电网覆冰的风险管理

王建 刘辉

电网工程在冬季往往面临低温冰雪考验，所以加强电网覆冰的风险管理非常必要。目前，电网覆冰风险管理措施主要有融冰或除冰两种方法。电网覆冰一旦形成，处理起来不仅需要耗费大量能源和维护成本，还会因外力干预对电网安全稳定运行产生较大影响。因此，需要从根本上降低或消除覆冰的风险，提高输电线路本身对冰雪的抵御能力。本文总结了防冰、抗冰的常见方法，梳理了近年来输电导线防冰专利的情况，并从专利申请、获批和存量专利有效性的角度，分析了输电导线覆冰风险管理的有效措施，从而有助于提高电网覆冰的风险管理能力。

电网覆冰的严重危害

输电导线及设备覆冰是电力系统运行中面临的常见现象。这种现象易引起输电线路载荷增加、不平衡张力、舞动，导致倒塔、断线、脱冰跳跃、闪络等一系列事故，严重影响输电线路安全可靠、可持续运行。同时，常见的除冰措施安全系数和除冰效率较低，可能导致对电力设施的二次伤害，容易造成导线损坏和绝缘性能降低。

世界上很多国家都遭受过严重电网覆冰灾害。如1998年，美加两国大冰灾造成超过3 000km的电力网络受到影响，约1 000座高压输电杆塔、43 000座配电杆塔倒塌，10 000台变压器需要修复，电网系统的维修费用约为8亿美元，经济损失约为35亿美元。1999年，法国冰灾造成38条主要输电线路停运，5GW电力不能送出，超过350万户居民停电。2005年，瑞典南部遭受严重暴风雪灾害，造成电网系统、通信、铁路及公路等长时间停运，65万人得不到电力供应，电网修复时间长达7周。2005年，德国冰灾造成70多条输电线路倒塌，20万用户被停电。

我国电力系统近年来也频频遭受冰雪影响。2008年，我国南方区域电网发生罕见的大冰灾，仅湖南省一个月内持续发生断线、倒塌事故，导致500kV及以下电网大量线路和变电站频繁跳闸、停运。据统计，35kV及以上变电站发生全站停运或局部停运的有380座，10kV及以上线路倒塔及损坏68 089基、断线52 380处，低压线路倒杆断杆330 450基 、 断线367 673处。南方电网10kV 及以上线路被迫停运7 541条，35kV及以上变电站被迫停运859座，10kV及以上线路倒杆倒塔及损坏126 247基。2016年，我国电力系统再次受强降雪影响，湖南、四川、广东等多地电网线路被积雪覆盖，其中，仅云南昭通一市就有300余条线路遭受冰雪覆盖，其中500kV线路几乎全部覆冰，220kV和110kV线路分别呈现70%和28%覆冰状态。

电网覆冰常见处理方法

目前，国内外覆冰管理方法主要针对覆冰后的处理，有30余种，可划分为三种类型：热力融冰法、 机械除冰法、自然除冰法。

热力融冰法

热力融冰法可分为交流融冰法和直流融冰法，是通过电网自身潮流使导线发热或增加额外热源使冰雪在导线上无法积覆，或使已经积覆的冰雪融化。这是目前公认的解决架空导线覆冰问题最直接、有效、可靠的除冰方法。热力融冰法虽然简单易行，但适用范围一般局限在220kV以下电网，尚难以应用于更高电压等级的电网。同时，该方法存在改变网络潮流分布、增加大量能量消耗等缺点。

机械除冰法

机械除冰法是通对覆冰设备施加机械力，促使设备上的覆冰在机械力的作用下脱落。机械除冰法多种多样，其中用于输电线路除冰的方法主要有“AD HOC”除冰法、滑轮刮铲法、电磁脉冲除冰法及新兴的机器人除冰法等。

“AD HOC”除冰法是利用外力将冰层的物理结构破坏而使之脱落的方法。一般可采用直升机、绝缘作业工具车、起重机或手工除冰的方式。此类方法安全系数与除冰效率较低，容易造成电力设施损伤。

滑轮刮铲法是操作者在地面上牵引覆冰导线上的滑轮滑动，使得导线上的冰层脱落的方法。此方法需要考虑操作者的实际除冰经验。

电磁脉冲除冰法是通过给整流器施加触发脉冲，使电容器冲击放电和电流通过线圈产生脉冲磁场，从而使在线圈附近的导线产生涡流，涡流的磁场与线圈磁场产生斥力，最终使导线产生扩张，脉冲消失后导线收缩到原状态，反复地扩张和收缩使导线表面的覆冰胀裂掉落。

机器人除冰法是在线路上使用移动的机械代替人工进行除冰，这样减少了人工操作的危险性。

自然除冰法

自然除冰法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，由风力或其他自然力的作用使冰雪自行脱落。该方法简单易行，但可能因不均匀或不同期脱冰产生导线跳跃，易引起线路事故。目前，正在研究中的输电线路的防覆冰涂料也是一种被动的除冰方法。

新技术对覆冰风险管理的影响

传统覆冰风险管理方法通常是在覆冰发生后采取相应措施，对覆冰进行处理。从风险管理的角度来看，这类方法应归为风险接受，属于被动式的风险管理。近年来，随着科学技术的不断发展，已经涌现出许多创新的覆冰风险管理方法：有的在覆冰风险出现前就进行规避，大幅减轻覆冰风险发生概率；有的在覆冰风险发生后消除风险。这些新技术的出现往往是从申请相应的发明专利或实用新型专利开始的，因此从专利角度进行技术梳理和分类，易对覆冰管理未来的发展方向形成清晰的认知。

