输电线路山区覆冰故障分析与预防

荆凌燕，李红军

（国网山西省电力公司运城供电公司，山西 运城 044000）

0 引言

1 覆冰故障实例

2009年2月1 5日至18日，运城市南部中条山脉连续雾天，18日晚小雪，海拔1 130 m的中条山脉一带出现了风、大雾天气，能见度仅为10～15 m，气温在零下6℃左右，风力2～5级。恶劣气候导致该地段的主网输电线路220 kV桃平Ⅰ、Ⅱ回线49号塔头折断。结合现场情况判定为覆冰故障。

2012年3月3 日至7日，运城市南部中条山脉持续大雾，空气湿度在85%以上，造成该区域输电线路导地线覆冰。从桃平双回线现场的覆冰现象看，覆冰物为白色不透明、羽毛状、质轻，比重0.3 g/cm3，低于雨凇的0.9 g/cm3。根据天气情况判断覆冰形式为雾凇。

2012年3月4 日17时10分，220 kV桃平I、II线45号—46号挡距中央处距45号塔——230 m处，B相导线有连续2处导线覆冰块脱落，A相导线覆冰全部脱落（此时AB相导线间距5 m），B相第一处覆冰脱落处导线有放电痕迹，第二处脱落处对应的A相导线右上部也有放电痕迹。判定此处为覆冰掉闸的放电点。

2011年4月1 6日完成了中条山地段覆冰改造。经过覆冰区线路改造导线为LGJ-300/40（1号—41号、54号—67号） 和 ACCC-630/45（41号—54号 ） ； 地 线 为 OPGW-24B1-127、OPGW-32B1-127和OPGW-S-32B1/90。线路覆冰区段改造为4基单回耐张塔和10基单回直线塔。220 kV桃平I线45号、50号地处中条山山口，安装在线覆冰监控系统。

2 形成覆冰故障的原因

覆冰有5种类型，分别为雨凇、混合淞、软雾凇、白霜、雪凇。导地线覆冰机理为：空气温度在0℃以下，使水能够冻结；空气湿度大于80%，使空气中有足够的过冷却水滴；风力大于2 m/s，使过冷却水滴能够移动，这样就具备了覆冰条件[1]。在覆冰过程中，风对覆冰起着重要的作用，它将大量的过冷却水滴源源不断地输向输电线路，与导线、地线、绝缘子、杆塔等的表面不断碰撞，并被不断捕获而加速覆冰，如果处于长时高湿度空气，过冷却水滴又成为粘接剂，将大雾的水分粘接在导地线上，形成雾凇。导地线所覆雾凇首先在迎风面上生长，如风向不发生大的变化，迎风面上雾凇（覆冰）厚度会继续增加。当迎风面冰雪达到一定厚度，其重量足以使导地线扭转时，导地线发生扭转现象，重新在迎风的一侧覆盖冰雪，不断扭转不断覆盖冰雪，最终形成圆形的覆冰。

输电线路覆冰故障按产生的直接原因可分四类：一是过负载故障，即线路实际覆冰超过设计抗冰厚度，从而导致机械和电气方面的故障；二是不均匀覆冰或不同期脱冰引起的机械和电气方面的故障；三是绝缘子串覆冰过多或被冰凌桥接，引起绝缘子串电气性能降低；四是不均匀覆冰引起的导线舞动故障。

2.1 地形地貌影响

山西省运城市地处中条山脉，走势呈东西走向，海拔高度在1 000～1 500 m之间，0℃以下气温持续时间为4个月左右，当地树木茂盛，湿度较大。由于地形特殊及微气候的影响，该地段经常出现雾凇、雪凇、覆冰现象，属特殊地形微气候区。220 kV桃平Ⅰ线20号塔至60号塔走径正是穿越该地区，且线路走向与山势走向一致。

我国在各地的新石器时代遗址中发现了一些原始绘画作品，有的学者按材质将其分为陶画、木画、石画、壁画、地画、岩画（有学者将绘在陶器、木器、石器等器物上的绘画统称为装饰画，将其分为装饰画、岩画和地画三类）。这些新石器时代的原始绘画，可以证明“绘画的产生源于人类对自然事物的认识和思想情感的表达”。

2.2 气象条件的影响

线路冰害事故许多是由微气象条件造成的，中条山脉每年11月下旬至次年3月间暖湿气流受山脉的阻挡，南坡低凹处水汽较大，不容易扩散，遇冷空气时，造成局部区域形成有别于大区域的更为严重的覆冰条件很容易形成积冰。覆冰类型多为雾凇却发生时间段一般在夜间或凌晨。

2009年2月1 6日至19日运城市计时实测气象数据见表1。

故障发生前该处下了一夜的小雪，早晨地上积雪为10 cm，故障时天气为大雾，能见度约60 m，气温0℃，湿度70%，最大风速10.1 m/s。

2012年3月4 日故障发生前该处下了一夜的小雪，早晨地上积雪为10 cm，故障时天气为大雾，能见度约60 m，气温0℃，湿度70%，最大风速10.1 m/s。

2.3 对照实例分析

因雾凇的密度小，质地疏松，无法采集，且各处厚度不同，因此准确厚度无法测量，但从现场及照片看，厚度在80 mm以上（折算为纯冰大约在45.49 mm以上）。随着高度的增加，过冷却水滴的密度及风速均会不同程度增大，高处导线理论上覆冰雪厚度应大于下导线，会导致上侧导线弧垂下降大于下层导线。

