浅谈输电线路覆冰灾害的分析及防范

浅谈输电线路覆冰灾害的分析及防范杨承林，谢正峰，胡其伟单位：贵州电网输电运检分公司遵义管理所，地址：遵义市农科所内，邮编：563100DiscussiononthetransmissionlineicingdisasteranalysisandPreventionYangChenglin,XieZhengfeng,HuQiweiZunyiCityinAgriculturalAbstract:in2008Januaryand2011January,mostareasofourprovincehassufferedtworarecontinuinglarge-scalelowtemperature,rainandsnowandfreezingweatherprocessofextremeattacks,resultingintransmissionlineofGuizhoupowergridicecoverallthelargearea,threateningthesafeoperationofthepowernetworkandequipment,leadingtosomepowerlinesoverwhelmedanddisconnection,sothatpowerfacilitieswasinruins,andcausedbytheicecovertripping,resultedinpartialsinglewireconnectionsubstationvoltageloss,bringseriouseconomicloss,therefore,tocarryouttheanalysisandpreventionofice,hasbecomeanimportantandurgenttaskforce,toimprovethesecurityoperationoftransmissionlineisofimportantvalue.Keywords:powertransmissionline;icing;disaster;analysis;prevention摘要：2008年1月和2011年1月，我省大部分地区遭受了两次罕见的持续大范围低温、雨雪和冰冻极端天气过程袭击，造成贵州电网输电线路全部大面积覆冰，严重威胁着电力网络及设备的安全运行，导致一些输电线路不堪重负而断线，使电力设施遭到毁灭性破坏，还有因覆冰引起线路跳闸，导致部分单线连接的变电站失压，给国家带来严重的经济损失，因此，开展覆冰的分析和防范，已成为一个重要而迫急的课题，对提高输电线路的安全运行具有重要的价值。关键词：输电线路;覆冰;灾害;分析;防范1、输电线路的覆冰形成的原理根据贵州的气候条件，贵州输电线路覆冰一般分为雪凇、雾凇、雨凇、混合凇四种类型。1.1、雪淞：落雪附着在导线上，形成了较大的圆筒形成覆雪。贵州下雪时的温度一般在-5℃—0℃，落雪由于地理位置的不同，所形成的雪凇有很大的差别，一般雪淞的密度在0.2—0.35g/cm3之间，落雪处在迎风口的位置，被风融化后再凝结，很容易形成冰，密度相对大一些，其结冰情况相似于树木的积雪成冰。由于导线都处在高空，导线上长时间的覆雪也会造成类似的结冰。1.2、雾凇：在气温叫低的情况下，大气中的水汽过于饱和，随着气流遇到固体凝结，形成放射状的结晶称之为雾凇，在气温没有变化的情况下，雾凇在一定时间里形成较快，面积广泛，但密度较小，密度一般在0.1—0.3g/cm3。且对导线的附着力较弱，容易脱落。导地线及杆塔长时间的处在雾较大的区域，也会加大负载力度。1.3、雨凇：大气中的过冷却水滴在导线的迎风面形成透明的覆冰成为雨凇。这种冰的中间没有气泡，所以表面光滑透明，这类冰的密度大，并且牢固的附着在物体上，不易脱落，密度在0.7—0.9g/cm3。1.4、混合凇：雨雾凇混合冻结通常是由过冷却水滴在导线的迎风面形成透明与不透明交替的冰层，或似毛玻璃的不透明冰层。