輸電線路類型凍害分析及預防措施

吳 闖

（國網呼倫貝爾供電公司，內蒙古呼倫貝爾 021000）

由于我國地域廣、山丘較多，輸電線路冰雪災害較為常見。以2008 年1 月南方電網冰雪災害為例，華東、華中電網系統有多達幾十條500 kV 線路出現了倒塔現象，進而引起輸電線路的解列和停運，直接造成貴州境內500 kV 的骨干網大面積癱瘓。

實際上，凍雪或凍雨覆冰主要直接引起輸電線路出現機械性或電氣性故障，進而造成線路負荷過載、線路舞動或斷線、絕緣子發生閃絡或倒塔等輸電事故，嚴重時會進一步引起電力系統發生解列，由此對國民經濟及社會生產造成的損失難以估量。因此，近年來，相關學者及現場技術人員提高線路防凍保護的意識，積極開展防凍研究，從技術、設備、維護措施等多方面進行優化或改進以降低凍害造成的輸電故障損失。

鑒于此，本文開展輸電線路凍害分析，探討現有輸電線路凍害故障預防技術的優勢及存在的問題，總結現有輸電線路凍害預防可行的運維措施，有利于科學指導我國輸電網絡凍害的預防與處理，降低凍害所造成的影響，經濟意義和社會意義重大。

1 輸電線路凍害類型劃分及成因

對于架空輸電線路而言，根據凍害發生位置及引發后果的特征差異，可將發生的凍害類型主要劃分為桿塔基礎凍害、接地體損傷凍害、耐張線夾和導線損害凍害、復合絕緣子凍害及線路附屬設施凍害等。而對于電纜線路而言，主要發生的是電纜線路的凍脹。

1.1 桿塔基礎凍害

土壤的高含水率、高有機質含量、腐殖質土及泥炭土等，由于較大的溫度變化及水分補給情況下的相對復雜凍特性的影響，造成突然與桿塔發生機械應力的相互作用[1]。桿塔基礎凍害主要表型為桿塔傾斜、塔材彎曲、斷裂、基礎沉降、上拔和裂紋等。其中起直接作用的是凍土，根據其特點分為凍脹類凍土、融沉類凍土、流變與蠕變類凍土等類型[2]。

凍脹類凍土主要是指土壤在低溫凍結情況下發生內部水分凍結的情況，這會引起土體體積出現膨脹。凍脹的危害主要在于輸電塔受土體膨脹力的作用出現基礎拔起的現象，且該影響日積月累地使得塔體基礎埋深逐漸減小，直至最終使其失去穩定性導致發生基礎拔斷或者拉斷。融沉類凍土主要是指土壤下方的厚層地下冰以及高寒地區的冰量凍土層，由于該凍土層埋藏較淺、距離地面相對較近，在環境溫度升高或者人工活動的干預影響下會出現融化現象，以蠕動泥流或者熱融沉陷為主要體現的形式，其存在極易誘發鐵塔的傾斜、剪切變形或者發生其他的破壞。該類凍土由于其內部存在冰包裹體、液態水、固體礦物顆粒及空氣和水蒸氣等成分比例并非均勻分布，因此凍土形變時存在各向異性，這會導致塔體不同塔退發生不均勻形變，最終致使塔體受力不均勻而發生傾斜。

1.2 接地體損傷凍害

桿塔接地裝置是防止雷電危害不可或缺的措施之一，由于受外力破壞或電化學腐蝕等因素影響，接地體容易發生損傷和斷裂故障。接地體損傷凍害主要表現為接地網斷裂、接地模塊斷裂、接地引線斷裂。柳貢強等對于凍土區域輸電線路接地故障機理進行了系統研究與分析，研究結果表明：①凍土區域線路運行年限越長，接地體故障幾率越大，該類故障極易發生于焊接點、連接處等薄弱位置；②凍融的頻繁發生也會降低桿塔基礎的抗拔力，致使其出現上拔現象，進而導致接地體出現破壞性損傷。

