输电线路冰灾事故原因及按新国标提高设计标准的措施

徐大成，黄欲成，柏晓路，韩鹏飞

（中南电力设计院，湖北 武汉 430071）

2008年初，我国南方大部分地区出现了持续的大范围灾害性冰雪天气，此次雨雪冰冻天气过程影响持续时间长、涉及范围广、危害程度大，给这些地区的电力造成严重影响。由于输电线路覆冰严重，导致多条输电线路铁塔、导线、绝缘子、金具等遭到不同程度的损坏[1-3]。

此次电网大面积冰灾的教训让我们明白：今后我国的复杂大电网可能要越来越多地经受大面积覆冰的考验[4-5]，大电网覆冰灾害问题将会更加突出。因此，研究冰雪灾害条件下复杂大电网的安全运行具有重要的现实意义。

以2008年全国输电线路的冰灾情况为背景，主要分析此次覆冰倒塔的原因和特点，提出电网加强抗冰能力的设计措施，并对新国标中提高设计标准和修订完善的条款进行简单的分析。

1 2008年500 kV输电线路冰害情况

根据“电网覆冰灾害技术研究专家组成立暨第一次会议纪要”的统计，2008年全国500 kV线路损坏59条，共计倒塔957基、杆塔局部受损189基。其中15mm及以下轻、中冰区占93.8%，20mm及以上重冰区占6.2%。

在倒塔总基数中，直线塔占89.9%，耐张塔占10.1%，在受损杆塔中，大多数是地线支架破坏，部分是导线横担破坏，同时在湖南、江西等覆冰较重地区绝缘子串覆冰多呈现冰柱桥接状态，导致覆冰闪络情况时有发生。2008年中国因冰灾引起的500 kV线路倒塔事故情况统计见表1。

表1 2008年冰灾500 kV输电线路倒塔及受损情况统计表

2 覆冰倒塔的特点

1）受灾严重地区主要分布在山区。主要是因为山区海拔较而且塔位多处于山顶、风道、垭口地带或山的阴面，这些地区容易形成严重覆冰，同时山区线路高差较大，档距分布相对不均匀，导线在严重覆冰后对杆塔产生较大的纵向张力差。各类地形雨凇积冰的直径见表2。

表2 各类地形雨凇积冰直径mm

从表2可以看出，山顶、迎风坡的覆冰厚度是窄河谷和高地的2耀4倍。因此，线路经过相对突出高耸地形或相邻档距大小悬殊，宜按微地形处理，适当提高杆塔抗冰强度，需采用能承受一定张力差的直线杆塔或采用耐张杆塔开断。

2）轻、中冰区抗覆冰过载能力明显不足。从此次冰灾输电线路倒塔情况来看，15 mm及以下轻、中冰区倒塔占93.8%，而20 mm及以上重冰区仅占6.2%。

3）直线塔抗覆冰能力非常弱，在15 mm及以下冰区直线塔倒塔占该冰区倒塔总基数的92.1%。

4）从杆塔局部受损情况看，大多数为地线支架破坏。主要是由于地线偏高并且不带电，导致地线覆冰严重，超过了地线的最大覆冰厚度（现场收集的覆冰资料亦证明了这一点），从而导致铁塔尤其是直线塔的地线支架受损破坏。

3 覆冰倒塔原因

2008年我国南方大部分地区发生的持续性低温雨雪冰冻极端天气为历史罕见。超过50年一遇，部分地区达百年一遇。特别是冰雪天气持续时间长达一个月，电线多次反复结冰，增加了灾害的严重程度，近20天的大气环流异常是造成这次大范围低温雨雪冰冻灾害的根本原因。输电线路导线覆冰表现特征为雨凇，雨凇使得覆冰厚度大大超过了原设计边界条件。覆冰导致输电线路机械性能和电气性能下降是造成覆冰事故的最直接原因，主要表现在4个方面[6-7]：

3.1 严重覆冰引起过荷载

覆冰会增加所有支持结构和金具的垂直荷载；输电线路水平荷载也会随着导线迎风面覆冰厚度的增加而增加。严重覆冰会造成导线、地线断裂，杆塔倒塌，金具损坏。常规500 kV输电线路导线多为钢芯铝绞线LGJ-400/35和LGJ-400/50，地线多为镀锌钢绞线GJ-80和GJ-100。对上面4种导地线的过载能力进行计算，计算结果如表3。

