架空电力输电线路安全运行的探讨

中国航天建设集团 赵侃坤

1 架空电力输电线常见故障

1.1 雷击造成线路中断

架空输电线路所在的高度导致其在自然条件下易受雷击侵袭，其造成的过电压分为两种，一是雷电发生在架空线路附近，二是雷电直接作用在架空线路上。电力输电线路虽设置有绝缘层、绝缘子等保护性措施，但线路本身由金属材料制成，雷电形成的强烈电磁场会导致输电线路上产生过电压，线路上的绝缘层在长期使用过程中会出现相对薄弱的点位，过电压会将这些薄弱点击穿。过电压同时会进一步引发导线上的过电流，巨大的电流作用在本身就存在一定阻值的金属导线上，短时间内就会在导线上产生大量热量甚至直接引燃绝缘层。

以10kV架空线路为例，过电压会引发绝缘子及其下方的金属横担出现闪络，此时绝缘保护失效，短路通路形成，工频续流最终将导致线路跳闸或导线熔断。如雷击闪络没有损坏线路、仅是造成绝缘子闪络，当过程结束后被击穿的空气又会迅速占领原有的空间并形成绝缘环境，这种情况下重新合闸基本上都能成功。

1.2 线路覆冰

在长距离的架空输电线路中杆塔间存在较大跨度，电力输电线路的芯线大多以重金属制作而成，自重非常大，大跨度的线路受到重力作用对杆塔产生强大的拉应力。在降雨、降雪后，低温作用导致线路、绝缘子及其他部位上产生厚重的覆冰，由此增加了线路及杆塔承担的负荷，严重时会导致金属导线受力变形甚至断股。覆冰在风力作用下部分脱落，突然的重力变化引发导线跳跃，这种突然的应力变化增加了杆塔和导线的变形风险。另外覆冰本身也具有形态和体积，导线部署在野外空旷环境下很易受到风力的作用，结冰的导线形成了更大的受力面积，强风使其在空中大幅度舞动，这也是使导线受损的常见原因。可见覆冰对导线、杆塔、绝缘子及杆塔上的金具都会产生不同程度的影响和损坏，威胁架空线路安全运行。

1.3 线路污闪

发生这种情况存在三个先决条件：较高的运行工频电压；起到绝缘保护的绝缘子表面覆盖了大量的污染物，如鸟粪、灰尘等；污染物在降雨、降雪、雾气、潮气的作用下吸收了大量的水分，成为可导电的介质。线路受到污染后最直接的后果是引发大面积的跳闸，原因是同一个区域内的绝缘子类型基本一致，而降雨、雾气、降雪、覆冰等可造成线路绝缘子污染的情况通常覆盖面较大，一次性会影响一个区域内大量的绝缘子，此时如某一处引发了跳闸，即使重新合闸成功电网系统的稳定性依然难以保障，因为其他的绝缘子也受到了污染，随时可能引发跳闸。故此，当线路存在污闪的风险时，要对区域内受天气影响的其他绝缘子统一进行检查和处理，否则无法保障电力系统的稳定性。

1.4 外力破坏

违章的工程建设造成线路中断。在道路施工、桥梁施工或者其他类型的施工活动中，有些施工企业在管理过程中并没有完全按照规范办理作业票据或超过规定范围施工，进而造成电力基础设施被破坏，典型的情况包括挖断电缆、破坏杆塔基础的稳定性。还有些是因从高空抛下物体直接击打在电力输电线路上，进而引发线路中断。

建筑物或者树木干扰电力输电线路。架空输电线路本身带电，且由其产生的工频电磁场还会对人体形成一定的辐射作用，为了电力系统的稳定运行及避免电磁辐射对人体造成危害，建筑物选址要和电力输电设施保持足够的安全距离，然而有些建筑物违章建造，安全距离不符合国家规范的要求。另外树木也是干扰电力架空线路的常见因素之一，有些树木生长速度非常快，树冠的不断扩大会对架空线路形成外力作用；垃圾异物或人的活动也会干扰破坏电力输电线路。如焚烧垃圾或农作物秸秆损害电力设施、气球和风筝等漂浮物落在输电线路上，这些情况都可能引发电力线路跳闸。

