高海拔防冰综合技术应用示范基地的建设

马晓红，陈勇，赵立进，柯磊，曾华荣，李巍（.贵州电力试验研究院，贵阳 55000；.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074）

高海拔防冰综合技术应用示范基地的建设

马晓红1，陈勇2，赵立进1，柯磊2，曾华荣1，李巍1
（1.贵州电力试验研究院，贵阳 550001；2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074）

建设具有防冰研究、试验、应用等综合功能的试验基地，可满足电网公司在防止线路冰灾与输变电工程方面的技术研究应用的要求，对于电网的安全运行具有重要意义。防冰综合技术应用示范基地选址在具有高海拔、强风、雨水和自然覆冰等独特自然条件的地区，本文详细介绍了该基地的总体规划、建设方案、主要试验功能和技术特点；重点就高海拔特高压自然覆冰交直流试验线段、电网设备带电覆冰观测及考核场和户外冲击试验场、高海拔人工气候实验室的功能设计等进行了研究和讨论。基于该基地的地形条件与设备功能，能有效研究特高压交直流输电线路自然覆冰的变化规律，研究电网设备防冰、除冰、融冰方法和技术措施，并开展防冰减灾的技术培训等。

高海拔；自然覆冰；特高压交直流试验线段；示范基地

0　引言

电网覆冰是一种严重的自然灾害，由其引发的冰灾事故严重危害到电网的安全运行[1-2]。我国于1954年首次记录到输电线路覆冰事故。自此以后，输电线路覆冰事故也不断发生，其影响也随着我国电网的高速发展不断扩大。覆冰引起的停电事故给铁路、交通运输造成严重影响，给国民经济发展和人民生活带来巨大损失[3-4]。然而电网防冰一直是国内外尚未解决的技术难题，目前国家急需针对特高压设备在不同环境条件下的电气性能及抗击自然灾害能力的试验研究。因此，为满足电网防冰灾、防污和输变电工程技术研究和应用的要求，有必要建设电网防冰研究、试验、应用示范基地，保障电网的安全运行[5-6]。

在国内自然覆冰试验场建设方面，重庆大学2008年7月开始在湖南省雪峰山坪山塘建立自然覆冰试验基地，架设了二基9m×9m×9m的雨凇塔，布置了长120m的各种型式单导线和分裂导线，导线端头安装了拉力传感器；建成了一基500kV真型直线塔，架设3km的10kV试验电源专线，该基地可开展导线覆冰、融冰、脱冰机理、绝缘子覆冰机理和放电特性、高海拔污秽绝缘子放电特性、雷电参数观测与统计等多方面应用基础理论和技术的研究[7]。2010年，国家电网公司在河南省尖山利用废弃的五档500kV线路用于研究覆冰导线舞动规律和防舞措施，主要目的是研究输电线路舞动、振动特性及机理，研究防舞、防振、防风偏装置评估与优化，研究除冰、融冰技术，研究新型导线的运行特性等[8]。2011年，国家电网公司在离长沙市中心约10公里的榔梨变电站旁建设现代化的输变电设备防冰减灾技术实验室，其中输电线路模拟实验场架设了四基三档共计770m的500kV试验线路和一个观冰架，配备了一套直流融冰装置、3套冰情监测系统等完善的设施，主要目的是研究输电线路的覆冰、融冰、防雷接地、导地线舞动等关键技术[9]。在国内自然覆冰相关试验基地建设中，雪峰山坪山塘自然覆冰试验基地没有真型试验线段，无法开展脱冰跳跃及线路舞动方面的研究；河南真型输电线路综合试验基地，试验线段不及1km，海拔较低，无法开展高海拔地区自然覆冰机理及相关应用方面研究；雪峰山输变电设备防冰减灾技术实验室，模拟线段位于小沙江，线路长度及地理条件均不及本项目六盘水梅花山地区优越。

国外针对线路覆冰方面的研究较早，类似的实验室如瑞典STRI的直径18m、高22m覆冰实验室[10]，加拿大魁北克大学席库帝米分校的人工气候室等[11]。在某些地区还搭建了真型杆塔及试验段[12]。瑞典上世纪七十年代就已在户外建设了线路覆冰试验场，试验研究真型杆塔和试验线段的覆冰特性[13]，冰岛、芬兰、德国等国家在线路走廊附近架设简易试验线段，欧洲布置监测点总数达2000个，长期全面观测、研究覆冰导线的规律和防冰的措施和方法[14]。国外环境自然覆冰主要是积雪，而在国内环境下的自然覆冰机理与国外环境下不尽相同，国内贵州六盘水梅花山地区属于典型亚热带云贵高原山地季风湿润气候区，在水城西北部海拔1800m以上地区属暖温带季风湿润气候区，覆冰主要属于雾凇与混合淞，所以在六盘水梅花山典型地区建立一个集真型自然覆冰试验线段、人工气候实验室、自然覆冰观冰站等试验场于一体的试验基地，有利于推进国内防冰减灾技术方面的研究达到国际水平。

