江西地区输电线路覆冰事故分析及应对措施探讨

刘阳

（中国电建集团江西省电力设计院有限公司，南昌330019）

1 引言

2008 年初，我国南方地区遭遇了大范围持续性的低温覆冰灾害天气，湖南、江西等地区的覆冰厚度达到40～60mm。整个灾害导致了多条110～500kV 输电线路出现倒塔现象，总计8 331 基，35～500kV 输电线路停电多达上百条【1】。本次灾害使得贵州、湖南、江西等省大面积断水断电，对国民经济造成了巨大的经济损失。

2018—2019 年，江西地区再次发生持续性冻雨天气，冰害共导致32 条110kV 及以上输电线路发生跳闸36 次，造成塔头折损7 基，导线断裂41 根、地线断裂3 根、地线支架弯折1处。其中，2018 年初抚罗Ⅰ回倒塔4 基，梦永Ⅰ回倒塔1 基，地线支架1 处；抚罗Ⅱ回、梦永Ⅰ回各断子导线6 根。

2 输电线路覆冰灾害的原因分析及危害

2.1 地形以及气候原因

输电线路导线覆冰需要具备的条件有：（1）温度持续低于0℃以下；（2）具备足够的湿度，一般指空气湿度达到85%以上；（3）具有一定的速度，可使水滴在空气中运动，一般风速约为5～15m/s。在这些条件都具备之后，空气中的“凝结水”及落雪在触碰到低于0℃的导线后，便会在导线表面形成结构。通常来说，自然条件下形成的导线覆冰密度一般从0.3×103～0.9×103kg/m3不等（但设计中覆冰密度按0.9×103kg/m3计算），按表观特性主要分为雨凇、混合凇或硬雾凇、软雾凇、霜凇等类型【2】。

覆冰形成的原因和地形也有很大关系，例如，高海拔地区、山坡中的迎风面，垭口，暴露的丘陵顶部、风道及水面上方覆冰都比较严重。

2.2 实际覆冰厚度远超设计冰厚

在此次冰害中，部分线路的实测覆冰厚度已远超设计冰厚（折算成标准冰厚），例如，500kV 抚罗Ⅰ回线路，根据现场折算的导线标准冰厚约为27mm，覆冰厚度均远超线路10mm的设计标准，该线路2009 年投运，设计依据为DL/T 5092—1999《110～500kV 架空送电线路设计技术规程》和DL/T 5154—2002《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》。设计时未考虑不均匀冰工况对铁塔结构的影响，因此，此次覆冰灾害造成铁塔塔头折损破坏。

500kV 抚罗Ⅱ回线路现场折算成导线标准冰厚约为27mm，覆冰厚度也远超线路10mm 的设计标准，但抚罗Ⅱ回线路是按照2008 年冰灾之后的新规设计，铁塔规划设计时已考虑不均匀冰工况对铁塔结构的影响，因此，铁塔抗覆冰能力要强于抚罗I 回，在本次灾害中发生断线事故而未造成铁塔损坏。

由此可见，远超设计标准冰厚的覆冰会引起导地线过载，金具和铁塔的重量不断增加，直至导线、地线以及金具的断裂。除此之外，随着导线覆冰厚度增加，铁塔所承受的荷载也在不断地增大，最终铁塔将无法承受如此大的荷载而产生严重的扭曲变形，构件破坏直至倒塔。

2.3 断线及不均匀覆冰引起的铁塔不平衡张力

铁塔前后侧由于档距、高差等原因，使得前后侧导线的覆冰不均匀，这种不均匀覆冰产生的不平衡张力过大，会使导线断裂，绝缘子偏移。而导地线断裂、金具损坏会引起不平衡张力的进一步增大，使得铁塔发生扭转或者弯曲，进而发生倒塔事故。当一个耐张段有一基铁塔发生倒塔后，与其相邻的铁塔受到不平衡力张力更大，引起多米诺骨牌效应，造成大范围铁塔倒塔事故。

2.4 覆冰状态下导线舞动

导线的不均匀覆冰会产生自激振荡、舞动等现象，有可能造成导线断线、金具损坏甚至发生倒塔。不均匀冰在风的激励下会产生大振幅、低频（0.1～3Hz）的自振，致使导线发生舞动。如果舞动的时间过长，将会使导线、金具、绝缘子串和铁塔受到持续性的异常冲击而产生疲劳破坏，同时，还会产生导线相间及相对的闪络，严重威胁电网的安全运行【3】。

