输电线路的覆冰研究

摘 要最早有记录的输电线路覆冰事故1932年出现于美国,而最近几十年来，我国也遭受了大范围的冰灾事故，2008年元月，我国南方遭遇暴雪、覆冰凝雪等极端恶劣气候的袭击，导致电煤短缺，全国17个省级电网拉闸限电，损失惨重。覆冰问题顿时成为迫在眉睫的热点问题。

关键词：覆冰，事故，闪落，预测

中图分类号：TM621.5文献标识码： A 文章编号：

电力工业是保障国民经济快速、健康发展的基础，国家电网立足我国能源分布和生产力发展不平衡的基本国情，规划建设交流1000千伏和直流±800千伏特高压电网，以保证经济稳定持续的发展有笃实的基础。然而输电线路的覆冰问题却一直困扰着电网系统。

一、覆冰形成原因和过程

导线覆冰首先是由气象条件决定的，是受温度、湿度、冷暖空气对流、环流以及风等因素决定的综合物理现象。云中或雾中的水滴在0℃或更低时与输电线路导线表面碰撞并冻结时，覆冰现象就产生了。

覆冰按形成条件及性质可分为A、B、C、D、E五种类型。

A型称雨凇覆冰，是在冻雨期发生于低海拔地区的覆冰，持续时间一般较短，环境温度接近冰点，风相当大，积冰透明，在导线上的粘合力很强，冰的密度很高，雨凇覆冰是混合凇覆冰的初级阶段，由于冻雨持续期一般较短，因此，导线覆冰为纯粹的雨凇覆冰的情况相对较少。

B型称混合凇，当温度在冰点以下，风比较猛时，则形成混合凇。在混合凇覆冰条件下，水滴冻结比较弱，积冰有时透明，有时不透明，冰在导线上粘合力很强。导线长期暴露于湿气中，便形成混合凇。混合凇是一个复合覆冰过程，密度较高，生长速度快，对导线危害特别严重。

C型称软雾凇，是由于山区低层云中含有的过冷水滴，在极低温度与风速较小情况下形成的。这种积冰呈白色、不透明、晶状结构、密度小，在导线上附着力相当弱。最初的结冰是单向的，由于导线机械失衡，逐渐围绕导线均匀分布，在此情况下，这种冰对导线一般不构成威胁。

D型和E型分别为白霜、雪，白霜是空气中湿气与0℃以下的物体接触时，湿气往冷物体表面凝合形成的，白霜在导线上的粘结力十分微弱，即使是轻轻地振动，也可以使白霜脱离所粘结导线的表面，与其他类型覆冰相比，白霜基本不对导线构成严重危害。

导线覆冰的基本物理过程是严冬或初春季节，当气温下降至-5～0℃，风速为3～15m/s时，如遇大雾或毛毛雨，首先将在导线上形成雨凇，这时如果气温再升高，雨凇则开始融化，如天气继续转晴，则覆冰过程就停止；这时如果天气骤然变冷，出现雨雪天气，冻雨和雪则在粘结强度较高的雨凇面上迅速增长，形成较厚的冰层；如温度继续下降至-15～-8℃，原有冰层外则积覆雾凇。在这样一个过程中，出现多次晴～冷变化天气，短暂的融化加强了冰的密度，如此往复发展将形成雾凇和雨凇交替重叠的混合冻结物，即混合凇。

三、输电线路覆冰的危害

我国是世界上受冰灾影响最大的国家之一，基本上每年都会发生输电线路覆冰的情况，而且每隔数年便会发生一次较为严重的冰灾事故。其中湖南、湖北、贵州、江西、云南等省都不止一次地发生过严重的输电线路覆冰事故。

1、 线路覆冰倒杆（塔）断线

线路覆冰倒杆（塔）断线，一是由于覆冰时杆（塔）两侧的张力不平衡造成的。在一些地形起伏较大的地区，两相邻的杆（塔）在高度和距离上存在很大的差距，在还未覆冰时两侧就形成了较大的不平衡张力，当线路上出现大密度的覆冰时，杆（塔）两侧的不平衡张力加剧，当张力不断加大，直至到达杆（塔）、导线所能承受的极限时，就出现了导线断落或杆（塔）倒塌的现象。因此，在灾后恢复和未来的设计改造中，应尽量避免大高度差、大距离和大转角。二是线路上有大密度的雨凇覆冰时，因为雨凇覆冰是“湿”度增长过程，其粘附能力强，不易掉落。在风的激励下，导线会产生大振幅、低频率的自激振动。当舞动的时间过长时，会使导线、绝缘子、金具、杆（塔）受不平衡冲击疲劳损伤。

