覆冰天气对江西电网输变电设备的影响与对策

张 宇

（江西省电力科学研究院，江西南昌 330009）

0 引言

覆冰是我国部分地区冬春季常见的自然现象，但对电网设备的安全运行常带来负面的影响。近年来，由于冬春季的雨雪冰冻天气，造成了江西电网输变电设备不同程度的覆冰，进而影响了设备的力学、电气荷载或性能。在覆冰超过设备设计防护标准的情况下，将导致设备故障停运事件。为提出有针对性的电网防冰措施，改善设备在雨雪冰冻天气下的运行可靠性，本文分析了江西电网设备的典型冰害事件特点和已有的防冰措施效果，并提出了相关建议。

1 江西电网历年主要冰害事件

江西电网的冰害事件与江西省冻雨日数年际变化趋势相关。1998年以前，电网时常有局部严重覆冰或冰害事件发生。1999年至2007年9年间，基本未出现冰害事件，但到2008年出现一个转折点，继2008年江西电网大范围冰灾后，之后连续几年都有冰害事件发生。

1.1 2008年以前冰害事件

最早见于文献的江西电网冰害出现在南昌梅岭[1]，1972年2月上旬南昌地区出现罕见冰雪天气，110 kV军山-梅岭送电线路157号钢电杆和一条向电视台供电线路的水泥杆均因重覆冰导致杆塔头部折弯损毁，实测导线冰凌达250 mm。由于梅岭东北面为鄱阳湖，这一事件在文献中列为水气增大型微地形覆冰典型案例。

1985年12月，赣中地区出现较大面积的冻雨，造成全省历史上罕见冰害，其中110 kV斗丰、仙丰线跨江段发生断线[2]。

1996年2月17日，南昌地区赣江水面风力达7～8级，并有冻雨夹雪，220 kV昌青线、昌梅线、昌盘线因导线舞动发生跳闸。2月18日-23日，赣州供电公司经历了一次建局以来损失最大的冰冻灾害。多条线路因冰害故障停运，110 kV宁瑞线3基杆塔横担弯曲，110 kV西大线6基杆倒杆，110 kV大岿线1基塔严重弯曲，多处断线；大吉山变、铁山垅变多油开关套管覆冰闪络。

1998年1月22日，南昌地区110 kV七桃线因覆冰导致地线对导线放电，当日宜春地区110 kV袁津线因结冰毛竹被压弯，倒向线路边导线导致放电烧断导线。

1999年至2007年，江西电网未出现明显的冰害事件。

1.2 2008年雨雪冰冻灾害

2008年初，我国南方出现了大范围雨雪冰冻天气，江西电网遭受了有史以来最严重的雨雪冰冻灾害。110 kV及以上输电线路累计跳闸404次，220 kV及以上变电站母线故障4次，500 kV线路倒塔116基；220 kV线路倒杆塔142基；110 kV线路倒杆塔513基。

1.3 2009年至今的冰害

2009年3月2日，500 kV咸梦线跳闸，重合不成功，巡线发现靖安县石境山235-239号段线路覆冰严重，其中236-237号地线滑动弧垂降低，引起导线对地线放电。

2010年1月5日至6日，江西省北部32个县市出现雪或雨夹雪天气，南昌地区出现冻雨，4回500 kV线路、25回220 kV线路、5回110 kV线路、多回10 kV线路发生舞动，造成220 kV线路跳闸12条次，500 kV南乐Ⅱ回线29号右相发生掉串。2010年1-2月，江西电网共出现9次输电线路覆冰闪络故障，均发生在500 kV线路上。

2011年1月20日，抚州地区220 kV温松Ⅰ线跳闸，重合不成功。巡线发现35-36号段OPGW光缆有放电点。经分析为线路覆冰严重后，发生脱冰跳跃，造成光缆对导线放电。当天，宜春地区110 kV三株线跳闸，重合不成功，巡视发现66-67号严重覆冰导致地线滑移，弧垂下沉，导地线安全距离不足。

2012年1月27日500 kV文赣Ⅱ回线跳闸，重合闸不成功，经分析为172号耐张塔C相跳线绝缘子发生冰闪放电。

2 江西电网输变电设备典型冰害分析

2.1 重冰荷载

当输电线路的覆冰厚度超过设计覆冰厚度时，可能导致导、地线断线、从压接管脱出，也会使金具断裂，或造成导地线弧垂过大，使得导线对地或导地线间隙距离不足而放电，甚至可能因短路电流而烧断线。上述情况一旦导致断线，将使杆塔所受不平衡张力剧增，最终可能导致杆塔损毁。