六盘水防冰综合技术应用示范基地（简称“示范基地”）以电网防冰减灾为建设目标，结合六盘水梅花山地区特有的高海拔及覆冰气候环境，建设关于防冰、融冰理论应用技术及变电设备覆冰观测、考核试验的重点示范基地。它也是国内首条高海拔地区集超、特高压交直流自然覆冰试验线段、人工气候实验室、防冰减灾技术培训及带电作业技术培训、交直流输变电设备覆冰观测及考核场于一体的综合技术研究试验基地，将填补国内外目前没有相应的防冰减灾综合技术研究试验基地的空白，推进电网公司在防冰减灾技术的研究达到国际领先水平。

1　示范基地总体规划

示范基地位于贵州六盘水市梅花山垭口地区。六盘水位于贵州省西部，海拔较高，降雨量大，具有典型的微气候、小地形覆冰特征。特别是在梅花山地区，覆冰极其严重且类型多样，持续时间长，属于典型的高海拔覆冰环境，在国内外均具有普遍性，是研究电网覆冰的理想地点。

示范基地主要建设规划如下：建设面积约5.2万平方米，其中包含有长达800米的交流500kV等级/直流±800kV等级高压交直流试验线段、交流500kV等级/直流±800kV等级交、直流变电设备带电覆冰观测及考核场、3600kV/360kJ户外试验场、大/小型环境气候实验室、防冰综合技术多功能展示厅以及其他配套设施。

示范基地的整体规划图如图1所示：

依托示范基地的建设，研究人员可研究超、特高压交直流输电线路自然覆冰、风速风向、微气象条件以及导线分裂方式对覆冰影响的变化规律，改进电网设备的各种防冰、除冰、融冰方法和技术措施，并开展防冰减灾的技术培训等。

图1　示范基地的整体规划图Fig.1 Schematic plan of demonstration base

2　示范基地的各试验区域的建设

2.1高海拔高压交直流自然覆冰试验线段

在示范基地建设的真型试验线段是国内首条在高海拔地区长距离的真型超、特高压自然覆冰交直流试验线段，配置有相应的雨凇架等硬件设施，能开展导线自然覆冰机理、融冰机理、导线脱冰跳跃等理论性研究及防冰、除冰技术等应用性研究，填补国内外相关研究领域的空白[15]。高海拔高压交直流自然覆冰试验线段的建设是示范基地的建设重点。

图2　试验线段的地理环境Fig.2 Geographical environment on the test line

图3　试验线段侧视图Fig.3 Side view of the pilot line

示范基地真型试验线段将建设在梅花山地区马家水沟一带。如图2所示，考虑该区域的地形、地貌及主导风向等因素，示范基地真型试验线段部分将从试验场内出线，基本按西北-东南方向布置，沿S102省道方向依地形架设，不跨越省道。

超高压交流试验线段与特高压直流试验线段使用同一试验线路，特别设计的多功能杆塔结构能满足交直流试验线段的机械强度及电气性能的要求。为满足同塔双回线路及同塔架设不同电压等级线路的相关试验研究要求，直流线路配置2套双极性直流电源（正负极各1套）。交流线路配置6台单相工频试验电源（同塔双回，同时工作）。为研究试验线段在不同电流下的自然覆冰融冰特性，将配置1台单相大电流升流器，输出电流在100A-1500A范围内可调。试验线段的总长度规划约为800米，其中观冰区域预计长约400米，试验线段由2基高60米耐张塔和2基高60米直线塔组成“耐—直—直—耐”三个档距，设计的档距分别为200米-300米-300米，如图3所示。其中200米档距为主要试验档距，杆塔结构形式为：1、2号杆塔采用门型多功能塔的设计；3、4号塔采用鼓型塔的设计，以此模拟实际输电线路杆塔。

试验线段上的杆塔都能架设不同分裂数的导线，每基杆塔可设置6层横担，满足同塔双回线路及同塔架设多电压等级的线路要求。其中，1、2号多功能门型直线塔在下半部分设计搭建雨凇架，雨凇架设置两层横担，横担设置多个挂点，可挂设不同型式、不同串型的绝缘子串开展相关自然覆冰试验研究。

高海拔高压交直流自然覆冰试验线段为示范基地提供了良好的试验硬件基础，研究人员可据此分析不同结构的输电线路在不同覆冰条件下塔线系统的动态力学特性，揭示单导线和分裂导线的覆冰及其舞动机理和防止舞动的方法等[16]，为我国高海拔、重覆冰区输电线路的安全运行提供各方面的成果经验。