2、 覆冰绝缘子串的闪络

绝缘子的冰闪是冰害的另一种，当绝缘子发生覆冰现象后，在特定温度下使绝缘子表面覆冰或被冰凌桥接后，绝缘强度下降，泄漏距离缩短。在融冰过程中冰体表面或冰晶体表面的水膜会很快溶解污秽物中的电解质，并提高融冰水或冰面水膜的导电率，引起绝缘子串电压分布的畸变（而且还会引起单片绝缘子表面电压分布的畸变），从而降低覆冰绝缘子串的闪络电压。大气中的污秽微粒直接沉降在绝缘子表面或作为凝聚核包含在雾中，将会使绝缘子覆冰融化时，冰水电导率进一步增加。另外有关试验数据表明，覆冰越重、电压分布畸变越大，绝缘子串两端，特别是高压引线端绝缘子承受电压百分数越高，最终造成冰闪事故。

四、冰害的防治措施及融冰法的研究现状

冰害对输电线路的安全稳定运行产生很大的影响，因此必须采取有效的措施，防治冰害事故的发生。

1、 经过重冰区的输电线路应严格按《重冰区架空输电线路设计规定》进行设计

对于档距较大的重覆冰地段，采取增加杆塔、缩小档距的措施，以增加导线的过载能力，减轻杆塔荷载，减小不均匀脱冰时导线、地线相碰撞的机遇。对重覆冰区新建线路应尽量避免大档距，使重覆冰区线路档距较为均匀。

增加输电线路的覆冰承载能力，还可以在不改变原有杆（塔）位置的情况下，将钢芯铝绞线更换为新型的钢芯铝合金导线，这样既保证了线路的输电能力，又满足覆冰过载时导线的安全运行。

2、 绝缘子串的防冰

由于绝缘子串结构、形状复杂，在自然环境条件下的风向、风速及湿沉降水种类等的作用下，绝缘子的覆冰形状千姿百态，因此要防止运行线路的绝缘子串覆冰有较大的难度。运行中的覆冰绝缘子串发生闪络的主要过程是，被冰凌桥接的绝缘子串处于融冰状态时，电导率高的融冰水形成水帘，导致绝缘子串裙边之间形成闪络通道，从而发生绝缘子串闪络。因此，阻断绝缘子串裙边融冰水形成水帘，是防止绝缘子串发生冰闪的一种有效方法。而绝缘子串水平悬挂、V型串、斜向悬挂等，则可起到防止融冰水形成垂直水帘的作用。

3、 融冰法的研究现状

输电线路覆冰不仅严重影响电网稳定运行，而且对整个国民经济发展都有影响。世界上很多国家都对覆冰输电线路融冰技术进行了广泛而深入的研究，有很多方法已经被应用到了实际融冰过程中并取得了一定的效果。根据融冰机理的不同，可以将常见的融冰方法分为热力融冰、机械除冰及自然脱冰三类。

热力融冰法：

短路电流融冰法与带负荷融冰都属于热力融冰，是利用焦尔效应融冰，如湖南电网就曾使用短路电流融冰；宝鸡电力局曾使用过带负荷融冰，通过对需要融冰的线路人为的增大其负荷达到融冰目的。

机械除冰法：

利用各种机械动力使冰产生应力破坏而从导线上脱落的除冰方法即为机械除冰方法。滑轮铲刮法是目前唯一可行的输电线路除冰的机械方法。它由滑轮、牵引绳及涂漆的胶合板或环氧树脂板等器件构成，加在滑轮上的力要足够让导线产生弯曲，这样产生的应力才能使冰破裂脱落。

自然脱冰法：

自然脱冰方法是不需要外界供给能量而靠自然力除冰防冰的法。在导线上安装阻雪环、平衡锤等装置可使导线的覆冰堆积到一定程度时依靠风力、地球引力、辐射以及温度突变等作用自行脱落。

(4)新涌现的除冰方法：

除了上述的常见的除冰方法外，随着研究的深入，近年来涌现出了很多新的融冰方法。例如：碰撞前颗粒冻结，电子冻结以及高频高压激励法等等。这些有的方法仍处于理论研究阶段，有的已经通过实验证实可以有效除冰但尚未付诸实践。

我国幅员辽阔，气象多变，除岭南等少数地区无冰外，多数地区都有不同程度的导线覆冰，导致覆冰事故频繁发生。如覆冰增加线路何在，可能引起断线甚至倒塔；覆冰引起导线舞动，造成线路短路等，这些灾害严重威胁了我国电力系统的安全运行，造成重大的经济损失和社会影响。鉴于输电线路覆冰对电网安全运行的威胁，对导线覆冰的研究具有非常重要的意义。

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