表1 故障前后运城市计时实测气象数据表

以实例1为例：气象资料反映，该地段17日零时有短时小雨雪、大雾，一直延续到19日主要是大雾天气。风力在3～5级，气温维持在零度以下；2月18日晚间有小雪。由于导、地线覆冰，载荷加重，造成49号塔折断。依据现场观察，认定49号塔倒的原因有以下几方面。

一是导地线覆冰量加大，48号—49号档距大于49号—50号挡距，且由49号塔上覆冰可见，面小号侧（线路东南方向）覆冰厚度远大于大号侧（西北方向），所以48号—49号挡内覆冰要比49号—50号挡内多；48号—49号挡内海拔高于49号—50号海拔高，在冷空气作用下，覆冰也绝对强。重力作用下，塔头要倒向小号侧。

二是挡距影响。在48号—50号挡距中，49号—50号档所处位置的海拔低，挡距短，且处于风口的下段避风处；加之地形高的导线接受通风覆冰量大，所以48号—49号侧的覆冰量要大于49号—50号侧的覆冰量，受覆冰载荷重力拉伸作用，49号—50号部分转移到了覆冰载荷较重的相邻档距内，使49号缘子串向小号侧倾斜。

以实例2为例，45号—56号导线不同期脱冰造成线间距离不足。现场及相关资料反映，SZC203—39塔型应该最上相和最下相导线间距为13.1 m，现场采用对比法测量AB相线间距离为5 m，差距为8.1 m。

跳闸时B相（上相）未脱冰，导线下垂弛度大，A相（下相）脱冰时，导线失去附着在自身的冰的重量后，迅速弹起，与未脱冰的B相导线安全距离不满足要求，从而形成跳闸。

3 山区输电线路防覆冰的预防措施

3.1 对于新建线路的建议

一是根据覆冰情况核定冰区划分，在此基础上优化线路路径，尽量降低线路的平均海拔，避开重冰区。

二是宜根据挡距、高差和地形等情况，在适当位置增加耐张塔。减少耐张段的长度，避免由于倒塔引起的连锁破坏。

三是导线覆冰与线路走向有关，东西走向的导线覆冰普遍较南北走向的导线覆冰严重，因此，在严重覆冰地段选择走廊时，应尽量避免导线呈东西走向[2]。

四是确保线路的外绝缘配置水平符合有关标准要求，并留有适当裕度，确认存在微地形条件的局部区段，有限采用V型串布置，加强防冰闪能力。

3.2 对于运行单位的建议

一是加强微气象区调查，加强覆冰区监测。设立中条山区输电线路覆冰运行观测站。建立气象环境和导地线、绝缘子、杆塔应力等运行状态信息监测系统，实现主要气象要素运行参数的采集、计算和传输。实时监测冰灾，及时提供预警信息，为线路的抗灾决策提供依据；并为冰区分布图修订提供数据，指导线路抗冰设计。

二是加强应急管理，提高应急处理能力。引进适用于线路除冰的工具，规范人工除冰作业，强化应急网络，组建作战能力强、技术水平高的专业应急抢险队，并配备适合山区雪地行驶的交通和应急通讯工具。

三是对地形起伏较大、相对高耸、突出、暴露，或山区风道、垭口、抬升气流的迎风流坡，结合附近水源情况开展水量调查，积累数据做到水量充沛季节开展预防性除冰工作。

四是对于线路邻挡间设立高差明显或挡距相差较大；且运行现况为易覆冰、覆冰明显偏大或邻挡覆冰相差较大等确认存在微地形条件的局部区段，宜参照故障塔的改造方案，适当予以加强。

五是对于运行线路，防冰闪以防止大量伞裙被冰凌桥接为主要目的，通过改善绝缘子串的伞形结构、布置方式、绝缘子串长度等，提高防冰闪能力。可根据实际情况综合采用V型串、顺线倒V型串、插花配置、优化伞形结构等措施[3]。

六是可尝试使用新型防冰害措施，从降低覆冰强度入手。采用单分裂碳纤维导线（在输送容量相等的情况下，导线温度可参考到150℃左右，正常负荷下可达到40℃）、给导地线喷涂防覆冰涂料、加装防冰球、隔冰环等防冰装置，有效防止导地线、绝缘子在低温下产生严重覆冰的技术措施。

七是总结110～220 kV线路已有带电融冰的成熟经验，开展110～220 kV线路带电融冰的技术研究，并选择适当地点进行试验。

4 结束语

输电线路覆冰导致的故障一直是困扰国内外电力系统的自然灾害之一。覆冰常引起输电线路倒塔、断线和绝缘子闪络等重大故障，严重影响其安全稳定运行。我国电力、气象等部门的生产、运行及科研、设计工作者一直为解决输电线路覆冰问题不懈的探索，且获得了许多有重要价值的成果。到目前为止，对输电线路覆冰问题的认识还远远不能满足电力工业发展的要求。因此，分析输电线路覆冰特点、规律，探索有针对性的防覆冰措施和方法，是值得电力工作者关注的课题。

[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，2002：76-77.

[2]华东电力设计院.110～750 kV架空输电线路设计规范[S].北京：中国电力出版社，2010：112-113.

[3]孙才新.大气环境与外绝缘[M].重庆：重庆大学出版社，1996：23-25.