1.5 鸟类危害

鸟类普遍具有筑巢的行为习惯，通常情况下鸟类将巢穴安置在树木的枝杈上，但也有些鸟类会将巢穴筑在电力杆塔上，鸟类筑巢后其排泄的粪直接落在杆塔的绝缘子、金具及横担等位置，在潮湿、大雾、下雨或下雪的情况下鸟类粪便成为导体，极易引发绝缘子闪络跳闸事故。我国对自然环境的保护力度逐年加大，并通过植树造林活动不断增加森林覆盖率，鸟类的繁衍活动也因此变得更加频繁，有些鸟类还属于国家级保护动物，如在杆塔上筑巢须采取安全移除的措施。根据历年来的统计资料，由鸟类造成的电路输电线路故障已排到所有故障类型前三位。

1.6 风力因素

架空输电线路部署在高空，尤其是特高压、超高压线路工频电磁场效应更为突出，考虑到控制电磁辐射的需求，这类线路通常都部署在较高的位置，而高空位置的风力作用非常显著，线路在其作用下会不断摆动，再加上自重影响，易因过大的负荷而形成机械性损害。由风力作用引发的故障类型常见如下：风偏故障。架空线路在重力作用下自然垂直于地面，但受到风力影响线路会发生位置偏离，此时有可能在导线间引发相间放电问题，另外拉应力的变化导致导线和线路固定连接部位产生放电也是非常突出的一类问题；线路舞动。当风向不稳定时输电线路在其作用下左右摇晃，由此产生的拉应力作用在杆塔之上，增加了杆塔变形、倒塌风险。另外高压输电线路的舞动也会大幅增加闪络的概率，金具、螺栓等用于固定线路的结构在这些应力的作用下也会逐渐掉落。

1.7 设计缺陷

电力架空输电线路是在地面上设置杆塔基础，然后通过吊装、组装、放线等操作完成施工，输电线路在设计规划阶段要对其地质条件、周边建筑物和道路的规划方向、农业活动的影响等做出全面系统的评估。如，要判断周边是否存在泥石流、滑坡、软土地质等不利因素，地质勘察是排除这些不利影响的主要举措。另外电力输电线路跨度都很长，前期的规划阶段还需考虑后期是否存在道路、桥梁、管道施工等因素的干扰。如前期调查规划阶段没有充分考虑到这些因素，在后期使用过程中就可能引发各种问题。因此在设计规划阶段应做好技术调研工作，一方面规避不利的自然因素，另一方面也应充分考虑到基础设施建设或人为活动造成的干扰，提前加以预防。

2 架空电力输电线路安全运行策略

2.1 合理设计电力输电线路

路径选择。在规划电力架空输电线路的路径时要综合考虑经济节约、维护便捷、安全可靠等需求，通过严格的地质勘察活动掌握周边的水文信息、山体信息、地下水信息及森林资源信息等，通过合理的设计来预防各类地质灾害对输电线路造成的干扰。我国基础设施建设活动非常活跃，高铁、高速公路、大型机场的建设需求始终保持在相对旺盛状态，会在一定程度上干扰到电力线路，因此在线路规划阶段要结合具体的工程建设方向做好前瞻性的预测。从经济性的角度看，线路越短越好，并要尽可能减少转角、弯折之类的设计，规避复杂的施工条件。

基础设计。电力设施的杆塔建立在钢筋混凝土基础上，现阶段的电力工程建设中基本上都是采用桩基础，以预制或现浇的方式建造杆塔的混凝土桩基。桩基结构的稳定性、强度和耐久性对电力输电线路的安全运行起到非常关键的作用。杆塔基座体积较大，在浇筑或预制的过程中易因温度控制不到位或养护不到位而差生裂缝，进而在后续的使用中影响输电线路的正常运行。应严格检查杆塔混凝土基础的结构完整性、预留螺栓的长度，确保其达到设计要求。

杆塔选型。目前国内使用的输电线路杆塔分为两种类型，一是体型较大的铁塔，主要用于输送主干线路，其高度和重量都较大。在城市或乡村的道路两侧部署了大量的预置钢筋混凝土杆，整体高度较低。杆塔的材质和结构形态直接决定了其对架空线路的承载能力，尤其是在考虑风力、重力载荷、覆冰等因素的情况下，应该充分评估杆塔的性能是否满足使用的需求。

