覆冰对输电线路危害与预防措施

覆冰对输电线路危害与预防措施

介绍覆冰形成、线路冰害的类型，着重分析绝缘子覆冰特性及对运行中的线路提出预防措施。

在我国，导线覆冰主要发生在西南、西北及华中地区。

贵州省按地区冬季平均气温计算，大都在0℃以上，受北方南下冷空气及西南暖湿气流共同影响下，自2008年1月12日开始，全省各地区持续低温多雨、雨夹雪天气，遭遇了50多年来最为严重的一次大范围、长时间的冰冻灾害。贵州电网被分割瓦解成7块，贵州电网累计受到冰害破坏的电力线路达5029条，占贵州全省线路总数的77%；全省50多个市县被迫停电；停运的变电站649所，占贵州全部变电站的69%；倒杆线路有416条。

由此可见，由覆冰、舞动引起的输电线路倒杆（塔）、断线及跳闸事故，严重威胁到电网的安全稳定运行及供电可靠性。

1、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。

贵州省地处云贵高原，海拔在1500m以上，境内沟壑纵横，地势高低不平，空气潮湿，受西伯利亚寒流和太平洋暖湿气流的共同影响，2008年初贵州大面积的遭受了覆冰危害。导线表面发生覆冰现象必须满足以下几个条件：大气中必须有足够的过冷却水滴，过冷却水滴与导线接触，过冷却水滴立即冻结在导线表面。

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。

空气中的干雪或冰晶很难粘结到导线表面。只有当空气中的雪为“湿雪”时，导线才会出现积雪现象。
当有强风时，雪片易被风吹落，导线覆雪不可能发生，故导线覆雪受风速制约，因此平原地区或低地势无风地区，导线覆雪现象较山区常见。

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。

2、影响覆冰的因素

当具备了形成覆冰的温度和水汽条件后，风对导线覆冰起着重要的作用。它可将大量的过冷却水滴不断地输向线路，与导线碰撞而被截获并逐步增大形成覆冰现象。据观测，覆冰首先在导线迎风面上成长，当迎风面达到某一覆冰厚度时，导线因重力作用而产生扭转，从而出现了新的迎风面。这样，导线通过不断扭转而使覆冰逐步增大，最终导线上形成圆形或椭圆形的覆冰。

除了风速的大小对覆冰有影响外，风向与导线平行时，或当与导线之间的夹角小于45°或大于150°时，覆冰较轻；风向与导线垂直或风向与导线之间的夹角大于45°或小于150°时，覆冰比较严重。

除了风速大小和风向会影响覆冰外，线路走向和导线悬挂高度及导线直径都会影响到导线的覆冰力学。一般来说，我国东西走向的导线覆冰，普遍较南北走向的导线覆冰严重，因此在重冰区线路走线时，尽量避免呈东西走向。导线悬挂高度越高，覆冰越严重，因为空气中液水含量随高度的增加而升高，有利于覆冰的形成。另外，导线越粗覆冰也越严重。

3、输电线路覆冰危害的特点

3.1 线路覆冰倒杆（塔）断线的特点
 

线路覆冰倒杆（塔）断线的特点：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。

3.2 覆冰绝缘子串的闪络特性

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。

实际上，纯冰的电阻很高，完全可以满足电力系统安全运行的要求，只有当冰中混杂有导电杂质后，覆冰绝缘子的闪络电压才会降低。这不仅因为冰闪是由于冰中含有污秽等导电杂质造成的，而且从污秽绝缘子和覆冰绝缘子的耐受电压和闪络机理也可发现其相似性。图1为覆冰绝缘子交流耐受电压和污秽绝缘子交流耐受电压的比较。

