输电线路覆冰特征及其防治对策

李熙旸，刘 春，2，汪 煜，王 宗，吴小斌

（1.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌443002；2.甘肃省电力公司调度控制中心，甘肃 兰州730030；3.国网孝感供电公司，湖北 孝感432000）

0 引 言

在许多地区因雨凇、雾凇覆冰而使输电线路的荷重增加，严重覆冰会导致输电线路机械和电气性能急剧下降，从而导致覆冰事故的发生［1－3］。输电线路覆冰是一种严重的自然灾害，可引发输电线路导线舞动、绝缘子串闪络等事故，严重危害电力系统的安全运行。美国、日本、英国、德国等多国都曾因输电线路覆冰而引发安全事故，造成了巨大的经济损失。

我国是高压输电线路覆冰较严重的国家之一。高压输电线路具有档距较大、铁塔较高等特点，线路覆冰对其影响比较严重，同时，输电线路的电压等级较高，载流量较大，线路破坏造成的经济损失巨大。为此，本文研究了输电线路的覆冰特性及防治措施。

1 输电线路覆冰的种类与性质

按照覆冰形成的物理过程和气象条件，可将输电线路覆冰分为三类［4］：第一类是由降水产生的覆冰雪，即降水覆冰，包括由冻雨而形成的雨凇和覆雪；第二类是处在过冷却状态下的液体云粒或水滴碰到地面物体上，经过冻结后而产生的覆冰，此类覆冰称为云中覆冰；第三类是大气中的水蒸汽直接冻结或经过凝华而在地面物体上形成的一种霜，是经过凝华而产生的，称为凝华覆冰，也称这种覆冰为晶状雾凇。在三类覆冰中，云中覆冰发生的概率最大，引起的输电线路事故也最多。

根据水滴半径、空气中液态水含量、空气温度、风速四个参量，输电线路绝缘子覆冰分为干增长和湿增长过程，这主要取决于冰面的温度。在干增长过程中，冰面和环境温度低于0℃，而在湿增长过程中，冰面及环境温度等于0℃［5］。研究表明［6－7］对于不同类型的覆冰，雾凇和干雪是干增长过程，雨凇和湿雪则是湿增长过程，而混合凇湿是介于干、湿增长之间的一种覆冰过程。

2 影响输电线路覆冰的因素

输电线路覆冰的区别主要体现在覆冰种类、厚度及密度等差别上。影响绝缘子覆冰的因素很多，其中气象条件、海拔高度、凝结高度、地形及地理条件、绝缘子种类及外形、悬挂高度、水滴直径、风速风向、电场强度及泄漏电流等是常见的主要因素。

2.1 气象因素

在冬季，当温度低于0℃时就会产生覆冰现象，大气中小水滴发生过冷却，在高空甚至在夏季小水滴也会发生过冷却［8］。若处于过冷却水滴包围的输电线路绝缘子与气流中过冷却水滴发生碰撞，并冻结在绝缘子表面就形成了覆冰。有研究表明：导线表面发生覆冰现象必须有三个条件，即（1）大气中要有足够多的过冷却水滴；（2）导线能够捕获过冷却水滴；（3）过冷却水滴必须立即冻结或者在离开导线表面之前冻结。三个条件中条件（1）是必要条件，是气象学问题；条件（2）是流体力学的过程，故由流体力学定律来决定；条件（3）涉及到热力学问题，由覆冰表面的热平衡方程确定。

2.2 海拔高度的影响

每一个地区都有一个起始结冰的海拔高程，即凝结高度。对于一个条件相同的地区来说，一般海拔高程愈高愈易覆冰，且多为雾凇；在海拔高程较低处，其冰厚虽较薄，但多为雨凇或混合冻结。我国覆冰凝结高度的分布特点是西高东低，北高南低。在凝结高度以上，随着高程的增加，覆冰厚度一般也会随之增加。

2.3 地形及地理条件的影响

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［9］。在山区导线覆冰受地形及地理的影响更为严重。据研究表明：东西走向山脉的迎风坡在冬季覆冰较背风坡严重［10］，分水岭、风口处线路的覆冰较其他地形严重。

2.4 季节的影响

覆冰主要发生在前一年的11月至次年3月之间，尤其是在入冬和倒春寒时，发生覆冰的机率最高。1月和12月几乎是所有重覆冰地区平均气温最低的月份，由于湿度相对较小，覆冰相对于其他月份较轻。而在11月份、2月底和3月初，虽然平均温度相对1月和12月较高，但湿度较高，覆冰较1月份要严重。

2.5 悬挂高度的影响

通常绝缘子悬挂愈高，空气中液态水含量愈高，周围风速也愈快，单位时间内向绝缘子输送的水滴愈多，覆冰也愈严重［11］。因此覆冰随绝缘子悬挂高度的升高而增加。

2.6 电场的影响

有些学者［12］认为：电场对移向导线的水滴会产生极化和吸引力。虽然水滴内的感应电荷随交流电压而变化，但其作用力永远是一个指向导线的吸引力。由于电场对雾滴和毛毛雨所产生的吸引力能导致空气层有效厚度增加，因此增加了导线上冰荷重。现场观测与人工气候室内的试验研究［12］表明，电场对输电导线覆冰的影响和电场强度有关。随着我国特高压交直流输电线路的投建，电场对导线覆冰的影响不容忽视，与之相关的研究还有待进一步开展。

