电网输电线路覆冰灾害分析与防治对策研究.doc

电网输电线路覆冰灾害分析与防治对策研究pwer transmission line icing hazard analysis and control measures摘要：输电线路覆冰可引起导线跳跃、舞动、杆塔倾斜、断线、倒塌等事故，严重威胁电网安全稳定运行。本文通过对xx电网2008年输电线路冰灾受损情况的回顾，分析了xx电网输电线路覆冰灾害的特点，覆冰的必要条件和主要影响因素，对输电线路覆冰带来的危害及主要原因进行了剖析，并提出了相应的防治对策。关键词：xx电网；输电线路；覆冰灾害；防治对策abstract: the transmission line conductors can cause ice jumping, dancing, tilting tower, break, collapse and other accidents, a serious threat to network security and stability. based on the qujing power transmission lines in 2008 ice storm damage to the review, analysis of qujing power transmission line characteristics of ice hazards, the necessary conditions and ice cover the main factors of transmission line damage caused by ice and the major reasons were analyzed, and the corresponding countermeasures.keywords: qujing grid; transmission line; ice disasters; countermeasures近年来，受全球气候变暖影响，各类气象灾害频繁发生，极端天气带来的影响越来越大，造成的破坏和损失也越来越严重。xx，地处于云贵高原中部，境内平均海拔1881m，相对高差达3322.3m，目前主要担负着xx七县一市一区、贵州盘县及贵昆、南昆、盘西电气化铁路xx段的供电，并向广东输送电能，是“云电东送”的主通道、云南东部的电力调度及供应中心，同时还担负着云南电网“第二调度”的重要职责。每年从冬季到初春，云南滇东北地区由于受南北冷暖气流交汇的影响，常形成“华南静止锋”及其延伸的“昆明准静止锋”，遇到相应的环境条件极易造成输电线路覆冰，尤其在2200m以上的高寒山区，冬季覆冰现象更为普遍和严重。由于过去对导线覆冰的客观规律认识不足，设计条件选择不当及缺乏抗冰经验等原因，输电线路遇到严重覆冰时，往往会造成输电线路大范围倒杆（塔）、断线、掉串和覆冰闪络等事故，且发生冰害事故时，往往天气恶劣、冰雪封山、交通受阻、通讯中断，抢修十分困难，电网长时间停电，给工农业生产造成严重损失，尤其给人民群众生活带来不便，经济损失往往非常惨重。为增强xx电网防灾御灾能力，给今后输电线路的规划设计、施工建设、运行维护和技改大修提供依据，认真剖析覆冰灾害的深层次原因，分析输电线路覆冰特点、规律，采取行之有效的防范对策做好输电线路防覆冰工作就显得十分重要。1 xx电网2008年冰灾回顾2008年1月下旬至2月中旬，一场罕见的、持续时间长、冰冻范围广的冰雪凝冻灾害天气肆虐xx全境，xx电网遭受有气象记录以来最严重的冰冻灾害，主网及配网受到重创，造成输电线路大量倒塔、断线。xx电网所辖110kv及以上126条输电线路中有90%以上的输电线路严重覆冰，导致xx电网29座变电站停运，9条500kv线路中的3条线路受损停运，4基铁塔受损、10处断线；41条220kv线路中的16条线路受损停运，10基铁塔倒塔、11基杆塔受损、58处断线、金具损坏；76条110kv线路中的22条线路受损停运，11基杆塔倒塔、9基杆塔受损、65处断线、金具损坏，76个乡镇50万户居民用电受到严重影响，1695户工业用户被迫停电，经济损失十分惨重。xx电网2008年冰灾受损情况统计表如表1所示，从表1中可以看出，各电压等级的线路杆塔倒塌和受损数量，随电压等级的降低呈增多趋势。表1 xx电网受损情况统计表tab. 1 qujing damage tables grid电压等级（kv）损坏情况合计倒杆塔（基）受损（基）断线（档）5002462206914291101351735352474751012255148202 xx电网覆冰灾害的特点通过对xx电网2008年冰灾受损的110kv至500kv输电线路故障原因进行分析，xx电网覆冰灾害具有以下特点：2.1 覆冰季节xx电网输电线路覆冰季节主要在冬季，即每年11月至次年3月均有发生，比较集中出现在12月至次年2月，农历数九天中的三九和四九天最为严重。