图4　考核场的效果图Fig.4 Renderings of appraisal field

图5　考核场的断面图Fig.5 Cross-sectional view of appraisal field

2.2交、直流变电设备带电覆冰观测及考核场

交、直流变电设备带电覆冰观测及考核场（简称“考核场”）的建设是示范基地的重要组成部分，依托考核场的建设研究人员能开展交、直流变电设备覆冰观测及考核等相关试验，检验交、直流变电设备的电气性能和机械性能。

如图4所示为考核场的效果图。

考核场主要设施包括：

1）门型架，用于将试验电源进线引入到考核场中；

2）考核设备布置区，在布置区内可架设不同电压等级的交、直流变电设备进行考核；

3）喷淋系统，用于设备覆冰观测及机械性能考核；

4）在线监测系统，用于覆冰观测及实时监测设备运行情况。

考核场的试验电源与试验线段的部分试验电源共用，可对110kV至500kV交流变电设备以及±100kV至±800kV直流电网设备开展考核试验。如图5所示为考核场的截面图。

考核交、直流变电设备在覆冰条件下机械性能和电气性能是考核场的首要功能。考核场分为交、直流变电设备考核区和交、直流变电设备覆冰考核区两个部分组成。

交、直流变电设备带电考核区：电源由试验线段的出线经过考核区内架设的门型构架引入，通过连接金具与硬管母相连，支柱绝缘子支撑硬管母，A相出线依次与支柱避雷器、支柱绝缘子、电压互感器、隔离开关、断路器及支柱绝缘子相连接。在考核场管母下方设置多个支柱基础，可安装和更换不同电压等级以及不同种类的变电设备。

交、直流变电设备覆冰考核区：在考核区内的考核设备上方架设了自来水管道，并通过喷雾器将自来水均匀地喷洒在考核设备上，喷雾器的喷水量可调节，以便于设备覆冰考核试验的开展。根据GB/ T13601-92《高压开关设备严重冰冻条件下的操作试验》的规程要求，在与考核设备处的同一喷水量的地方水平放置一根直径30毫米，长1000毫米的试棒，用以衡量现场的覆冰厚度。

考核场中还配置有泄漏电流在线监测装置以及故障录波装置等设备，能对被考核设备在冰冻条件下的关键特征量进行连续监测，分析其随时间及环境条件变化的规律，为判断设备是否正常运行以及设备在冰冻条件下的防冻设计提供重要依据。

依托超、特高压交直流变电设备自然覆冰考核场的建设，示范基地可实现超、特高压变电设备的覆冰观测及考核试验，其研究成果将为超、特高压直流输电工程在高海拔重覆冰地区的建设、运行和维护提供技术支撑，从而推动电网公司在防冰减灾方面的相关技术规范、导则和标准的制定和完善。

2.3高海拔人工气候实验室

输变电设备在高海拔地区与平原地区的覆冰情况具有差异性，高海拔地区设备的覆冰问题更加严重。在特定的地理条件、气候环境中，设备覆冰情况无法通过模拟仿真进行数值估算。人工气候实验室为示范基地提供了非自然环境冰期的冰冻环境条件，能模拟不同海拔高度及灵活的覆冰气候条件，可进行不同海拔高度与自然覆冰机理方面的试验性研究，人工覆冰及自然覆冰差异性研究等，对全面分析研究输变电设备的覆冰机理有重要作用[17]。

示范基地建设大、小型环境气候实验室各1套。大型人工气候实验室用于对超、特高压输变电设备开展相关试验研究；小型人工环境气候实验室用于模拟4000米以下海拔高度的覆冰环境，并开展相关试验研究。

图6　小型人工气候实验室设计示意图Fig.6 Schematic design of small artificial climate laboratory

图7　大型人工气候实验室三维效果图Fig.7 Three-dimensional diagram of large artificial climate laboratory

如图6所示，小型人工环境气候实验室由试验电源，罐体和制冷装置、抽真空装置、喷水及喷雾装置和测量控制装置等部分组成。其中，配置的试验电源为直流污秽试验电源与工频交流污秽电源各一套；配置真空泵，可模拟4000米海拔高度低气压气象条件、低温结冰条件（最低温度-20℃）和人工污秽试验条件。制冷系统由制冷机组、冷风机和送风管组成，制冷机为低温螺杆式冷凝机组，冷风机吊挂于罐体顶部。小型人工环境气候实验室中可模拟4000米海拔高度下自然界形成的均匀冻雨环境，开展人工覆冰试验。

