浅谈输电线路覆冰故障处理技术.doc

浅谈输电线路覆冰故障处理技术左亚鹏、柴冰、史宏伟摘 要：在运行输电线路中，导线覆冰现象较为普遍，特别是近几年来天气气候的变化，导线覆冰的几率日趋增大。输电线路覆冰引起的故障严重地影响了电力系统的安全正常运行，给社会经济带来巨大的损失。浅谈影响覆冰的因素、形成、类型，借鉴现有的有效方法和技术，对周口地区的输电线路覆冰故障建议防范与处理的措施。自2005年1月以来周口地区多次遭受了50年一遇的冰雪凝冻灾害，电网因冰灾损害严重。特别是220kV川水线、薛淮线和川淮线在冰灾中多处受损，共造成导线和架空避雷线30余出损伤，187处杆塔绝缘子、金具、横担损坏等严重现象。灾情过后，也向电力企业敲响了警钟；对于天气寒冷而又多雨的中原地区来说，输电线路导线覆冰严重影响着输电线路的安全运行，覆冰也给安全生产方面带来了严重危害，并加大了输电线路运行维护的工作量，增加了企业成本；同时也反映出输电线路抗自然灾害的能力比较薄弱。因此有效地避免和防止冰灾对输电线路造成的危害，是电力企业必须面对的新的课题。只有多措并举，才能积极有效地防治输电线路导线覆冰带来的危害。1 输电线路覆冰的危害一般来讲，覆冰对电网输电线路的破坏有三种。第一种是少量的覆冰，它在导线上这种圆截面的覆冰不是均匀地包在上面，它可能形成一个椭圆或者形成其他形状，在大气当中构成了一个迎风面，当风的角度和冰的迎风面角度合适的时候导线就会舞动。第二种情况就是闪络，结构也不破坏，但是它的绝缘失去了，一闪络，电就送不出去了。第三种也是最普遍的，由于垂直负载过重，把结构整个压垮。 2 影响输电线路覆冰的因素2.1 影响导线覆冰的气象条件影响输电线路导线覆冰的气象因素主要有空气温度、风速风向、空气中或云中过冷却水滴直径、空气中液态水含量。这四种因素的不同组合确定了导线导线覆冰类型。多发生在每年1、2月份，尤其在冬季和初春季节，当气温下降至-50，风速在315m/s时，如遇大雾、毛毛雨或小雨加雪，首先将在导线上形成雨凇；如此时气温升高，天气转晴，导线上的雨凇便开始融化；如天气继续转晴，则覆冰过程终止；如天气骤然变冷或气温继续下降，冻雨和湿雪则在粘结强度很高的雨凇冰面上迅速增长，形成密度大于0.6g/cm3的较厚的冰层；如气温继续下降至-15-8，原有冰层外侧积覆雾凇。这种过程将导致导线表面形成雨凇混合凇雾凇的复合冰层。如在这种过程中天气变化出现多次晴转冷的天气，融化再结冰增加了覆冰的密度，如此往复发展将形成雨凇和雾凇交替重叠的混合冻结物，即混合凇。一般来说，最易覆冰的温度为-80。若气温在-20-15或更低时，水滴将变成冰雹或雪花而不易于形成覆冰。当有了足够的温度后，覆冰的形成还必须有较高的空气湿度，一般空气湿度达到90%以上。在覆冰过程中，风对输电线路导线覆冰起着终于熬的作用，它将大量过冷却水滴源源不断地输向输电线路，与导线相碰撞，被导线捕获而加速覆冰。当具备了形成覆冰温度和水汽条件后，除了风速的大小对覆冰有影响外，风向也是决定导线覆冰轻重的重要参数之一。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；风向与输电线路垂直或风与导线之间的夹角小于45或大于150时，覆冰则比较严重。但在覆冰形成过程中，风向不是固定不变的，总有一些时间风与输电线路导线有一定夹角。2.2 地形及地理条件的影响输电线路导线覆冰的轻重还取决于山脉走向、坡向与分水岭、台地、风口、江湖水体等因素。在冬季或初春时节，在高空受西南温湿气候和东北寒冷气候的交替影响，黄淮地区长期持续的低温、雨雪、冰冻极端天气给河南、湖南、安徽等省（市、区）的生产生活带来了严重影响，电力输电线路覆冰严重。周口位于黄淮地区中东部豫东平原，河南省东南部，东临安徽阜阳；西接漯河、许昌；南与驻马店相连；北与开封、商丘接壤。地势平坦，农田肥沃辽阔，农田灌溉水利建设发达，河流河网错综复杂、密布，空气湿度较大。