2.2 气象条件温度低、范围广、强度大、持续时间长，是造成此次冰灾的主要天气特征。2.3 覆冰过程导线和铁塔上的覆冰过程均经历了：生成-发展-保持-消融-再保持-再发展的循环过程，导致输电线路覆冰厚度不断增加。2.4 覆冰种类 xx电网输电线路覆冰的类型主要是混合凇和雨凇，二者覆冰密度均较大，如图1所示。图1 混合淞的典型图片fig. 1 song of the typical mixed picture2.5 地理环境xx电网输电线路的覆冰区域主要集中在水气重、湿度大、植被良好、海拔高度在17002200m间的北风迎风面山坡、山顶和垭口。2.6 倒塔主要分布特征从杆塔型式上看，倒塔以直线塔为主；从塔型统计上看，以猫头塔最多，约占倒塔总数的50%以上；从地形上看，大档距或前后档距高差较大的铁塔破坏较多，约占倒塔数量的80%；从设计标准来看，线路实际覆冰厚度远超过设计值，多数事故发生在原设计覆冰厚度为10mm和15mm的区段或与重冰区分界点附近，线路难以抵抗50年一遇的严重覆冰荷载，这也是xx电网受损的主要原因。2.7 冰灾事故主要类型本次冰灾事故类型的表现形式主要为：断线、倒塔、塔头受损、接续金具损坏、绝缘子掉串等。3 线路覆冰的必要条件和主要影响因素3.1 线路覆冰的必要条件当气温及设备表面温度达到0以下；具有较高的湿度，相对湿度一般在85以上；具有使空气中水滴运动的风速，即大于lms的风速时，易造成输电线路覆冰。3.2 影响覆冰的主要因素影响输电线路覆冰形成的气象因素很多，主要有空气温度、风速、风向、空气中或云中过冷却水滴的直径、空气中液态水的含量等。另外，地形及地理条件、海拔高程、凝结高度、导地线悬挂高度、导线直径、导线扭转性能、线路走向、电场强度及负荷电流等对覆冰的影响也有很大关系。4 线路覆冰的危害及主要成因冬季恶劣气候条件下输电线路大范围覆冰，通常容易导致部分线段覆冰厚度明显超出其设计标准，造成输电线路倒杆塔、横担折断、扭曲变形、金具损坏、导地线断线、绝缘子掉串等严重事故，直接威胁电网安全运行。根据对输电线路覆冰事故的分析，输电线路严重覆冰导致输电线路机械性能和电气性能下降是造成覆冰事故的直接原因，其主要危害可以归纳为以下4类： 4.1 过荷载事故输电线路覆冰后，杆塔的垂直荷载、水平荷载增加。当覆冰积累到一定程度超过设计值时，在电气方面，导、地线弧垂增大，导线对地及相间间距减小，导致导线对地或交叉跨越物（如树木、建筑物等）间净空距离不足发生放电，造成导地线烧伤甚至烧断；在结构方面，当输电线路承受的荷载超过其所承受的额定荷载时，可能使导线从压接管内抽出，外层铝股全断、钢芯抽出、金具断裂或损坏，严重时可能导致杆塔扭转、弯曲、基础下沉、倾斜、杆塔折断甚至倒塌，如图2所示。图2 铁塔因过荷载发生倒塌fig. 2 tower collapsed due to excessive load4.2 不均匀覆冰或不同期脱冰造成的事故由于输电线路相邻各档间档距、海拔高度不同，导线在覆冰时会产生纵向不平衡张力。而覆冰不均匀引起的不平衡张力会使输电杆塔结构的抗纵向不平衡张力的能力明显下降，铁塔会向张力大的一侧发生倾斜、弯曲，导致铁塔折断、倒塌。分析表明，输电铁塔结构的极限承载能力随着覆冰不均匀系数的增大而减小，主要发生在铁塔两侧档距较大或两侧高差较大的地方。不均匀覆冰时，会使导地线在线夹内产生滑动，造成导地线在线夹内断裂、金具损坏，线夹另一侧的铝股会拥挤在线夹附近；当覆冰荷载超过设计值时，还会造成直线杆塔承受不平衡张力发生倾斜、受损，严重时还会发生倒杆塔事故。不同期脱冰时，导地线跳跃幅度可达数米甚至十几米，会引起导、地线跳跃，上下摆动，造成导地线间或导线相间闪络或短路；随着导地线覆冰量的增加，弧垂下降，当大段或整档脱冰时，导地线弹性储能迅速转变为动能、位能，杆塔所承受的瞬时应力骤变，引起导地线上下跳跃，带动杆塔瞬时强烈振动，悬垂绝缘子串严重偏移、横担扭转变形或折断、地线支架损坏，严重时还会造成杆塔折断、倒塌等事故，如图3所示。从统计资料看，2008年冰灾80%左右的倒塔都是由于不均匀覆冰以及不同期脱冰产生的纵向不平衡张力造成的。图3 铁塔因不同期脱冰折断fig. 3 tower of ice break off due to different phase4.3 绝缘子串覆冰造成的冰闪事故冰闪是污闪的一种特殊形式，绝缘子覆冰或被冰凌桥接后，绝缘强度下降，泄漏距离缩短。融冰过程中，冰体表面或者冰晶体表面的水膜会很快溶解污秽物中的电解质，并提高融冰水或冰面水膜的导电率，绝缘子的局部表面电阻增加，引起绝缘子串电压分布及单片绝缘子表面电压分布畸变，从而降低覆冰绝缘子串的闪络电压，覆冰越重、电压分布畸变越大，最终造成冰闪事故。4.4 覆冰引起的舞动事故输电导线覆冰后形成非圆形截面，在风力作用下易发生振动，这是一种低频、大幅度的振动，其振动频率通常为0.1-3hz，振幅约为导线直径的5-300倍，不均匀覆冰及防振锤覆冰使防振锤失去防振作用，使导线产生自激振荡和舞动，从而造成杆塔、导线、金具损坏、导线断股及杆塔倾斜或倒塌现象。