图1 覆冰绝缘子与污秽绝缘子交流耐受电压的比较

从图1中曲线可知，除了两者耐受电压的数值有差异外，覆冰绝缘子与污秽绝缘子的耐受电压随等值附盐密度的变化趋势基本一致。

4、冰害的防治措施

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。

一般而言，防止输电线路冰害事故的最重要方法，是在设计阶段采取有效措施，尽量避开不利的地形，即尽量避开最严重的覆冰地段或“避重就轻”。线路宜沿起伏不大的地形走线，尽量避免横跨垭口、风道和通过湖泊、水库等容易覆冰的地带，翻越山岭时应避免大档距、大高差，沿山岭通过时，宜沿覆冰季节背风向阳而走线，应避免转角点架设在开阔的山脊上，且转角角度不宜过大等，达到减少覆冰概率和减轻覆冰程度的目的。

4.1 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，以LGJ-400型导线为例，可将其换为新型HL4GJQ-400，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。杆（塔）的承载没有增大，反而减小。HL4GJQ-400钢芯铝合金导线比LGJ-400钢芯铝绞线抗拉强度增大1.26倍、重量降低9.35%。在同等地理、气象条件下，新选择的导线、避雷线组合比原设计的导线、避雷线组合的抗覆冰性能大大改善。

当线路走向、杆（塔）位不变的条件下，导线由LGJ-400钢芯铝绞线更换成HL4GJQ-400钢芯铝合金导线后，最大使用张力由58224.5N降至57196N，每米导线覆冰时的垂直荷重由63.93N降为62.3N，避雷线规格不变，每米避雷线覆冰时垂直荷重不变，但最大使用张力由原来的47462.7N降为39275.3N，从垂直荷载和水平张力的数据显示，杆（塔）的荷载有了明显的降低，杆（塔）的安全储备得到明显提高。

导线的最大使用应力相同，HL4GJQ-400的比载较LGJ-400的小，故对地距离、交叉跨越距离有所改善。导线的安全系数由2.22（按新手册实为2.109）提高到2.6655，避雷线的安全系数由2.5（按新手册实为2.225）提高到2.8倍，导线、避雷线的安全系数均提高1.26倍，覆冰的过载能力得到了较大提高，按50mm冰区校验已能满足规程要求。

4.2 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。

根据前面的论述及分析，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。

4.2.1 悬式绝缘子串增加大盘径伞裙阻隔法

·大盘径绝缘子隔断：在直线悬式瓷绝缘子串的上部、中部、下部各更换一片大盘径绝缘子，阻断了整串绝缘子冰凌的桥接通路。
·特制合成绝缘子：向合成绝缘子生产厂家定做上、中、下各有一片特大伞裙的合成绝缘子，将原运行的合成绝缘子替换下来。
·合成绝缘子加大盘径绝缘子：在原来运行的合成绝缘子上方加一片大盘径瓷绝缘子。
·粘贴大伞裙或绝缘板：加特制伞裙或绝缘板（草帽型），通过将原有普通合成绝缘子采用粘贴或热塑等方法，将特制大伞裙固定为一体或采用加草帽型绝缘板。

4.2.2 悬垂绝缘子串斜挂法

绝缘子串水平悬挂或V型悬挂以及倒V型悬挂，均可提高覆冰绝缘子串的冰闪电压，而对于直线杆塔来说悬垂绝缘子串，改水平悬挂或V型悬挂是有较大的困难，而改为倒V型悬挂工作量也很大，而“架空送电线路运行规程”中规定，直线杆塔的绝缘子串顺线路方向的偏斜角不得大于7.5°，这是从直线杆塔两侧的导线档距内的受力平衡来考虑的。如果考虑了两侧的平衡，有意识地将顺线路方向的绝缘子串偏斜角加大，这样也可以改善覆冰绝缘子的冰闪电压。

多次发生舞动的线路区段加装防舞动装置，双串绝缘子间增大挂点间距或加装间隔装置。

重覆冰区线路不宜采用玻璃绝缘子串，以减少或防止因玻璃绝缘子覆冰后长时间的局部电弧使其烧伤或引起炸裂等情况。

除了采取以上措施外，还要加强地形、气象区的资料收集，建立专门为解决输电线路覆冰问题的观测站，细化对冰区的划分。