后，低溫作用導致線路、絕緣子及其他部位上產生厚重的覆冰，由此增加了線路及桿塔承擔的負荷，嚴重時會導致金屬導線受力變形甚至斷股。覆冰在風力作用下部分脫落，突然的重力變化引發導線跳躍，這種突然的應力變化增加了桿塔和導線的變形風險。另外覆冰本身也具有形態和體積，導線部署在野外空曠環境下很易受到風力的作用，結冰的導線形成了更大的受力面積，強風使其在空中大幅度舞動，這也是使導線受損的常見原因。可見覆冰對導線、桿塔、絕緣子及桿塔上的金具都會產生不同程度的影響和損壞，威脅架空線路安全運行。

1.3 線路污閃

發生這種情況存在三個先決條件：較高的運行工頻電壓；起到絕緣保護的絕緣子表面覆蓋了大量的污染物，如鳥糞、灰塵等；污染物在降雨、降雪、霧氣、潮氣的作用下吸收了大量的水分，成為可導電的介質。線路受到污染后最直接的后果是引發大面積的跳閘，原因是同一個區域內的絕緣子類型基本一致，而降雨、霧氣、降雪、覆冰等可造成線路絕緣子污染的情況通常覆蓋面較大，一次性會影響一個區域內大量的絕緣子，此時如某一處引發了跳閘，即使重新合閘成功電網系統的穩定性依然難以保障，因為其他的絕緣子也受到了污染，隨時可能引發跳閘。故此，當線路存在污閃的風險時，要對區域內受天氣影響的其他絕緣子統一進行檢查和處理，否則無法保障電力系統的穩定性。

1.4 外力破壞

違章的工程建設造成線路中斷。在道路施工、橋梁施工或者其他類型的施工活動中，有些施工企業在管理過程中并沒有完全按照規范辦理作業票據或超過規定范圍施工，進而造成電力基礎設施被破壞，典型的情況包括挖斷電纜、破壞桿塔基礎的穩定性。還有些是因從高空拋下物體直接擊打在電力輸電線路上，進而引發線路中斷。

建筑物或者樹木干擾電力輸電線路。架空輸電線路本身帶電，且由其產生的工頻電磁場還會對人體形成一定的輻射作用，為了電力系統的穩定運行及避免電磁輻射對人體造成危害，建筑物選址要和電力輸電設施保持足夠的安全距離，然而有些建筑物違章建造，安全距離不符合國家規范的要求。另外樹木也是干擾電力架空線路的常見因素之一，有些樹木生長速度非常快，樹冠的不斷擴大會對架空線路形成外力作用；垃圾異物或人的活動也會干擾破壞電力輸電線路。如焚燒垃圾或農作物秸稈損害電力設施、氣球和風箏等漂浮物落在輸電線路上，這些情況都可能引發電力線路跳閘。

1.5 鳥類危害

鳥類普遍具有筑巢的行為習慣，通常情況下鳥類將巢穴安置在樹木的枝杈上，但也有些鳥類會將巢穴筑在電力桿塔上，鳥類筑巢后其排泄的糞直接落在桿塔的絕緣子、金具及橫擔等位置，在潮濕、大霧、下雨或下雪的情況下鳥類糞便成為導體，極易引發絕緣子閃絡跳閘事故。我國對自然環境的保護力度逐年加大，并通過植樹造林活動不斷增加森林覆蓋率，鳥類的繁衍活動也因此變得更加頻繁，有些鳥類還屬于國家級保護動物，如在桿塔上筑巢須采取安全移除的措施。根據歷年來的統計資料，由鳥類造成的電路輸電線路故障已排到所有故障類型前三位。