导线舞动是一种复杂的气流固耦合振动，其形成主要取决于导线覆冰、风力、风向及线路结构与参数。5 覆冰灾害的防治对策覆冰虽然是一种分布广泛的自然现象，但对于输电线路而言，严重的覆冰则有可能导致故障，甚至会引发大面积停电等灾难性事故。为应对和解决输电线路覆冰问题，电力工作者进行了不懈的探索，并提出了“避、抗、融、防、改”五字综合技术措施，目前已成为输电线路抗冰的主要技术原则。5.1 避冰设计避冰设计，就是在设计阶段合理选择和确定线路路径，合理选择线路元件的几何形状和尺寸，尽量避开严重覆冰地段，推行差异化规划设计原则，采取有效措施，提高设防标准，尽可能分散、分层考虑电源接入或电网受电方向，同一方向重要输电通道应尽可能分散走廊，减少易发生严重自然灾害的同一气象区重要输电通道数量，降低电网运行风险。并尽量做到：1）线路沿起伏不大的地形走线；2）沿海拔高度较低处走线；3）避开横跨垭口、风道、湖泊、水库等容易覆冰的地带；4）翻越山岭时应避免大档距、大高差；5）沿山岭通过时应沿背风面走线；6）减小档距，多设耐张段，多采用耐张塔，转角角度不宜过大；7）优化网架结构，重要部门和用电大户采用多回路供电，电网跨区多通道多点互联，提高相互支援能力。5.2 抗冰技术抗冰技术，即当线路通过冰区、地形起伏较大的山区，且无法避开严重覆冰区段时，在掌握线路覆冰情况的基础上，合理划分重冰区段；在冬季来临前，及时消除线路设备缺陷，特别是加大对重冰区线路通道内各类树、竹和障碍物的清除力度，对线夹、金具进行检查、紧固；在重冰区特别是横跨峡谷、风口、垭口等处，采用局部补强措施，提高杆塔抵御纵向不平衡张力的强度；对于垂直档距较大的杆塔，采用双线夹以增加线夹出口处导线的抗弯强度；重冰区线路的导线可采用机械强度较高的钢芯铝合金线或铝包钢绞线，并用预绞丝护线条保护导线。5.3 融冰技术融冰技术，即用电流加热、热力融冰。是指对于覆冰线路较长，而设计条件又偏低的运行线路，采用融冰的方法，以保障线路在冰冻期间的安全运行。目前，我国采用的方法有两种，一种是短路直流融冰，二是带负荷融冰。5.4 防冰技术防冰技术，即防止导线覆冰，它是线路抗冰害事故的积极措施，它能使导线难覆冰或能自动融化导线上的覆冰，目前国内外采用的方法有三种，一是改变系统的运行方式转移负荷电流；二是采用防冰复合导线装置；三是用难覆雪的电线环。5.5 线路改造线路改造，是指对于已投入运行的线路，当线路覆冰厚度超过原设计条件，危及线路安全运行时，为加强应对覆冰灾害的抵御能力，对海拔较高、翻越分水岭、横跨峡谷、风道、垭口、微地形、微气象等区段的线路进行部分或局部改造。另外，在应对线路覆冰灾害方面，还应建立健全相应的应急管理机制，定期组织开展模拟演练和应急演习，不断完善灾害预警、物资储备、队伍建设、预案准备、组织机构协调及快速应急系统等，研究提出减少杆塔受损、尽快恢复电网运行的技术措施，不断提高电网应对各种灾害的防灾御灾能力。6 结语冰灾造成输电线路断线、倒塔的直接原因是由于导地线和铁塔覆冰产生的荷载超过其设计承载力所致；导地线覆冰引起的纵向不平衡张力和断线冲击荷载是铁塔破坏的最主要原因。电力工业是关系国计民生的基础产业和公用事业，输电线路覆冰灾害严重威胁电网安全稳定运行，提高电网防灾御灾能力是一个系统工程，必须认真总结抗击低温雨雪冰冻自然灾害的经验教训，结合电网和线路运行具体情况，采取提高设防标准、对重要线路实行差异化设计、积极创新电网防灾抗灾技术、完善灾害应急机制、优化电网结构、合理布局电源、加强电网建设等系统性的综合措施，因地制宜，多措并举，才能最大限度减少自然灾害造成的损失，提高输电线路抗覆冰灾害的能力，保证电网安全可靠运行。参考文献： 1 刘和云.架空导线覆冰防冰的理论与应用.北京：中国铁道出版社，2001liuheyun. overhead conductors ice cover is the ice to theory and application. beijing: china railway publishing house, 20012 崔吉峰，刘亚新.输电线路绝缘子冰闪的成因分析与防范措施.高电压技术，2004，30（5）：60-61cuijifeng, liuyaxin. transmission line insulator ice to the cause analysis and flash preventive measures. high voltage technology, 2004, 30 (5) :60-613 李强.电网技术.2008年雨雪冰冻灾害分析及对电网的启示，2008，29（6）：18-21li qiang. power grid technology. in 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