重冰荷载下，失效部位也可能开始于杆塔本体，杆塔的部分塔材首先发生塑性形变，当失效塔材超出一定数量和程度时，引起铁塔塔头、横担折断或整体垮塌，或者拉线杆塔的拉线断裂导致杆塔失稳。

因重冰荷载引起的杆塔或导、地线损坏，对输电线路和电网安全运行影响最严重，因为杆塔或导地线结构遭到破坏后，将引起线路长时间停运，特别是在山区覆冰段倒杆塔后，由于交通运输问题，抢修恢复非常困难。严重时还可能引发多基杆塔连续串倒。

2.2 导线舞动

非圆截面构件在风激励下所产生的自激振动称为驰振，输电线路舞动是对输电线路导线驰振的特指。在冬季，当水平方向的风吹到因覆冰而变为非圆形状的导线上而产生一定的空气动力，并会诱发导线产生一种低频率（约0.1～3 Hz）、大振幅（可达10 m以上）的自激振动。

一般来说，舞动的形成有两个必要条件：一是不均匀覆冰，即导线表面附着新月形、扇形、D形等不规则覆冰，雨凇天气条件下的覆冰最易使线路发生舞动。二是风的激励。在导线覆冰情况下，线路发生舞动的风速通常在4～20 m/s。由于对导线起激振作用的是风的垂直分量，因此引起舞动的风向与线路走向的夹角一般大于45°。处于地势平坦开阔地区、水面及风口等地区的输电线路，易产生舞动。另外，在相同的环境、气象条件下，分裂导线比单导线容易产生舞动，大截面的导线比常规截面的导线易于产生舞动。

线路舞动的危害性远大于普通类型的线路故障，一是引发的线路跳闸以相间故障为主，重合闸不启动，多造成线路停运；二是舞动易造成线路机械损伤，如金具损坏，甚至掉串、倒塔，抢修恢复困难，2008年至今江西电网因舞动发生过500 kV线路掉串3次，220 kV线路掉串1次；三是舞动具有范围大、时间长的特点，尤其在南昌这样电网相对密集，重要断面较多的地区，一旦多条线路持续舞动，频繁跳闸，将对电网安全稳定运行构成极大威胁。2010年1月5日14时至16时3个小时内，南昌地区共发生9次220 kV线路跳闸，均造成线路故障停运。

根据舞动形成的原理和条件，发生舞动的线路一般处于开阔地带，冬季有稳定风力作用，且出现形成冻雨等雨雪冰冻天气。因此，鄱阳湖平原的输电线路是舞动易发线路，又由于冬季风向为偏北风，故其中东西走向的线路为易发舞动的重点线路。而由于丘陵、山区地形起伏，气流被扰乱，不能稳定激励覆冰导线，很少发生或没有发生导线舞动现象，如赣州、吉安、萍乡，上饶等山地丘陵地区。

江西电网历次所有输电线路舞动发生时间都在1月份。

2010年南昌地区12次舞动跳闸中，有11次为相间故障，且故障点都发生在同塔双回线路上（三相导线垂直排列）。这是由于三相导线垂直排列的线路在发生舞动时，上、中或中、下导线舞动不同步，更易造成相间距离不足而导致空气击穿放电。

2.3 外绝缘冰闪

试验和运行经验都表明，当冰层处于结冰期，绝缘子串的冰闪电压虽有一些下降，但一般并不会危及电力系统安全运行[3]。但当温度升高开始融冰时，绝缘子和冰棱表面将形成一层水膜，污秽物溶解于其中形成导电的通道，继而产生局部电弧，而电弧的伸长将导致总电阻的进一步减少和电流的继续增大，到一定程度时电弧贯通全串而闪络。因此，可以认为冰闪是一个由泄漏电流支持着局部电弧沿面逐步发展直至全串闪络的放电过程[4]。重庆大学根据试验得出绝缘子融冰时的最低冰闪电压只有干闪电压的25%，湿闪电压的45%[5]。

有时在外绝缘覆冰情况下，虽未直接导致故障，但可能引起局部放电明显增强。2008年1月25日，在冰冻雨夹雪天气下，九江地区220 kV妙智变高压场地隔离开关和悬式绝缘子大面积放电严重。晚间高压场地象挂上了遍地的灯笼，巡视人员无法进入。图1为江西电网因冰闪引起线路故障典型现场照片。