1.3 耐張線夾和導線損害凍害

1.3.1 耐張線夾

接續管壓接和耐張線夾是保證特高壓輸電線路超遠距離不間斷輸電的重要手段。耐張線夾凍害主要表現為變形、裂紋、斷裂等。吳坤祥等[3]針對某±800 kV 線路的耐張線夾未壓區出現的膨脹開裂缺陷進行系統研究，通過采用宏觀檢查、解剖及滲水試驗等方法，最終揭示了現場耐張線夾出現膨脹開裂的具體原因，即線路上的金具串基本呈倒掛狀態，將子導線壓接后會有縫隙存在于鋁股線之間，雨雪天氣液態水會通過該縫隙進入倒掛的耐張線夾，積累的水多次結冰膨脹產生的累積效應最終會致使耐張線夾開裂、銹蝕鋼芯，威脅線路輸電安全。

1.3.2 導線

輸配電線路大多直接暴露于自然環境，雨雪天氣的存在會致使線路上附著冰雪或者水滴凝結成冰，即導線覆冰現象[4]。倘若低溫天氣持續，則導線上的覆冰將持續累積，嚴重時會發生線路凍害故障。實際上，線路導線覆冰現象的出現需要3 個必備條件：一是線路周邊空氣的濕度必須足夠大，水分含量滿足凝結條件；二是存在附冰物，如導線；三是低溫環境持續時間必須充足以保證導線上冰晶的充分凝結。

在設計輸配電工程中線路的過程中，設計人員也會充分考慮線路覆冰情況，然而，由于同時兼顧施工難度、成本等因素，線路覆冰設計裕度無法從根本上完全抑制覆冰故障的發生。導線覆冰損害發生的主要原因就是因為導線實際覆冰的厚度大于設計閾值，這會致使線路承受超過其耐受負荷的應力、出現導線斷裂、桿塔折損等事故。與此同時，倘如導線覆冰并非均勻發生，當部分線路張力不足時還會使桿塔發生傾斜。此外，線路覆冰也會導致線路外絕緣層的加速老化或絕緣層的凍裂，這些都會導致停電故障的發生。

1.4 復合絕緣子凍害

復合絕緣子凍害主要表現為絕緣子材料耐久性和絕緣性能降低，出現橡膠老化、變硬、開裂和芯棒脆斷等現象。當線路絕緣子串覆冰或者出現冰凌橋接的現象后，絕緣泄露距離嚴重縮短，局部沿面絕緣電阻顯著下降，極易發生沿閃事故，具體表現為絕緣子串表面出現電弧灼傷；與此同時，絕緣子串易出現不均勻覆冰或不同期脫冰現象，相鄰檔張力差導致直線桿塔承受張力差，使懸垂絕緣子串偏移，碰撞橫擔，造成絕緣子損傷或破裂[5]。此外，盤形瓷絕緣子在極低溫度環境下會由于內部溫差的影響導致不同位置“隱患應力”。經過多次循環，造成應力逐漸增大，最終導致絕緣子劣化[6]。

1.5 電纜線路的凍脹

電纜線路凍漲的成因主要有二：一種是因為電纜隧道積水、本體絕緣性能降低、附屬設施損壞；另一種原因是電纜隧道在地表以下，夏季持續性降雨、暴雨或地表以下反水導致電纜溝積水，冬季積水冰凍，導致電纜隧道內部發生故障。

1.6 線路附屬設施凍害

線路附屬設施凍害主要表現為在線監測系統壽命縮短、電池老化、本體損壞等。

2 輸電線路凍害故障預防技術

2.1 桿塔基礎凍害預防技術

根據輸電線路基礎凍害發生的主要原因，可采用以下幾種技術措施預防輸電線路基礎凍害的發生。

2.1.1 換填根據前文梳理的桿塔基礎凍害發生的原理可知，桿塔基礎凍害發生的關鍵因素仍在于塔基附近土質的多樣性及其凍融特性的差異性，鑒于此，在實際工程應用中，可以通過換填法來降低桿塔凍害的發生，但換填物的選擇、換填比例、換填方式等均需具體情況具體分析。與此同時，在換填施工過程中，需要注意桿塔塔基周圍土體的含水量不能過高[7]。然而，值得注意的是，換填法施工相對復雜，且施工方案設計不合理時會出現桿塔失穩及地的擾動等情況，造價也相對較高。鑒于此，在實際工程應用設計時，需要充分考慮選用換填法的合理性并兼顧工程造價。