3 输电线路覆冰事故成因分析

通过对覆冰事故的长期观测和分析，我国输电线路覆冰事故的原因可归纳为以下几方面［13］：（1）输电线路设计路径选择不合理，同时缺乏抗冰害的经验，导致冰害事故频繁发生；（2）某些输电线路的设计抗冰厚度低于实际覆冰值；（3）对于某些重冰区域的输电线路，虽然有一定的抗冰能力，但遇到极端恶劣天气时，输电线路机械及电气性能下降，导致发生严重的冰害事故。

严重覆冰导致输电线路机械性能和电气性能急剧下降，是造成重大覆冰事故的直接原因。该原因主要体现在［14］：（1）严重覆冰引起线路过荷载。（2）不均匀覆冰或不同期脱冰引起张力差，导致线股断口有缩颈和导线跳跃。（3）绝缘子串覆冰闪络引起绝缘子的绝缘强度降低。（4）不对称覆冰引起输电导线舞动。

4 绝缘子闪络

4.1 绝缘子闪络的定义

绝缘子覆冰闪络是指在外加电压作用下，沿覆冰绝缘子和大气交界面发生的复杂放电现象，在闪络通道还可发生足够强的电离以产生电弧。影响绝缘子覆冰闪络特性的因素很多，包括覆冰过程、覆冰类型、电压类型等。

4.2 绝缘子闪络的防治方法

目前，采用比较多的防止输电线路绝缘子发生覆冰闪络事故主要有以下几种措施。

（1）输电线路采用倒“V”形绝缘子串。由于该类型绝缘子串自洁性能较好，积尘量少，在产生局部电弧时，电离气体更易扩散。

（2）在绝缘子串上方加装大盘径的玻璃钢伞裙罩（草帽型），选择直径在400～700 mm为宜。其不仅具有良好的防冰闪效果，还可大幅降低直线杆塔鸟害跳闸率。它的弊端是直径增大，增加线路检修工作量，且无法隔离绝缘子串本身的冰凌。

（3）对于直线单联瓷绝缘子，在其上、中、下加装3个大帽绝缘子，用来隔断绝缘子的冰柱；对于硅橡胶绝缘子，则可采用上、中、下各有一片特大伞裙的合成绝缘子，这样也可阻断冰柱、污流，从而达到防止绝缘子覆冰闪络的目的。

（4）在普通的复合绝缘子上方粘贴或热塑一个大盘径硅胶伞裙罩，直径一般为400～600 mm。

（5）考虑到绝缘子串两侧的平衡，人为地将顺路方向的绝缘子串偏斜角加大，这样可以提高覆冰绝缘子的冰闪电压。但该方法仅适用于单串绝缘子。

（6）重冰区线路可以考虑瓷绝缘子间插式的布置，玻璃绝缘子间插式的布置，以及瓷和玻璃绝缘子组合间插式的布置来改善绝缘子串的防冰闪络特性。

5 输电线路覆冰舞动

5.1 覆冰舞动的定义

研究结果表明，线路舞动是由于导线发生偏心覆冰后，在风的激励作用下产生的一种低频（约0.1～3 Hz）、大振幅（大于10 m）的自激振动现象。舞动的形成主要取决于3方面的因素，即覆冰、风的激励（风速及风向）和线路结构参数。

5.2 舞动的防治方法

根据不同线路的防舞方法，可以将线路防舞措施归纳为“避、抗、抑”3种。通常情况下优先采用避舞、抗舞措施，在无法实施或效果不佳时可以采用抑舞措施。

5.2.1 避舞措施

舞动易发生在导线易覆冰、风大且平稳的气象环境下，在选择线路路径时，应考虑尽可能避开冬季多风、雨凇、湿雪频繁以及宽阔江河、峡谷、迎风山坡和山脊等易舞动地区。避舞措施通过调查地形、地貌和气象条件，以选择适当的线路路径、走向，尽量使之平行于冬季主导风向来避舞防舞。

5.2.2 抗舞措施

抗舞措施是在不破坏舞动条件前提下，通过提高线路的电气和机械强度来抵抗导线舞动，使线路上的设备能够在导线舞动时不被破坏并保持安全运行。

5.2.3 抑舞措施

抑舞措施是在舞动严重的输电线路上加装防舞动的装置，从而破坏舞动形成的条件，限制舞动的幅度，消除舞动可能造成的危害，保证整个线路安全运行。从原理上讲，抑舞措施可以分为：

（1）改变系统的空气动力特性。基于流体力学原理，通过改变导线的外形和空气动力特性，进而破坏舞动形成的条件。像缠绕绕流线法，即用某种特制绕流线缠绕导线，扰乱沿档气流，使导线覆冰时不易形成规则的翼形断面，以破坏Den Hartog（邓哈托）舞动的起舞条件。而安装空气动力阻尼器法则是在档内不同位置安装空气动力阻尼器，使导线受风作用时的阻力垂直分量大于升力垂直分量，进而抑制舞动发生。