图1 2010年2月500 kV罗文Ⅱ回线绝缘子冰闪烧伤痕迹

江西电网共出现10次输电线路冰闪故障（2008年初电网冰灾中虽出现大面积线路跳闸，但因倒塔断线过多和抢修工作等原因，未逐次核查是否冰闪故障），均发生在500 kV线路上。没有220 kV和110 kV线路冰闪跳闸的事件记录。特别是2010年1月6日、1月8日、2月17日3天，江西电网集中发生8次500 kV线路冰闪故障，而其它电压等级的线路未发生一起冰闪故障。

产生上述现象主要原因分析如下：在覆冰情况下，由于冰凌桥接空气间隙，绝缘子冰闪电压一般认为和串长有关，江西电网各电压等级常用绝缘子串中（如表1所示），110 kV、220 kV绝缘子串的平均电压梯度（运行电压除以串长）明显小于500 kV线路。

表1 江西电网各电压等级常用绝缘子串平均电压梯度

江西省电力公司从2005年开始，出于防雷的需要将江西省内大批220 kV线路绝缘子串从13片改造为15片，这项措施对防冰闪起到了积极的作用。

另外，所有发生冰闪的500 kV线路均为单回路，无同塔双回路杆塔。这和同塔双回路设计时因平衡高绝缘要求有关，500 kV同塔双回路每串多采用31片或32片绝缘子，而500 kV单回路一般为每串28片绝缘子。单回路冰闪故障杆塔中耐张串未发生冰闪故障，原因为耐张串绝缘子数比悬垂串多，且耐张串的水平布置方式使冰凌难以桥接。

冰闪故障点均处于山区，大多故障杆塔周围还有水库、河流等水域，常年湿气较重，在冬季寒冷季节，绝缘子表面容易覆冰。各次冰闪跳闸事件中，故障杆塔在b、c、d级污秽区分别为3次。江西省2011版污区分布图中，b、c、d级污区分别占全省面积的77.5%、17.9%、4.2%，可见污区等级越重的地区冰闪概率越大。

10次冰闪事件都发生在1-2月份。有8次都发生在9时至14时的气温上升时段，且巡线人员观察到线路正处于融冰状态。

冰闪导致的故障停运概率也较高，10次输电线路冰闪故障中5次造成了故障停运。变电站发生冰闪则可能造成母线故障，危害也非常大。

3 江西电网采取的防冰措施及效果

3.1 冰情观测

2008年冰灾期间，江西省电力公司就下文要求各单位选取典型地区、地段进行导线覆冰测量，收集了大量的覆冰资料，并绘制了2008年冰区分布图。之后，每年冬季，各单位都加强了覆冰观测记录。2012年，江西省电力公司在安排了91个变电站覆冰观测点和146个线路覆冰观测点，对各观测点的气温、风力、导地线覆冰厚度等参数进行了记录。

冰情观测与监测的作用不仅限于冰情预警，更重要的是累积江西省覆冰的历史资料。例如，对于输电线路抗冰设计，电线覆冰厚度的选取是重要基础参数，但由于覆冰气象资料的缺乏，很多抗冰改造工程在选择覆冰厚度时没有长期积累的历史数据，更无法通过设计手册规定的概率函数进行计算，大多凭经验进行估计，在技术经济上往往会导致偏差。

3.2 抗冰设计与改造

为提高电网抵御低温雨雪冰冻灾害的能力，省公司按照国网公司电网抗冰差异化设计指导原则，并结合江西实际情况制订了防覆冰倒塔改造技术原则。

自2008年起，公司开展了三年抗冰改造工作。主要内容是对2008年发生倒塔断线的线路区段进行加强改造，以及对主干铁路、高速公路的跨越段进行独立耐张段改造。三年共安排主网线路抗冰改造199回。通过三年抗冰改造，大大提高江西电网输电线路的抗冰能力。

3.3 交直流融冰技术

赣州和南昌地区很早就已开展了以110 kV线路为主的交流输电线路融冰工作，其中赣州地区从1960年就开始对几条易覆冰的110 kV输电线路进行融冰，在变电站内专门配置了10 kV融冰柜和融冰电缆，每年冬季形成常态融冰工作，并探索实践了对架空地线进行融冰的方法（早期赣州地区110 kV线路因载波电话需要，多采用绝缘地线，90年代后期新建线路不再使用绝缘地线）。1997年后至2007年，因赣州地区长期没有出现严重冰情，融冰工作停止。

2008年冰灾后，江西省电力公司组织各单位开展了交流融冰的各项工作，包括交流融冰方案的编制和融冰用电缆等材料的配备。2008年底至2009年初，江西九江、赣东北、鹰潭、南昌供电公司分别以10 kV作为融冰电源电压，进行了110 kV线路的短路融冰试验，达到了预期的导线温升效果。2013年1月，吉安公司对覆冰严重的井冈山地区110 kV井厦线进行了10 kV交流短路融冰，在不到半小时的时间内，三相导线覆冰全部融化。