1.6 風力因素

架空輸電線路部署在高空，尤其是特高壓、超高壓線路工頻電磁場效應更為突出，考慮到控制電磁輻射的需求，這類線路通常都部署在較高的位置，而高空位置的風力作用非常顯著，線路在其作用下會不斷擺動，再加上自重影響，易因過大的負荷而形成機械性損害。由風力作用引發的故障類型常見如下：風偏故障。架空線路在重力作用下自然垂直于地面，但受到風力影響線路會發生位置偏離，此時有可能在導線間引發相間放電問題，另外拉應力的變化導致導線和線路固定連接部位產生放電也是非常突出的一類問題；線路舞動。當風向不穩定時輸電線路在其作用下左右搖晃，由此產生的拉應力作用在桿塔之上，增加了桿塔變形、倒塌風險。另外高壓輸電線路的舞動也會大幅增加閃絡的概率，金具、螺栓等用于固定線路的結構在這些應力的作用下也會逐漸掉落。

1.7 設計缺陷

電力架空輸電線路是在地面上設置桿塔基礎，然后通過吊裝、組裝、放線等操作完成施工，輸電線路在設計規劃階段要對其地質條件、周邊建筑物和道路的規劃方向、農業活動的影響等做出全面系統的評估。如，要判斷周邊是否存在泥石流、滑坡、軟土地質等不利因素，地質勘察是排除這些不利影響的主要舉措。另外電力輸電線路跨度都很長，前期的規劃階段還需考慮后期是否存在道路、橋梁、管道施工等因素的干擾。如前期調查規劃階段沒有充分考慮到這些因素，在后期使用過程中就可能引發各種問題。因此在設計規劃階段應做好技術調研工作，一方面規避不利的自然因素，另一方面也應充分考慮到基礎設施建設或人為活動造成的干擾，提前加以預防。

2 架空電力輸電線路安全運行策略

2.1 合理設計電力輸電線路

路徑選擇。在規劃電力架空輸電線路的路徑時要綜合考慮經濟節約、維護便捷、安全可靠等需求，通過嚴格的地質勘察活動掌握周邊的水文信息、山體信息、地下水信息及森林資源信息等，通過合理的設計來預防各類地質災害對輸電線路造成的干擾。我國基礎設施建設活動非常活躍，高鐵、高速公路、大型機場的建設需求始終保持在相對旺盛狀態，會在一定程度上干擾到電力線路，因此在線路規劃階段要結合具體的工程建設方向做好前瞻性的預測。從經濟性的角度看，線路越短越好，并要盡可能減少轉角、彎折之類的設計，規避復雜的施工條件。

基礎設計。電力設施的桿塔建立在鋼筋混凝土基礎上，現階段的電力工程建設中基本上都是采用樁基礎，以預制或現澆的方式建造桿塔的混凝土樁基。樁基結構的穩定性、強度和耐久性對電力輸電線路的安全運行起到非常關鍵的作用。桿塔基座體積較大，在澆筑或預制的過程中易因溫度控制不到位或養護不到位而差生裂縫，進而在后續的使用中影響輸電線路的正常運行。應嚴格檢查桿塔混凝土基礎的結構完整性、預留螺栓的長度，確保其達到設計要求。

桿塔選型。目前國內使用的輸電線路桿塔分為兩種類型，一是體型較大的鐵塔，主要用于輸送主干線路，其高度和重量都較大。在城市或鄉村的道路兩側部署了大量的預置鋼筋混凝土桿，整體高度較低。桿塔的材質和結構形態直接決定了其對架空線路的承載能力，尤其是在考慮風力、重力載荷、覆冰等因素的情況下，應該充分評估桿塔的性能是否滿足使用的需求。

2.2 預防雷擊斷線的技術措施

設置護纜導電帶。主要作用是預防潮氣或雨水等進入導體芯線，同時導電帶本身也具有良好的導電性能，和線纜間可產生較大的接觸面積，其對雷電產生的高溫作用也能也能產生良好的耐受力；一夾通引弧金具。這種裝置由引弧球、接地環、通用夾線等組成，其優點是可實現自鎖。中和球具備預防氧化、可中和正負電荷的作用。其中的引弧球以金屬材料制作而成，本身就具備良好的耐高溫性能，在遭受雷電沖擊的情況下也不易燃燒，進而對輸電系統產生了良好的保護作用。