（2）改变系统的结构特性。基于结构力学原理，可通过改变舞动系统的固有扭转振动或横向振动频率、质量分布和元件连接方式等动力学特性达到抑制舞动的目的。通常有以下做法：①安装扭转阻尼器、失谐摆、抑扭环等。②安装压重防舞装置。这类装置包括档内集中安装防振锤、在间隔棒上加挂重锤等。③安装线间间隔棒。

6 输电线路覆冰事故防止措施及方法

在对输电线路覆冰长期观测和研究的基础上，结合国内外的现状和经验，防止输电线路冰害事故可从以下几方面入手：

（1）观测该地区的冰雪状况，掌握输电线路覆冰的规律。对各气象区域的气象状况进行长期监测，掌握输电线路覆冰规律，同时对历年来发生的覆冰事故进行详细记录，为输电线路的抗冰设计和防冰除冰措施选择提供参考。

（2）在输电线路设计时，应考虑微地形、微气候的影响，合理选择线路走向，进而设计合理的抗冰厚度。并对线路沿线的薄弱环节加以重视，安装行之有效的监测装置和防冰抗冰设备，确保线路安全运行。对于经常发生冰害事故的线路，可以对部分重冰区线路进行改道，或进行局部改造，提高其抗冰能力；对于大面积的覆冰地区，宜采用除冰、融冰措施来防止冰害事故。

（3）对输电线路覆冰的特点、机理进行深入观测和研究，绘制各地区输电线路覆冰雪分布图，开发有效的覆冰监测装置、防冰除冰措施和防覆冰舞动措施，制定积极有效的处理冰害事故的应急对策，尽量减少和防止冰害事故带来的灾害。

目前，大约有30多种处于各种实验、研究及推广阶段的除冰方法和技术，大致可分为以下3大类：

①热力除冰法。热力除冰就是利用附加热源或导线自身发热，使冰雪在导线上无法积覆或者融化。利用焦耳热效应来加热导线，如带负荷融冰方法和短路电流融冰法。此外还可以通过电阻丝伴随加热及铁磁线圈因交流电感应出的边际电流间接加热。

②机械除冰法。机械除冰就是利用机械手工或者自动强制使导线上的覆冰脱落，主要有强力振动法和滑轮铲刮法。

③自然脱冰法。自然脱冰就是在导线上安装阻雪环、平衡锤等装置可使导线上的覆冰堆积到一定程度时，在风或其他自然力的作用下，使冰雪自行脱落。该方法简单易行，但可能会引起导线跳跃而发生线路事故。

7 结束语

本文总结分析了输电线路覆冰种类，影响因素，详细说明了由覆冰引起的绝缘子闪络和线路舞动两种线路危害，并列举了相应的防治方法和措施，最后指出了线路覆冰的防御措施和除冰方法。该分析有利于输电线路设计防冰，提高了输电线路抵御自然灾害的能力。

［1］蒋兴良，易 辉.输电线路覆冰及防护［M］.北京：中国电力出版社，2002.

［2］苑吉可，蒋兴良，易 辉，等.输电线路导线覆冰的国内外研究现状［J］.高电压技术，2004，30（1）：6－9.

［3］胡 毅.电网大面积冰灾分析及对策探讨［J］.高电压技术，2008，34（2）：215－219.

［4］蒋兴良.输电线路导线覆冰机理和三峡地区覆冰规律及影响因素研究博士学位论文［D］.重庆：重庆大学，1997.

［5］孙才新，蒋兴良.导线覆冰及其干湿增长临界条件分析［J］.中国电机工程学报，2003，23（3）：141－145.

［6］FARZANEH M，DRAPEAU J F.Flash over Performance of Insulators Covered with Artificial Ice［J］.IEEE Transactions on Power Delivery.1995，10（2）：1038－1046.

［7］JEAN Laflamme.Spatial distribution of ice accretion with－in ice storms and within transmission lines routes［C］.Proceedings of 5th IWAIS＇90，Japan，1990：3－4.

［8］贵州省电力工业局，贵州省气象科研所.覆冰文集［M］.贵州：贵州电力技术出版社，1992.

［9］李政敏，庾振平，胡琰锋.输电线路覆冰的危害及防护［J］.电瓷避雷器，2006，（2）：19－21.

［10］NATERER G F.Coupled liquid film and solidified layer growth with impinging super cooled droplets and joule heating［J］.International Journal of Heat and Fluid Flow，2003，24（3）：223－235.

［11］FARZANEH M，ZHANG J.Behavior of DC arc on ice surfaces［C］.Proceedings of 8th IWAIS.1998：193－197.

［12］云南省电力设计院，云南省气象科学研究所.云南高海拔地区电线覆冰问题研究［M］.昆明：云南科技出版社出版，1993.

［13］蒋兴良，马 俊，王少华，等.输电线路冰害事故及原因分析［J］.中国电力，2005，38（11）：27－30.

［14］王少华.输电线路典型覆冰事故及防治技术分析［J］.高压电器，2010，46（10）：85－89.