2008年，中国电力科学研究院、江西省电力公司、株洲变流技术国家工程中心参与研制应用500 kV梦山变移动式直流融冰研究，该装置的整流方案采用IGBT脉冲整流加直流斩波调压电路。额定交流输入电压36 kV，额定输出功率20 MW，额定直流输出电压5 kV，额定输出直流4 kA。需半挂式平板拖车四辆，包括箱体一起，尺寸为10×2.5×3.1 m。2011年1月27日，四台车并联运行在500 kV梦永Ⅰ回线路进行融冰试验，导线温升达15.8℃。

江西省电力公司2008年启动了220 kV输电线路可移动式直流融冰装置的研究工作，该装置的整流方式是晶闸管全控整流桥带续流二极管，额定容量15 MW、输出直流电流0～1 500 A连续可调，额定交流输入电压10 kV，额定空载输出直流电压13.5 kV，外形尺寸为9.1×2.5×2.9 m，重约12 t。该装置目前放置在220 kV虎岗变，具备对80 km以内220 kV线路融冰的能力，可满足220kV虎岗变5条220kV出线的融冰需求。

根据近年来的江西电网交直流融冰研究与实践，认为目前公司的融冰工作仍存在如下问题：

1）在大范围冰灾下，电网融冰能力有限。线路融冰工作是一项系统工程，涉及气候条件、电网运行状况、调度安排、融冰装备配置、线路参数、电源点等问题，目前已有融冰手段的应对大范围冰灾的能力仍显不足。

2）移动式直流融冰装置还有待进一步完善。目前配置的2套可移动式直流融冰装置都存在体积和重量较大的问题：梦山变移动式融冰车体长10 m，宽2.5 m，高3.1 m，共4台。而变电站设计较为紧凑，进站道路宽度也有限，移动式融冰车的出入和布置均不方便，在平时不使用时还要有较大的专门摆放场地。出现冰灾时，道路交通不便，将给移动式融冰装置的运输带来困难。

3）地线覆冰问题还未较好地解决。由于地线（包括OPGW）逐基或隔几基接地，不论是采用交流还是直流融冰，目前主要融导线上的覆冰，在很多情况下，导、地线同时覆冰后弧垂都增大，当导线融冰后，弧垂恢复，结果可能导致导、地线距离不够，或者导线脱冰后产生跳跃与地线相碰，发生放电。另外，冰灾中很多铁塔塔头扭曲或倒塔是因为地线覆冰过重或地线断线的不平衡张力引起。

五年后，我大学毕业时，老马还在写诗，已经是个小有名气的农民诗人。虽然依旧在种地，但他有了一点难得的感悟：诗歌可能与稻草有关系，但一定和职业没有关系。别人可以把爱诗和写诗的人当成怪物，但诗人自己不能。

3.4 人工及机械除冰技术

2008年1月18日，为防止绝缘子冰闪，超高压分公司对覆冰严重的500 kV文赣线绝缘子串进行停电登塔除冰。1月24日、26日超高压分公司分别对500 kV南昌变、进贤变覆冰设备进行除冰工作。采用的工具有木榔头、木棍和高压水泵。由于大部分设备位置较高，调用了3台升降车进行升高。

2010年，江西省电力公司统一配置了10套爆破除冰装置，配置在超高压、九江、抚州、萍乡、赣州公司，并组织进行了除冰培训。该装置由震动除冰装置本体、射绳器系统、遥控引爆装置等组成，除冰时通过射绳器将一次拉绳挂上地线，用牵引绳将震动除冰装置拉上地线，遥控击发空包弹，空包弹产生的高压气体推动活塞高速向上运动，活塞带动弹簧推动破冰头冲击地线，产生冲击波，进行震动除冰。

输电线路登塔人工除冰方式效率较低，作用不大，且存在一定安全风险。变电站采用一般人工除冰方式无法清除干净的隔离开关动触头等部位，采用高压水泵则花费时间更长，效果不佳。

爆破除冰较好地解决了融冰装置难以处理的地线覆冰问题，但主要限于局部严重覆冰地段，若需长距离除冰，则人力和时间成本较大。由于方法需在地面将装置抛射挂上导线，对于跨越山头的大档距线路，难以除去其档距中部的覆冰。