消弧棒。在遭受雷擊的情況下輸電線路上有可能產生較為強烈的電弧作用，消弧棒以耐腐蝕、耐高溫、導電性能出色的材料制造而成，可以起到良好的消弧作用，其主要構成部分包括引流板和消弧球；接地棒。輸電線路的桿塔上必然會設置避雷針，在遭受雷電作用時通過專門的接地線將電流導入到地下，接地線的材料為銅包鋼，在地面下50cm深度處挖設出專門的接地溝，在其中敷設出接地網，然后再將桿塔上引下的銅包鋼和接地線連接在一起形成完整的接地網。銅包鋼的最外層設計有導電性能優異的銅材料，進而可以實現良好的導電性能，在雷擊情況下起到顯著的保護作用。在上技術措施的支撐下，電力輸電線路可達到較好的防雷擊故障效果。

2.3 加強電力輸電線路巡檢，及時處理潛在故障隱患

日常的巡檢工作對及時消除一些潛在的電力輸電故障具有重要的作用：通過巡檢活動消除鳥類的干擾。鳥類的筑巢活動是比較常見的干擾性因素，鳥類會在電力輸電設施上產生大量糞便排泄物，這些污染物吸收水分后即可導電，進而破壞絕緣子的功能、導致其閃絡，在日常巡檢過程中要及時清除桿塔上的鳥巢和鳥糞；消除樹木或違章建筑的干擾性作用。樹木的生長速度非常快，特高壓、高壓輸電線路部署在桿塔上，距離地面高度較大，不太可能受到樹木或違章建筑干擾。而隨著城市和鄉村道路布置的輸電線路也非常多，此類線路距離地面高度較小，隨著樹木生長或違章建筑的建設會受到嚴重干擾，日常巡檢中還要處理樹木和違章建筑方面的問題。

城市建設活動需求非常頻繁，居民住宅、道路、地下設施等都會產生大量的動土作業和吊裝作業，機械設備誤觸、物體跌落等都可能損壞電力輸電線路，進而導致故障停電。相關部門應形成聯合管理模式，通過制度措施加強對工程建設的監督，防止因不規范的操作而破壞線路、桿塔、混凝土桿或混凝土基礎。

2.4 處理覆冰問題的技術措施

設計層面的預防措施：覆冰是一種常見自然現象，難以通過技術手段避免架空線纜上出現覆冰。造成的最直接危害是增加了輸電線路負重，如其耐受力不足會導致機械性的受損，如導線斷股。在經常出現低溫冰凍、降雪的地區應提高導線和桿塔的承重能力，使其在覆冰的情況下也不會出現機械性的損傷。

消除導線上覆冰的技術措施：電流溶解法。電力輸電線路本身存在一定的電阻值，如適當增加負荷電流，根據焦耳定律線路運行時產生的熱量也會更加明顯。因此在線路覆冰情況下可通過增大電流的方式適當提高其放熱量，進而借助這些熱量溶解導線上的覆冰，但電流不能過大，否則會影響線纜的安全性；機械除冰法。如覆冰情況非常嚴重，通過電加熱法難以在短期內有效的處理覆冰，此時也可考慮機械除冰的方式，先對相關線路實施停電操作，然后再手持工具除冰，這種作業方式的最大缺點是要斷電。除人工之外和可采用滑車式除冰器。

2.5 構建高效率的線路巡檢模式

國內在電力管理中積極構建信息化、智能化的平臺，借助電力大數據平臺對電壓、電流、負荷等各類關鍵參數實施全面的監控，管理人員借助信息化平臺觀察這些參數的走勢和趨勢，并借此來判斷系統是否存在隱患。如，當電力輸電線路的載荷異常升高時線路上的電流、發熱量也會隨之增長，嚴重時可引發線路故障。可根據實時的電力大數據掌握可能發生故障的區段、分析潛在成因，進而實時維護和保養。在電力線路巡檢工作中積極引入無人飛行器之類的工具，人工巡檢模式在當前的時代背景下呈現出效率低下的缺陷，無人飛行器借助高精度的攝像機對線路覆冰、桿塔受損、鳥巢等情況實施檢查，進而提高巡檢工作的效率。