虽也包含许多微小的气泡，这种冰附着力强。平均密度在0.35—0.5g/cm3。随着覆冰的时间越长，覆冰越严重。贵州凝冻的时间一般较长，输电线路的覆冰并不是一种情况形成的，所以混合凇在贵州电网的输电线路较为常见。2、覆冰对输电线的破坏及分析2.1绝缘子覆冰后引起冰闪跳闸覆冰改变了绝缘子的电场分布，覆冰中含有污秽等导电杂质时更易造成冰闪。冰闪事故成因从气象特征看，较大范围的降雪导致的雪凇、雾凇、雨凇和区域性的持续大雾，是一种特殊形式的污秽，对于输电线路来说是一种自然灾害，易形成大范围的绝缘子冰凌冰闪故障，随着线路运行环境的不断劣化，在雾天，以大气中悬浮的细小尘埃为凝结的雾滴沉降会使近地面大气污染浓度突发性增高，持续大雾带来的湿沉降将使绝缘子受更大污染，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，泄露距离缩短。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[4]。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，由此可见在大雪（或雨加雪）或持续大雾气象条件下形成的绝缘子覆冰是发生冰闪的主要原因。冰闪事故的发生一般具有以下特点：2.1.1绝大部分冰闪故障均发生在悬垂绝缘子串，其中双串悬绝缘子串为大多数。这是因为一是在覆冰后或大雾条件下双串绝缘子间电场分布相互影响，导致串间空气间隙电场畸变，使其最低闪烙电压比单串低，当双串间的净空气间隙大于60cm时，单双串的放电电压才基本一致。二是双悬垂串绝缘子的串间积污情况要比耐张串、“V”型串、单悬垂串严重，而且积污水平也与双串间的净空气间隙成反比[5]。三是由于采用了双挂形式，双悬垂串绝缘子的积水面也较大。2.1.2、冰闪故障的故障点均位于气候变化异常的大山、丘陵及属于两个气象区交界处海拔较高的分水岭以及风口处。这是因为这此地段在冬季极易出现结冰、浓雾现象。2.1.3、冰闪故障的发生时间，一般在融冰期内。在下雪或大雾天气，雪粒及水滴粘附在瓷瓶或合成绝缘子上，并且横担的角铁面上也积存了很多的积雪和水滴，当温度升高时，铁塔、绝缘子的导热性能好在气温升高时开始融化，角铁面上积雪先开始融化，沿着角铁面向绝缘子串的垂直面上溅落，与绝缘子面上的积雪融合，形成半透明的冰水，污秽物也融解在冰水中，由于比重增大，冰水就沿着绝缘子的垂直边沿向下沉坠，并且与下一层的冰水融合，形成新的冰水，最后在绝缘子的瓷裙边缘，形成时断时续的上细下粗葫芦式的冰凌，当绝缘子的背阴处的冰凌开始融化并时断时续的下淌，形成连续的冰柱，这时融解在冰水中的污秽，使冰面导电性剧增，使绝缘子沿裙边缘的冰柱泄漏电流剧增，短接了绝缘子沿面的爬距，其结果使绝缘子在工频电压下发生闪络。2.1.4、冰闪故障的故障区域一般位于污秽较为严重的地区。实际上纯冰的绝缘电阻很高，完全可以满足输电线路安全运行，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。绝缘子冰闪故障是区别于普通的污闪故障，其特征为在雨雪天气，由于气压低，空气中的污物无法扩散，大量吸附在雨雪、大雾中。大气中的污秽物积聚于绝缘子表面有两种方式：一是在覆冰前污秽物已沉积在运行绝缘子表面，在温度升高时极易在绝缘子表面形成污流；二是在冻结前悬浮水汽已溶解或捕获空气中的微小导电粒子，即过冷却水滴在冻结前已被污染，且导电杂质具有“晶释效应,即冻结时水中杂质被排释在冰晶体外表面[3]。因此，无论属于何种积污形式，其所形成的冰晶体外表面具有较高导电率极易引起故障，因此单独的调爬或更换合成绝缘子还不能解决绝缘子冰闪的根本问题。2.2线路覆冰负载过大引起线路跳闸及设备破坏线路负载过大：即导线覆冰超过设计抗冰厚度(风压面积增加)而导致的金具损坏、导线断股、杆塔损折、绝缘子串翻转、撞裂等。