表3 导、地线的覆冰过载能力（当t=-5℃，V=15 m/s时）mm

由表3所知，在2008年冰灾中，大部分地区覆冰厚度达到30耀40 mm，个别地区甚至达到50 mm以上，均过了导地线的最大覆冰厚度，导致导地线的断线、铁塔受损。

3.2 不均匀覆冰、不同期脱冰引起纵向张力差

当相邻档导线不均匀覆冰或不同期脱冰时，会产生不平衡张力差，使导线缩颈和断裂、绝缘子损伤和破裂、杆塔横担扭转和变形，同时还会导致线间电气间隙减小，导致导线放电烧伤，而断线的冲击荷载作用将铁塔扭坏。

为分析不平衡纵向张力差对常规500 kV输电线路杆塔荷载的影响，我们以LGJ-400/50和A3/S3A-465/60导线为例，计算模型如表4、表5所示，对线路在不均匀覆冰的条件下进行简单的模拟计算[8-9]，计算悬垂型杆塔、耐张型杆塔不平衡张力列于表6、表7。

表4 悬垂型杆塔不平衡张力计算模型

表5 耐张型杆塔不平衡张力计算模型

表6 悬垂型杆塔不平衡张力百分数

从表6、表7可以看出上述2种导线在不均匀覆冰情况下所受的纵向不平衡张力随着覆冰的加大而加大，可导致严重梯级覆冰产生的纵向不平衡张力远超过杆塔设计荷载的情况。

3.3 绝缘子串覆冰闪络

绝缘子覆冰或被冰凌桥接后，绝缘强度下降，泄漏距离缩短；融冰过程中冰体表面的水膜会溶解污秽物中的电解质，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，从而降低覆冰绝缘子串的闪络电压，形成闪络事故。分析历次冰闪跳闸的主要原因及影响因素为：

表7 耐张型杆塔不平衡张力百分数

表8 不同冰区不均匀覆冰的导地线不平衡张力取值表

表9 不同冰区断线张力取值表

1）空气环境中污秽较重使冰闪跳闸易于发生。雨凇时大气中的污秽伴随冻雨沉积在绝缘子表面形成覆冰并逐渐加重，在绝缘子伞裙间形成冰桥，一旦天气转暖则在冰桥表面形成高电导率的融冰水膜，同时杆塔横担上流下的融冰水也直接降低绝缘子串的绝缘性能。另外融冰过程中局部出现的空气间隙使沿串电压分布极不均匀，导致局部首先起弧并沿冰桥发展成贯穿性闪络。

2）覆冰过厚致使爬距减小，从而使绝缘子串耐压降低。部分绝缘子串覆冰过厚完全形成冰柱，绝缘子串爬距大大减少，且融冰时冰柱表面沿串形成贯通型水膜，耐压水平降低导致沿冰柱贯通性闪络。

3）绝缘子串型式明显影响冰闪发生率。统计表明冰闪基本上发生在悬垂串，未发现耐张和V型串绝缘子冰闪，说明冰闪几率与绝缘子串组装型式密切相关。其原因一是耐张串和V型串上冰凌不容易桥接伞间间隙；二是该串型本身自清洗效果好,串上积污量少；三是融冰时该串型上难以形成对冰闪发生至关重要的贯通性水膜。

4）冰闪与环境温度变化直接相关。一般在温度较低的夜间结冰时段沿绝缘子串的冰柱表面难以出现贯通性导电水膜，沿串电压分布也相对均匀，故不易冰闪；而温度相对较高的白天正午时段冰体表面开始融化，常是冰闪高峰时段。较长的冰雪天气时常是结冰与融冰交错出现，冰闪也会反复发生，而短时冰雪天气冰闪则集中于升温的融冰期。

3.4 不均匀覆冰导致导线舞动

不均匀覆冰会使导线产生自激振荡和舞动，从而造成金具损坏、导线断股及杆塔倾斜或倒塌等现象。舞动原因是导地线不均匀覆冰后，在风的激励下产生低频率、大振幅自激振动。舞动时气温0耀6益，导线覆冰厚度20耀40 mm，风速4耀25 m/s，风向与线路走向夹角逸45毅。舞动使部分双串玻璃绝缘子相互碰撞，舞动的冲击力使绝缘子球头断裂导致掉串。舞动幅值基本正比于风速，但有防舞装置的区段舞动幅度明显减弱。近几年导线舞动中因绝缘子球头断裂而掉串已有多次，说明少量绝缘子球头存在机械强度缺陷，在舞动的强大冲击力作用下造成掉串事故。