2.2 预防雷击断线的技术措施

设置护缆导电带。主要作用是预防潮气或雨水等进入导体芯线，同时导电带本身也具有良好的导电性能，和线缆间可产生较大的接触面积，其对雷电产生的高温作用也能也能产生良好的耐受力；一夹通引弧金具。这种装置由引弧球、接地环、通用夹线等组成，其优点是可实现自锁。中和球具备预防氧化、可中和正负电荷的作用。其中的引弧球以金属材料制作而成，本身就具备良好的耐高温性能，在遭受雷电冲击的情况下也不易燃烧，进而对输电系统产生了良好的保护作用。

消弧棒。在遭受雷击的情况下输电线路上有可能产生较为强烈的电弧作用，消弧棒以耐腐蚀、耐高温、导电性能出色的材料制造而成，可以起到良好的消弧作用，其主要构成部分包括引流板和消弧球；接地棒。输电线路的杆塔上必然会设置避雷针，在遭受雷电作用时通过专门的接地线将电流导入到地下，接地线的材料为铜包钢，在地面下50cm深度处挖设出专门的接地沟，在其中敷设出接地网，然后再将杆塔上引下的铜包钢和接地线连接在一起形成完整的接地网。铜包钢的最外层设计有导电性能优异的铜材料，进而可以实现良好的导电性能，在雷击情况下起到显著的保护作用。在上技术措施的支撑下，电力输电线路可达到较好的防雷击故障效果。

2.3 加强电力输电线路巡检，及时处理潜在故障隐患

日常的巡检工作对及时消除一些潜在的电力输电故障具有重要的作用：通过巡检活动消除鸟类的干扰。鸟类的筑巢活动是比较常见的干扰性因素，鸟类会在电力输电设施上产生大量粪便排泄物，这些污染物吸收水分后即可导电，进而破坏绝缘子的功能、导致其闪络，在日常巡检过程中要及时清除杆塔上的鸟巢和鸟粪；消除树木或违章建筑的干扰性作用。树木的生长速度非常快，特高压、高压输电线路部署在杆塔上，距离地面高度较大，不太可能受到树木或违章建筑干扰。而随着城市和乡村道路布置的输电线路也非常多，此类线路距离地面高度较小，随着树木生长或违章建筑的建设会受到严重干扰，日常巡检中还要处理树木和违章建筑方面的问题。

城市建设活动需求非常频繁，居民住宅、道路、地下设施等都会产生大量的动土作业和吊装作业，机械设备误触、物体跌落等都可能损坏电力输电线路，进而导致故障停电。相关部门应形成联合管理模式，通过制度措施加强对工程建设的监督，防止因不规范的操作而破坏线路、杆塔、混凝土杆或混凝土基础。

2.4 处理覆冰问题的技术措施

设计层面的预防措施：覆冰是一种常见自然现象，难以通过技术手段避免架空线缆上出现覆冰。造成的最直接危害是增加了输电线路负重，如其耐受力不足会导致机械性的受损，如导线断股。在经常出现低温冰冻、降雪的地区应提高导线和杆塔的承重能力，使其在覆冰的情况下也不会出现机械性的损伤。

消除导线上覆冰的技术措施：电流溶解法。电力输电线路本身存在一定的电阻值，如适当增加负荷电流，根据焦耳定律线路运行时产生的热量也会更加明显。因此在线路覆冰情况下可通过增大电流的方式适当提高其放热量，进而借助这些热量溶解导线上的覆冰，但电流不能过大，否则会影响线缆的安全性；机械除冰法。如覆冰情况非常严重，通过电加热法难以在短期内有效的处理覆冰，此时也可考虑机械除冰的方式，先对相关线路实施停电操作，然后再手持工具除冰，这种作业方式的最大缺点是要断电。除人工之外和可采用滑车式除冰器。

2.5 构建高效率的线路巡检模式

国内在电力管理中积极构建信息化、智能化的平台，借助电力大数据平台对电压、电流、负荷等各类关键参数实施全面的监控，管理人员借助信息化平台观察这些参数的走势和趋势，并借此来判断系统是否存在隐患。如，当电力输电线路的载荷异常升高时线路上的电流、发热量也会随之增长，严重时可引发线路故障。可根据实时的电力大数据掌握可能发生故障的区段、分析潜在成因，进而实时维护和保养。在电力线路巡检工作中积极引入无人飞行器之类的工具，人工巡检模式在当前的时代背景下呈现出效率低下的缺陷，无人飞行器借助高精度的摄像机对线路覆冰、杆塔受损、鸟巢等情况实施检查，进而提高巡检工作的效率。