3 不同覆冰厚度对铁塔结构的影响

导线覆冰的垂直荷重及不平衡张力是铁塔所承受的主要荷载，随着导线覆冰厚度的增加，杆塔所受到的垂直荷重和不平衡张力也在显著增加。对事故铁塔在实际使用条件下进行不同覆冰厚度的仿真模拟，当覆冰厚度增加5mm 时，垂直荷重约增加25%，不平衡张力约增加50%，因此，覆冰厚度对铁塔不平衡张力影响更大。

正常情况下的铁塔不平衡张力值在铁塔可承受范围之内。但是，由于实际工程中铁塔的前后侧档距、高差、脱冰率不同等因素，铁塔两侧往往会产生较大的不平衡张力。而一个耐张段中多档之间覆冰率不同或不同时脱冰会造成本耐张段中某一基铁塔的不平衡张力远超设计值，而常规铁塔设计时并未考虑该种情况，同时，由于杆塔处于山地，冰融化时容易出现不均匀融冰现象，从而加剧了铁塔两侧的不平衡张力。铁塔在不均匀冰工况下可能发生受弯或者受扭，当铁塔所能承受的不平衡张力值超过极限后，铁塔构件将会屈曲失稳，整个铁塔发生扭转、弯曲破坏，从而导致整条线路无法运行。

当覆冰厚度增加时，重覆冰对铁塔产生了较大的垂直荷载以及不平衡张力，同时不平衡张力对铁塔产生扭转力矩。动载和静载的共同作用使得横担杆件发生屈曲破坏，从而引起塔头杆件屈曲，铁塔主材破坏，发生倒塔事故。

4 输电线路覆冰事故的防治措施

4.1 优化线路路径方案

海拔高度是影响线路覆冰的主要因素之一，海拔每升高100m，平均气温降低0.6℃。因此，线路路径选线时，应尽可能避开高海拔地区，同时设计档距应当均匀。对于大档距、大高差的铁塔应该提高抗冰设计能力，同时处理好安全与投资之间的关系。

对于高山、孤立的山丘、风道、垭口、迎风坡、水库上方、相对高差较大、连续上下山等易覆冰的微地形微气区段，应加强线路铁塔抗冰灾害能力。

4.2 增加导线截面积

架空输电线路中，导线的机械强度主要取决于导线钢芯的截面积。为了降低覆冰对导线结构的影响程度，在选择导线的过程中，应结合当地气候的实际情况对导线进行合理的选择。例如，在重覆冰地区应选用钢芯截面积较大的导线，使导线的抗拉强度得以提高。采取此项措施能够有效地提高导线的瞬时破坏应力，减小因覆冰情况导致断线事故的发生。

4.3 提高安全系数

GB 50545—2010《110kV～750kV 架空输电线路设计规范》中规定，导线在弧垂最低点的设计安全系数应不小于2.5，工程中导线的安全系数往往取2.8。在重覆冰地区建议提高导线的安全系数，这样，可以减少导线的最大使用应力、有效降低导线的悬点应力及导线产生的荷载，显著提高线路的安全运行能力。提高安全系数虽然降低了导线的使用应力，但同时也增大了弧垂，减少了档距，增大整条输电线路的投资，因此，此项措施适合不受弧垂控制的地区。

4.4 采用合理的除冰手段

当设计阶段无法采取有效的抗冰措施时，应在运维阶段考虑采用防冰和除冰的措施【4】。例如，人工除冰法、机械除冰法、采用热力除冰法，被动脱冰法等方法，减少覆冰在导线上的积累。

除了上述措施之外，还应加强建设江西地区的覆冰情况观测站，加强微地形、微气象地区及以往覆冰受灾线路的资料收集，细化优化江西地区冰区划分，为输电线路提供全面可靠的一手资料，使设计更为合理，从而降低覆冰灾害事故的发生，提高输电线路的安全正常运行水平，促进电网事业的持续健康发展【5】。

5 结语

冰雪具有极大的随机性和复杂性，随着江西高压电网的建设，输电线路覆冰灾害是影响电网安全运行的重要因素。本文介绍了输电线路覆冰及灾害事故的主要原因，针对实际发生的覆冰事故分析了不同覆冰厚度对铁塔结构的影响，最后对输电线路的事故防治提出了几点建议和预防措施：设计时应优化线路路径方案，提高设计安全参数，增大导线截面面积；运行维护时应及时去除导线上的覆冰，防止冰雪积累，提高输电线路的安全正常运行水平，促进江西地区电网事业的持续健康发展。