2.1.2 隔排水

水是凍害現象發生的先決條件，因此當塔基建設在地下水位較高且凍害容易發生的地區時，可以從隔水和排水2 個角度分別對桿塔基礎凍害進行控制[8]。例如，在施工過程中，可以采用隔水土工布，利用其將桿塔基礎周圍的土體與高含水率土地相互隔離，這可以顯著減少土體水分遷移，抑制桿塔基礎的凍脹。與此同時，對于透水性能較好的基礎土體而言，可以通過增加砂礫石反濾層來進行排水，即將礫石反濾層設置于桿塔基礎側面。隔排水的方法在預防桿塔基礎凍害上的原理與換填法的原理較為類似，且施工成本和復雜度同樣相對較高，因此實際應用時需進一步考量施工合理性。

2.1.3 隔熱

對于存在較多年限的高緯度、高海拔地區的凍土層而言，由于該類凍土層的穩定性及機械性能相對較差，在其上方開展桿塔建設施工的過程中，極易發生多年凍土層融化、退化的現象，這會導致桿塔塔基的下沉；與此同時，建設完成后由于該區域的嚴寒天氣循環交替，又極易發生桿塔塔基凍拔現象，這極易造成桿塔塔基的損壞[9]。鑒于該情況，本文建議首先可以在桿塔基礎周圍鋪設隔熱板，其可以減少施工過程中熱量向凍土層的傳播，以此來減少外界施工對凍土層溫度場現有分布的破壞，同時還可以縮小桿塔基礎周圍環境溫度的差異，減小塔基循環凍融的發生程度，抑制嚴重凍脹現象的發生。劉萬福等[10]通過仿真計算論證了上述隔熱板的存在確實可以有效減少施工對于地下凍土層溫度場分布的破壞。然而，值得注意的是，本文所提的措施目前只適用于新建設的桿塔，這是由于早期建設的桿塔施工較為復雜，難以施行所提的建議，操作難度大。

2.1.4 反壓

為了降低桿塔凍害發生時凍拔現象發生的嚴重程度，在一定條件下可以通過增加桿塔自重來與凍拔力進行一定的對抗或抵消，與此同時，還可以通過增加拉伸等方式進一步增強對桿塔的空間約束，抑制凍拔的發生。

2.2 接地體損傷凍害預防技術

為了保證線路防雷接地的效果，同時減少因塔基凍害上拔導致接地體的損壞，本文建議采取以下措施：一是輸電塔基設計時應盡可能避開沼澤地、河灘等冰凍土富含的地區以降低桿塔上拔的影響，倘若無法避開該類區域，利用置換土的方式。二是提高焊接工藝、減少接地結構的薄弱區域、提高接地結構的抗腐蝕性。三是適當采用柔性接地方式來緩和塔基上拔時給接地體帶來的應力，抑制接地體破壞性損傷的發生。

2.3 耐張線夾和導線凍害預防運維措施

2.3.1 耐張線夾

針對耐張線夾的凍害預防，本文提出建議的運維措施如下：一是加強施工過程的監管，確保施工人員在進行導地線壓接前應清潔壓接位置，且均勻涂抹電力復合脂，并在壓接時采取防松線股的相關措施。二是需要改進壓接管，確保壓接管的未壓接區域增加鋁質襯管或者填充電力脂，從根本上避免雨水滲入到耐張線夾的發生，避免耐張線夾因積水的凍脹而發生開裂。三是增加運維頻次或監測設備，持續關注耐張線夾的狀態，及時發現潛在隱患并進行針對性處理。四是通過采用無人機或直升機巡視等先進運維手段提高巡檢的效果。五是適時開展耐張線夾鼓脹的消缺，對退役的鼓脹線夾開展機械拉伸實驗以累計運維數據、輔助運維策略的制定。此外，還需加強現場缺陷辨識，并對未壓區膨脹開裂的耐張線夾進行及時更換。