根据所发生的覆冰事故分析，覆冰事故可归纳为以下两类：2.2.1、线路覆冰不均匀导线有覆冰且为非对称覆冰(迎风侧厚，背风侧薄)时，线路易发生舞动；大截面导线比小截面导线易舞动，分裂导线比单导线易舞动；导线在融冰脱冰不对称时导线更容易舞动。导线舞动的运动轨迹顺线路方向看近似椭圆形，由于舞动的幅度大，持续时间长，轻则引起相间闪络、损坏地线、导线、金具等部件，重则导致线路断线倒塔等引起线路跳闸。2.2.2、线路覆冰过重a.覆冰过重会使导线和架空地线从压接管内抽出；或外层铝股全断，钢芯抽出的事故；也有整根拉断或耐张线夹出口附近导线外层断股等。b.也有因弧垂增大，导线对地间距减小而导致电气距离不足造成线路跳闸；也有因地线弧垂增大，因导线舞动造成与地线互碰、烧伤及烧断导地线。c.线路覆冰过重会使塔头顺线路方向折断，也有因导地线不对称布置，也会使线路垂直方向将塔头折断。d.线路覆冰过重会使基础下沉、倾斜或爆裂，引起杆塔倾斜或倒塔的事故。e.线路覆冰过重会使引起多分列的导线扭转、舞动、使绝缘子串翻转、碰撞、自爆等现象的发生。2.2.3、不同期脱冰对于导线和地线来说，相邻档不均匀覆冰或不同期脱冰都会产生张力差，使导线在线夹内滑动，严重时将使导线外层铝股在线夹出口处全断、钢芯抽动，造成线夹另一侧的铝股发生颈缩，拥挤在线夹附近，一般长达1～5m（悬垂线夹和耐张线夹均有此类情况发生）。因导地线划出线夹后，由风的摆动引起电气距离不足引起线路跳闸。3、输电线路覆冰灾害的防范措施3.1、设计阶段的预控措施。在电网规划设计阶段要进行广泛的调查研究，特别在贵州地区，有必要搞清楚线路经过区域历史上出现过的覆冰灾害状况，确定正确的抗御覆冰灾害的方案。在设计新建输电线路时，建议考虑以下几点：3.1.1选择线路路径时，尽可能选择低海拨且交通运输较好的地段，避开重冰区、重污区、山顶、分水岭、风口、迎风坡处等地段。3.1.2建议用截面积为80mm2以上的架空地线，导、地线线夹处全部采用护线条代替铝包带作保护，地线采用双线夹（这样能控制覆冰不均匀时地线滑移引起电气间隙不足而跳闸）。3.1.3耐张段塔基数尽可能控制在6基左右，耐张段长度不宜超过2km，相邻档距（包括水平档距和垂直档距）相差值越小越好，对于档距较大的直线杆塔，建议导线采用双悬垂绝缘子串（双挂点和双线夹）和护线条作保护，进一步防止导线向前后滑移。3.1.4对于同塔双回的线路，设计档距不宜超过400m，档距大于400m后，脱冰时因导线舞动容易导致相间因电气距离不足引起线路跳闸。3.1.5为了降低高压输电线路冰闪引起线路跳闸事故的发生，建议采取以下几个防护措施：a、采用大盘径绝缘子隔断。在直线悬式绝缘子串的上部、中部、下部各装一片大盘径绝缘子，阻断了整串绝缘子冰凌的桥接通路。b、定制合成绝缘子。向合成绝缘子厂家定制上、中、下各有一片特大伞裙的合成绝缘子。3.2、运行阶段的防范措施3.2.1、加强输电线路日常维护工作。在冬李来临前对线路作一次全面的登塔巡视,仔细检查金具、导线、绝缘子等是否完好、脏污，线路通道内树木的生长高度等，对发现的问题和隐患应及时处理。3.2.2、提前选择好各条线路的观冰点。观冰点选择原则一般为：a、选择线路海拔较高的塔位作为观冰点贵州处于云贵高原的地理带上，海拔相对较高，平均海拔在1200米左右，且贵州电网的部分杆塔在2000米以上。海拔越高，气温越低，雾越大，在恒低温持续时间较长的情况下，输电线路及铁塔长时间处在大雾的笼罩下，会积成均匀而厚厚的一层雾凇，所以，海拔高度是作为观冰点选择的一个重要参数。b、根据地形及地理环境选择观冰点贵州省的地理环境复杂，高山较多，所以很多杆塔都分布在山顶、分水岭、风口、迎风坡处，部分杆塔架设在水汽较重的湖库周边，这些地带的导地线和杆塔都很容易积冰，且贵州的气候一般是晚上下冻雨，白天为雾天或阴天，在晚上气温较低、白天恒温和长时间的持续，以上地形及地理环境覆冰会