覆冰专利发展趋势

在中文专利檢索系统中，以相关关键词进行组合检索，结果显示：2008年以前，相关研究较少；2008年至今，约有539项专利申请，其中发明专利申请约288项，实用新型专利申请约251项。申请人大多集中在国家电网有限公司及其下辖单位，其专利申请数量约232项。各年度发明专利和实用新型专利的申请量和授权量如图1所示。

从图1可知，防冰相关专利申请量2008年之前较少，2009—2011年申请量逐渐增多，2012—2016年维持在较高水平，2017年后逐步下滑。这种变化规律与行业发展方向和趋势相契合。2008年以前我国电力系统受冰灾影响较小，2008年遭遇前所未有的冰雪袭击，防冰抗冰成为学术研究和生产运行的热点问题。经过多年的研究和管理创新，已经初步形成了一套有效的风险预防和管控的战略组合。

新技术对覆冰风险管理的对策

传统的除冰方法虽然有大量重要的研究成果，也在实践中取得很多成功的案例，但就方法而言，大多聚焦覆冰以后的应对策略，而疏于冰雪发生前的风险预防，是相对被动的做法。为了更积极主动地防范冰雪灾害，减少或消除覆冰对电网运行的影响，应深入研究覆冰的成因及我国的地理冰区特点，从工程设计之初就尽量避免冰雪影响。同时，应鼓励创新、积极试用新的导线和相关设备，在本质上降低覆冰风险。目前，从专利申请量及专利创新性等角度来看，我国抗冰导线及相关研究领域包括抗冰预警系统、新型融冰导线、新型不结冰导线、复合导线涂层技术等，对覆冰风险管理都有积极的作用。

（1）抗冰预警系统。我国幅员辽阔，输电导线需跨越不同气候条件的地域，这给冰雪的检查和预警带来极大困难。然而，借助现代信息技术，研制全天候实时冰雪预警系统成为可能。根据预警系统，可以灵活调整运维方案，有针对性地检查电力系统薄弱环节，做到防冰于未然。金少辉等人提出采用设置观测绝缘子并建立预警中心数据库的方法，通过观察绝缘子串拉力变化判断覆冰情况。孙萌等人提出利用在线监测技术，对比覆冰历史数据，建立感知能力强、快速响应的高效抗冰预警体系，扭转人工观冰的现状。

（2）新型融冰导线。电流经过输电导线会自然产生热量，热力融冰法即源于此原理。将此原理进一步发展，通过改变导线的结构或材料，可控地增加线路发热量，可以大幅提高融冰的效率。蔡成良等人研究了一种耐热铝合金绞线，提高导线的载流量，可减少融冰所需电量。肖明训等人提出了一种复合导线融冰技术，融冰时通过开关切换导流面积，提高发热量、加速融冰。黎基华等人公开了一种具有加热功能的防结冰电缆，该电缆设有螺旋状结构的加热体，通过采用超疏水材料可实现防水和防冰效果。沈勃等人公布了一种带有蜂窝状结构的绝缘支架和凹槽的电力线缆，可以改善电力线缆发热变形问题。孙文浩等人公布了一种多层结构架空地线，通过温度传感器感知外界温度，当外部温度达限后启动加热电阻丝，避免外部结冰。盛春敏等人提出一种多层OPGW光缆，在其中增加可发热导线用于融冰。

（3）新型不结冰导线。除通过使导线发热抑制覆冰或融化覆冰外，还有一种改变导线的外部特性，使冰雪难以附着，从而达到防冰的目的。石玉龙等人公开了一种被动型防冰输电线路，通过设置特殊的受力结构和防冰卡槽，使冰雪无法附着、累积在防冰罩上，起到主动防冰的作用。这种方法不消耗能量，也无须人工维护。

（4）复合导线涂层技术。复合导线涂层技术可以不改变原有输电线路的导线、绝缘子、铁塔现状，将防覆冰纳米复合涂料涂在导线、绝缘子、金具、铁塔等位置，有效防止和预防电力系统及通信网络的覆冰，直接增强其抗冰能力。涂层技术不需要改造或只需局部改造原电网，资金投入较少。鄢国平等人公布了一种由有机氟硅复合高分子材料、纳米材料、固化剂、溶剂、填料组成的复合涂层材料。翟广坤等人公布了一种氟化改性硅树脂和基于硅树脂氟化改性的超疏水涂层，该涂层还同时具有防污效果。陆佳政等人公布了一种附着于导线本体上的聚能层和附着于聚能层上的高透自清洁层，该涂层可在线喷涂，造价低廉。

结语

本文针对电网安全运行中的覆冰风险及相应风险管理方法进行了详细论述。从风险管理的角度来看，传统融冰和除冰方法属于风险被动接受。雖然经过多年的发展和实践，被证明具有一定的效果，但是这些方法的技术前景和可持续性欠佳。随着科学技术发展，多种着眼于风险规避、风险减轻的新的覆冰管理技术开始出现，经过不断的实践和优化，必然会取得越来越好的抗覆冰效果。

王建，高级工程师，就职于电力规划设计总院，主要从事电力市场规则、输配电价定价机制、电力工程工程造价及财务评价等相关研究工作。

刘辉（等同第一作者），助理研究员，就职于国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，主要从事国内专利及PCT国际专利的审查及复审工作。