其中220kV川水线、川淮线路东西走向，地势平坦开阔，多次跨越河流，空气中水汽充足，部分线路杆塔处在两村庄或河堤河道内形成风口等微气候地段，在输电线路覆冰观测中输电线路导线覆冰直径20mm左右,覆冰面积大、范围广。2.3 走向及悬挂高度对覆冰的影响输电线路导线覆冰与线路走向有关，东西走向的线路导线覆冰普遍较南北走向的线路导线覆冰严重。冬季覆冰天气大多为北风或西北风，输电线路导线为南北走向时，风向与导线轴线基本平行，单位时间与单位面积内输送到输电线路导线上的雾粒叫东西走向的线路导线少得多。输电线路导线为东西走向时，风与导线约成90的夹角，从而使导线覆冰最为严重。输电线路导线覆冰与风向几乎成正弦关系。而且输电线路导线为东西走向在覆冰后，由于不均匀覆冰的影响，导线覆冰可能会诱发覆冰舞动。在条件相同的地区，一般海拔高程愈高，愈易发生覆冰，覆冰厚度越厚，且多为雾凇；海拔高程较低处，其冰厚虽较薄，但多为雨凇或混合冻结。周口地区的输电线路大多为东西走向，导线悬挂高度平均在23m左右，又处于密布的河网河道内，输电线路受覆冰的几率较大，也比较严重，线路一旦覆冰多为雨凇或混合冻结。输电线路导线悬挂高度越高，覆冰越严重，这是因为空气中液水含量随高度的增加而升高。风速越大、液水含量越高，单位时间内向导线输送的水滴越多，覆冰也越严重。因此，覆冰随导线悬挂高度的升高而增加。2.4 导线直径与覆冰厚度和扭转对覆冰的影响当风速在38m/s时，导线直径越大，其相对导线单位长度覆冰量越重；当风速大于8m/s时，对于任何直径的导线，导线直径越大其覆冰量越重，但覆冰的厚度是随导线直径的增加而减小。覆冰在迎风面上生长，达到一定厚度时产生扭转力矩。导线扭转加速覆冰增长。这是因为导线覆冰时形状往往很不规则（有扇形、椭圆形、新月形、圆形等）导线承受偏心荷重，由于其扭转角度与L2/4 (L为线路档距,为导线直径)成比例，而L,故导线易发生扭转，这就便于在导线的各个侧面上进一步积冰。档距中央线段的扭转程度要比悬挂点线夹处附近大，随风运动的过冷却水滴得以均匀地积聚到扭转导线的整个表面，而不像固定不扭转的线段那样覆冰主要积聚在迎风面一侧，对比之下，悬挂点线夹附近导线与气流平行的长径增长得快，与气流正交的短径增长的慢，迎风面积增加不多，冰重增长较慢，而档距中央长径、短径增长比较均匀，与气流正交的迎风面积增加较多，冰重增长较快，质量较大。3 输电线路覆冰的原因和种类输电线路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。周口地区河流错综交杂，空气潮湿湿润，受西伯利亚寒流和太平洋暖湿气流的共同影响，2008年初周口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。输电线路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-50，风速为315m/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。4 输电线路危害的特点4.1 输电线路覆冰倒塔（断线）的特点输电线路覆冰倒杆（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，当输电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。 输电线路架空避雷线覆冰图片 输电线路杆塔横担覆冰图片4.2 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。 输电线路铁塔瓷质绝缘子覆冰情况图片 输电线路铁塔复合绝缘子覆冰情况图片5 输电线路防冰除冰技术5.1 输电线路热力防冰技术输电线路导线覆冰严重威胁着电力线路和电力通讯网络的安全可靠运行。