高海拔超大型人工环境气候实验室由罐体，环境保障系统和试验电源组成。其中环境保障系统由制冷装置、喷水及喷雾装置和测量控制装置等部分组成。配置的试验电源为±800kV直流污秽电源与500kV工频交流污秽电源各一套，并配有监控操作室，是一个集污秽、覆冰试验于一体的多功能特高压实验室。其效果图如图7所示。

人工环境气候实验室的建立为示范基地提供了非自然环境冰期的冰冻环境条件，满足了示范基地在高海拔环境条件下开展不同覆冰程度下的输变电设备外绝缘特性试验研究和产品性能检验工作，全面提高了示范基地对输变电设备在覆冰条件的试验能力，为把防冰综合技术示范基地打造成国内一流的综合试验基地的建设目标提供了重要的基础设施。

2.4户外试验场的建设

户外试验场将配置3600kV/360kJ冲击电压发生器、±1200kV/50mA双极性直流电源、750kV/1A工频试验电源等设备。试验场内冲击、工频、直流设备呈三点分散布置，相互间留有足够的距离，可以同时工作；必要时又可相互连接，进行联合加压等试验。

在高海拔典型覆冰地区建设的户外试验场是示范基地的重要组成部分，能进行超高压交流500kV系统、特高压直流±800kV系统的电气设备绝缘试验等研究工作，并可开展母线、金具、导线等在自然覆冰环境下的电晕特性等方面的试验研究，将对在自然覆冰条件下输变电设备的放电特性、新型输电技术和保护设备、新型测量和监测技术的理论研究和应用推广有重要作用。

2.5示范基地中其他配套设施的建设

防冰综合技术展示厅：主要用于防冰、除冰、融冰的技术交流。人员通过现场观摩和互动操作，能形象了解防冰综合技术应用六盘水示范基地及其在防冰、除冰、融冰方面所取得的成果。防冰综合技术展示厅对促进示范基地防冰减灾方面研究成果的转化应用具有重要的意义。

带电作业技术培训系统：通过虚拟现实技术及三维模型建模显示手段，结合示范基地在防冰减灾的技术成果建立三维防冰减灾实际操作系统，通过带电作业技术培训系统对除冰人员进行培训考核，提高电网公司除冰人员的理论水平及实际操作水平。

3　结语

防冰综合技术示范基地将是国内进行高海拔地区自然覆冰机理及融冰基础理论与防冰、融冰理论应用技术方面的研究与进行变电设备覆冰观测、考核试验方面的重点示范基地。依托该地区高海拔、强风、雨水和自然覆冰的独特自然环境条件，研究人员能进行研究各种电网设备防冰、除冰、融冰方法和技术措施，并开展防冰减灾的技术培训。基于在示范基地中取得的研究成果，电网公司可制定相关的防冰减灾技术标准、导则和规范，推动电网公司在防冰减灾领域的技术进步，同时可培养一批在国内外具有一定影响的专业技术人才和防冰减灾管理人才，推进南方电网整体的防冰减灾技术的研究达到国际领先水平。

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The Construction of Anti-icing Technology Demonstration Base in High Altitude Area

MA Xiao-hong1, CHEN Yong2, ZHAO Li-jin1, KE Lei2, ZENG Hua-rong1, LI Wei1
(1.Guizhou Power Test & Research Institute, GuiYang 550001, China; 2.WuHan NARI Limited Company of State Grid Electric Power Research Institute, WuHan 430074, China)

In order to meet the power grid company to prevent icing disaster and power transmission engineering technology research and application, the construction of anti ice research, experiment and application of integrated functions of the test base is of great significance for the safe operation of the power grid. Anti icing comprehensive technology application demonstration base in the area with high altitude, strong wind, rain and natural ice cover and other unique natural conditions of the region. This paper introduces in detail the base of the overall planning, construction scheme, main testing functions and technical features of; focus on and discussed the high altitude UHV icing and DC test line, grid equipment charged Ice Observation and examination field and outdoor blow test field, high altitude artificial climate laboratory of functional design. Based on the base of the terrain conditions and equipment function, we can effective research on UHV AC and DC transmission line icing and variation, studying power equipment anti icing and deicing and melting ice methods and technical measures, and to carry out anti ice disaster reduction of technical training and so on.

High altitude; Natural iced; Uhv ac/dc test line; Demonstration bas

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.11.03

MA Xiao-hong, CHEN Yong, ZHAO Li-jin, et al. The Construction of Anti-icing Technology Demonstration Base in High Altitude A rea[J]. The Journal of New Industrialization，2015，5（11）: 13-19.

马晓红（1978-）女，硕士，高级工程师，从事高电压技术、防冰技术的研究、应用及相关管理工作

本文引用格式：马晓红，陈勇，赵立进，等. 高海拔防冰综合技术应用示范基地的建设[J]. 新型工业化，2015，5（11）：13-19.