2.3.2 導線

針對架空線的凍害預防運維，本文建議如下：首先，在電網系統運維過程中，運維人員可以將部分監視或保證系統安裝于線路上，以此來實現對線路狀態的實時監督，便于及時采取有效措施預防導線覆冰的發生，同時提高運維人員的防范意識，定期現場或視頻巡視，及時發現潛在導線覆冰隱患。其次，我國地域東西跨度和南北跨度均較大，不同地區的氣候千差萬別，在此情況下，針對不同運行工況下的導線采取相同的覆冰設計值顯然存在不合理性。鑒于此，十分有必要針對不同地區的線路覆冰情況及氣象信息進行統計和分析，據此合理劃分冰區，針對導線冰凍極易發生的地區，覆冰設計余量應相對提高。此外，根據需要還可適當建設冰情監測站以加強導線覆冰的預防和監管。

2.4 復合絕緣子凍害預防技術

其一是從復合絕緣子制備過程，通過優化、改進原料和生產工藝制造出可以降低由于溫度變化造成復合絕緣子組成元件所產生應力的復合絕緣子，據此減緩其絕緣老化速度。

其二是可以從防冰和除冰的角度出發，采用加熱除冰或者新材料涂層防冰技術。文獻[11]借鑒“荷葉效應”制備出了一種可以實現超疏水的涂層，該涂層的存在可有效降低絕緣子的覆冰量。文獻[12]進一步研究了絕緣子疏水涂層對于線路覆冰過程的影響，揭示了帶有疏水涂層絕緣子覆冰延緩的機制。然而，盡管涂層可以降低覆冰的嚴重程度，但一且絕緣子表面出現覆冰，則同樣容易出現故障，鑒于此，專家考慮進一步從融冰的角度采取可行措施。例如，將可調電阻涂料添加至硅橡膠涂料研制了可兼顧電熱效應的防冰涂層，這在一定程度上抑制冰層覆蓋于絕緣子表面現象的發生。然而，該類復合型的涂層材料目前的研究仍然主要以防冰為主、融冰效果相對較差，這主要是因為該類電熱涂層中融冰成分添加稍多即會引起絕緣子沿面泄露電流的增大，容易引起線路沿面閃絡的發生，降低絕緣子的性能、威脅電網運行安全。此外，也有學者嘗試在憎水涂層中添加可以吸收光的材料，其可以將吸收的太陽能轉換成融冰的熱能，以此提升線路復合絕緣子的抗冰、融冰性能，例如張宇等[13]研制出了光熱型涂料用于附著復合絕緣子表面，并隨即開展了太陽光照強度和實驗環境溫度等因素對于復合絕緣子帶電融冰過程的影響，研究發現所研制的涂層具有較好的融冰能力，且太陽光照強度的增大或者環境溫度的升高均會增強絕緣子表面的融冰效果。

2.5 電纜線路的凍脹預防運維措施

通過采用覆冰監測、微氣象監測、導線溫度監測和視頻圖像監測等手段，可以實現實時或定期監視輸電線路溫濕度、拉力、覆冰等狀態數據的數值及其變化情況，據此及時制定措施以抑制線路凍害的發生。

2.6 線路附屬設施凍害預防技術

針對線路附屬設施凍害的防護，可以從提高設備生產質量、提升電池制備工藝及防凍保護等方面開展研究工作，以抑制線路附屬設施凍害的發生。

3 結束語

我國輸配電工程中線路存在覆蓋范圍廣、跨度大、密度高的特點，在長期運行過程中，線路凍害較為常見，極易誘發輸電故障，威脅電網運行安全。本文系統地梳理了輸電線路的凍害發生類型及其特點，針對各種輸電線路凍害提出了切實可行的運維和預防措施，有利于科學指導我國輸電網絡凍害的預防與處理工作。