4 按新国标提高设计标准及抗冰加固方案

为防止输电线路因覆冰而倒塔和受损情况的再次发生，电力行业许多专家依据《110耀500 kV架空输电线路设计技术规定》、《重覆冰架空输电线路设计技术导则》等规程规范，并汲取以往运行经验和国际上输电线路抗覆冰相关经验，在现有线路设计规程的基础上，组织完成了《110耀750 kV架空输电线路设计规范》（GB50545-2010）、《重覆冰架空输电线路设计技术导则》（DL/T 5440-2009）等多本技术规范[10-11]。

4.1 缩小耐张段长度

对于新建工程需提高设计标准，完全按照新的设计标准重新设计建设。线路路径宜避开重冰区、易舞动地区及影响安全运行的其他区域；轻、中、重冰区的耐张段长度不宜大于10 km、5 km、3 km，且在高差或档距相差悬殊的山区或重冰区等运行条件较差的地段，耐张段长度应适当缩短；500 kV输电线路的气象条件重现期取50年，统计风速取离地面10 m高作为基准高度。

4.2 抗冰加固措施

除了以上方法，针对覆冰倒塔的原因和特点，还宜采取以下抗冰加固措施。

1）由于2008年冰灾很多发生在轻、重冰区交界处，因此应将重冰区适当延长，而且应在传统轻冰区和重冰区设计条件的基础上按新规程增加10耀20 mm中冰区技术条件。

2）从杆塔局部受损情况来看，大多数为地线支架破坏，这主要是由于地线偏高并且不带电，导致地线覆冰严重，从而导致铁塔尤其是直线塔地线支架受损破坏。因此，有必要提高地线支架的抗覆冰承载能力。应按新规程对铁塔地线支架较导线加大5 mm覆冰设计；应按表8、表9所示新规程[11]计算不平衡张力和断线情况，加强杆塔和地线支架。

3）对于重冰区，在同一耐张段内，每隔4耀5基直线塔，应设置1基加强型直线塔以防止串倒。

4）重要输电线路的重要性系数取1.1，使其安全等级在原有标准上进一步提高。对于跨越主干铁路、高等级公路等重要设施及运行抢修特别困难的局部区段线路，提高标准改建，必要时按稀有覆冰条件进行机械强度验算，重要跨越宜采用独立耐张段，并校核覆冰条件下对交叉跨越物的间隙距离。

5）对有条件的地段，考虑优化线路路径改道方案，尽量降低线路的平均海拔，避开重冰区。对于相对高耸、突出、暴露，或山区风道、垭口、抬升气流的迎风坡、较易覆冰等微地形,微气象区段，以及相对高差较大、连续上下山等局部地段的线路进行重点复核,对大档距大高差的地段，杆塔应加强一级使用，以加强设计。

4.3 防舞动措施

1）通过改变导线特性来抑制舞动，多数防舞器属于此类，包括失谐摆、抑制扭振型防舞器、双摆防舞器、整体式偏心重锤等。

2）采用通过提高导线系统的自阻尼来抑制舞动的终端阻尼器。

3）采用通过提高风动阻力来达到抑制舞动而研制的空气动力阻尼器。

4）采用通过扰乱沿档气流来达到抑制舞动的扰流防舞器。

5）采用通过各种防覆冰措施来达到抑制舞动使用防雪导线以及大电流融冰等。

6）提高导线的运行张力和缩短档距也可收到一定的抑制舞动的效果。

设计时应根据不同工程各线路舞动的情况，选择合适的防舞动的措施。

4.4 其他措施

为保证输电线路的安全，除需在设计上加强之外，还要采取其他方法保证输电线路的正常运行，如采用融冰措施保障线路的安全[7]，建立观冰站，采用在线监测覆冰情况等措施。

5 结语

1）发生冰灾的主要原因为线路覆冰超过了设计值。

2）微地形，微气象地区极易覆冰，在轻重冰区交界处、海拔高相对突出和高耸地区为事故多发地段，适当缩短耐张段长度。

3）大高差，大档距，前后档距相差过大的地带极易发生不均匀覆冰，且容易产生较大的纵向不平衡张力，是大部分轻冰区直线塔倒塔的原因，所以对轻冰区直线塔的不平衡张力和断线张力应按新企标重新取值，加强设计。

4）根据现场调查，大部分铁塔均是地线支架先受到破坏。可知地线支架的抗覆冰能力明显不足，应较导线加强5 mm覆冰设计，且500 kV及以上的输电线路地线用镀锌绞线最小的标称截面不应小于80 mm2（无冰区）和100 mm2（有冰区）。

5）根据线路所在区域特点可采取倒“V”串、“V”串等措施来防冰闪，加防舞装置等措施来防舞动。

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