3.5 防冰闪改造

针对2010年1-2月份发生的9次500 kV冰闪故障，江西省电力公司确定了大小伞插花改造的治理方案。改造方案采取“3+1”（3普通绝缘子与1片大盘径空气动力型绝缘子组合）绝缘子插花方式，对于双联绝缘子由于上述方式将使两串绝缘子之间间隙较小，故采用“5+1”方式。目前，已有300多基500 kV线路杆塔使用了防冰闪绝缘子串。

采取上述改造的绝缘子串在结构上有利于阻碍覆冰桥接绝缘子，可有效地提高冰闪电压。目前，江西电网采取防冰闪改造后的杆塔近两年未发生过冰闪跳闸。相对于V串或倒V串防冰闪改造，插花改造更易实施。但据湖北超高压公司统计，2008年冰灾事故中共发生4次500 kV交流线路闪络，其中就有“3+1”和“5+1”插花串闪络情况。分析在严重覆冰情况下，绝缘子串完全被冰包裹，插花方式阻断融冰水形成泄漏通道的能力降低。因此，重冰区线路应使绝缘子串具有足够长的干弧距离，或采用V串、倒V串等更有效的防冰闪措施[5]。

3.6 防舞动治理

2008年南昌地区部分线路发生舞动后，结合500 kV梦永Ⅱ回线、500 kV南乐Ⅰ、Ⅱ回线抗冰改造工程对舞动线路开展了防舞治理，分别对此3条线路部分区段安装双摆防舞器。

2010年对4回500 kV线路、8回220 kV线路、4回110 kV线路进行防舞改造。2011年完成了完成了17回220 kV输电线路的防舞动改造治理。500 kV线路采用双摆防舞器、线夹回转式双摆防舞器、线夹回转式间隔棒、动力减振器等4种防舞金具。220 kV线路优先采用相间间隔棒，在相间间隔棒校核不满足导线荷载要求时，采用双摆防舞器、线夹回转式双摆防舞器、动力减振器。

500 kV南乐Ⅰ回线、南乐Ⅱ回线1-132号于2008年安装了双摆防舞器。2010年1月份冻雨天气下，安装双摆防舞器区段仍有舞动现象，振幅约0.5～2 m不等，幅值最大处达3～4 m，但总体比其它未安装双摆防舞器区段振幅要小。

4 电网防冰工作建议

从江西省近年的雨雪冰冻天气和电网设备故障情况来看，对电网防冰工作应予以充分的重视。基于设备冰害特点和电网防冰技术现状，提出如下建议：

1）重视输变电设备覆冰资料的积累，每年冬季坚持开展变电站、输电线路覆冰观测，并充分利用覆冰在线监测的覆冰数据。收集记录发生舞动、重冰荷载、冰闪等故障的杆塔地形、气候特点。

2）由于目前融冰技术、机械除冰技术的一些局限性，对于防御长时间、大范围冰灾，目前这些技术只能作为辅助手段，必须根据江西省雨雪冰冻天气和覆冰分布规律，提高电网设备本体抗冰设防水平。

3）在进行变电站选址、输电线路路径选择、设备选型、线路结构设计时，应充分利用地理信息系统，结合江西省冰区分布图、近年来的覆冰观测记录和输变电设备的冰害故障记录，有针对性地提高新建输变电工程的抗冰防冰水平。

4）江西电网500 kV线路在2004年后开始有一定规模（2003年仅一条），而本世纪江西省冰冻天气自2008年后才凸显，因此500kV线路防舞动和防冰闪工作在前期未得到足够重视。除对新建线路严格按照舞动图和易覆冰区进行防舞、防冰设计外，对已建线路应根据覆冰观测记录和运行经验，认真梳理易发冰害区段，使防舞动、防冰闪措施逐步实施到位。

5）为防止输电线路冰闪故障，提出如下防治要求：

对于新建线路，在重冰区，应采取更加有效的措施，如V型串或倒V串。

对于中、轻冰区新建线路或倒V串改造困难的已建线路，可采用“3+1”插花方式的防冰闪措施，或将单回路绝缘子串增加至31片及以上。

已建线路防冰闪改造重点考虑山区、湿气重、污秽等级较高的地区，改造杆塔以500 kV单回路悬垂串和跳线串为主。

6）对于易覆冰区的变电站，可采用复合增爬裙加强支柱绝缘子或构架绝缘子的防冰闪能力。对于常年覆冰的变电站，可配置热力除冰装置以应对母线和隔离开关等部件的覆冰问题。

[1]郑劲光，吴琼，刘熙明.江西省冻雨气候概况和环流特征[J].气象与减灾研究，2009，32(4)：45-49.

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[3]《江西省电力工业志》编委会.江西省电力工业志[M].北京水利电力出版社，1994.

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