防止输电线路导线覆冰事故发生的方法从原理上可分为防冰和除冰两种。防线路导线覆冰方法是在覆冰物体前采取各种有效技术措施，使各种形式的覆冰物体上无法积覆，或即使积覆其总的覆冰荷载也能控制在物体可承受的范围内；除冰的方法是物体覆冰达到危险状态后采取有效措施，部分或全部除去物体上覆冰的方法或措施。输电线路导线热力防冰有3种技术，即：铁磁材料线、电磁波微波激光器、热吸收器。其缺点是：需要较高的能量消耗，一般需要110Kw/的功率；即使其效率达到100%，也仅在覆冰初期或对局部导线产生有效的防冰效果；使用成本高。在输电线路上运用较好的方法是低居里磁热线，其原理是利用具有低居里温度点的铁磁合金制作成各种满足防冰器件并安装在严重覆冰线路地段的防冰技术。有点主要有铁磁线能产生较高的热量，维持导线表面温度在冰点以上；磁性器件易安装不会对导线本身造成损伤；可根据不同的要求将铁磁材料制成不同形式的器件（如：铁磁线、预绞丝、防冻套筒等）可手工将其以固定螺距缠绕在导线上，从而达到有效防覆冰目的。5.2 输电线路热力除冰技术热力除冰技术就是指物体覆冰后采取各种加热措施，使其表面上覆冰融化或脱落的方法。目前热力除冰主要有阻性线、短路电流、过电流、热力、热水5种技术措施，其中过电流和短路电流技术比较适用于输电线路。短路电流熔冰可分为三相短路熔冰、导线导线型二相短路熔冰、导线地线型单相短路熔冰三种方法；过电流除冰可分为带负荷熔冰，一种情况是在正常运行的基础上改变系统运行方式增大负荷电流而达到熔冰的目的；另一种情况是对重冰区的线路进行改造，在熔冰冰点站内设置熔冰自耦变压器达到实现带负荷熔冰的目的。还有一种方法是利用移相变压器熔冰，其具有可带负荷熔冰，在备用和运行的条件下可快速操作，也可以根据天气的气象条件来调整熔冰电流，根据设备情况将移相变压器安装在变电站内。6 输电线路导线覆冰的防范措施输电线路导线覆冰对电网安全稳定运行产生很大的影响，因此必须采取有效的措施，防止导线覆冰事故的发生。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。6.1 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。6.2 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。6.2.1 悬式绝缘子串增加大盘径伞裙阻隔法（1）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。（2）特制复合绝缘子：向复合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。（3）复合绝缘子加大盘径绝缘子：在原来运行的复合绝缘子上方加一片大盘径瓷质绝缘子。（4）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。6.2.2 杆塔悬垂绝缘子串斜挂法杆塔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。在输电线路多次发生舞动的线路区段或东西走向的线路加装防舞动装置，双串绝缘子间增大挂点间距或档距内加装绝缘相间间隔棒等防舞动装置。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爆炸、炸裂等情况。除了采取以上措施外，还要加强地形、微地形地貌、微气象区的资料收集，建立专门为解决输电线路覆冰问题的观测站或观测点，详细对覆冰区域的划分。7 结束语周口平原地区覆冰灾害气候对电力输电线路的破坏是很大的，通过进行技术经济比较并结合已有的运行经验，综合采用以上的技术改造方案对重冰区、微地形、微气候区域的架空输电线路进行改造，可以提高输电线路抗覆冰灾害的能力，从而提高电网安全稳定可靠运行的水平。