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浅谈输电线路覆冰灾害的分析及防范


浅谈输电线路覆冰灾害的分析及防范
杨承林,谢正峰,胡其伟
单位:贵州电网输电运检分公司遵义管理所,地址:遵义市农科所内,邮编:563100

Discussion on the transmission line icing disaster analysis and Prevention
Yang Chenglin, Xie Zhengfeng, Hu Qiwei Zunyi City in Agricultural
Abstract: in 2008 January and 2011 January, most areas of our province has suffered two rare continuing large-scale low temperature, rain and snow and freezing weather process of extreme attacks, resulting in transmission line of Guizhou power grid ice cover all the large area, threatening the safe operation of the power network and equipment, leading to some power lines overwhelmed and disconnection, so that power facilities was in ruins, and caused by the ice cover tripping, resulted in partial single wire connection substation voltage loss, bring serious economic loss, therefore, to carry out the analysis and prevention of ice, has become an important and urgent task force, to improve the security operation of transmission line is of important value. Key words: power transmission line;icing;disaster;analysis;prevention 摘要:2008 年 1 月和 2011 年 1 月,我省大部分地 区遭受了两次罕见的持续大范围低温、雨雪和冰冻 极端天气过程袭击,造成贵州电网输电线路全部大 面积覆冰,严重威胁着电力网络及设备的安全运 行,导致一些输电线路不堪重负而断线,使电力设 施遭到毁灭性破坏,还有因覆冰引起线路跳闸,导 致部分单线连接的变电站失压,给国家带来严重的 经济损失,因此,开展覆冰的分析和防范,已成为 一个重要而迫急的课题,对提高输电线路的安全运 行具有重要的价值。 关键词:输电线路;覆冰;灾害;分析;防范

1、输电线路的覆冰形成的原理
根据贵州的气候条件,贵州输电线路覆 冰一般分为雪凇、雾凇、雨凇、混合凇四种 类型。 1.1、 雪淞:落雪附着在导线上,形成了较

大的圆筒形成覆雪。 贵州下雪时的温度一般 在-5℃—0℃,落雪由于地理位置的不同, 所形成的雪凇有很大的差别, 一般雪淞的密 度在 0.2—0.35g/cm3 之间, 落雪处在迎风口 的位置, 被风融化后再凝结, 很容易形成冰, 密度相对大一些, 其结冰情况相似于树木的 积雪成冰。由于导线都处在高空,导线上长 时间的覆雪也会造成类似的结冰。 1.2 、雾凇: 在气温叫低的情况下,大气中 的水汽过于饱和,随着气流遇到固体凝结, 形成放射状的结晶称之为雾凇, 在气温没有 变化的情况下,雾凇在一定时间里形成较 快,面积广泛,但密度较小,密度一般在 0.1—0.3 g/cm3。 且对导线的附着力较弱, 容 易脱落。 导地线及杆塔长时间的处在雾较大 的区域,也会加大负载力度。 1.3 、雨凇: 大气中的过冷却水滴在导线的 迎风面形成透明的覆冰成为雨凇。 这种冰的 中间没有气泡,所以表面光滑透明,这类冰 的密度大,并且牢固的附着在物体上,不易 脱落,密度在 0.7— 0.9 g/cm3。 1.4、混合凇: 雨雾凇混合冻结通常是由过 冷却水滴在导线的迎风面形成透明与不透 明交替的冰层,或似毛玻璃的不透明冰层。 虽也包含许多微小的气泡,这种冰附着力 强。平均密度在 0.35—0.5g/cm3。随着覆冰 的时间越长,覆冰越严重。贵州凝冻的时间 一般较长, 输电线路的覆冰并不是一种情况 形成的, 所以混合凇在贵州电网的输电线路 较为常见。

2、覆冰对输电线的破坏及分析
2.1 绝缘子覆冰后引起冰闪跳闸 覆冰改变了绝缘子的电场分布,覆冰中

含有污秽等导电杂质时更易造成冰闪。 冰闪 事故成因从气象特征看, 较大范围的降雪导 致的雪凇、 雾凇、 雨凇和区域性的持续大雾, 是一种特殊形式的污秽, 对于输电线路来说 是一种自然灾害, 易形成大范围的绝缘子冰 凌冰闪故障,随着线路运行环境的不断劣 化,在雾天,以大气中悬浮的细小尘埃为凝 结的雾滴沉降会使近地面大气污染浓度突 发性增高, 持续大雾带来的湿沉降将使绝缘 子受更大污染, 在特定温度下使绝缘子表面 覆冰或被冰凌桥接后,绝缘强度下降,泄露 距离缩短。 在融冰过程中冰体表面或冰晶体 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, 引起绝 缘子串电压分布的畸变 (而且还会引起单片 绝缘子表面电压分布的畸变) ,从而降低覆 冰绝缘子串的闪络电压[4]。 大气中的污秽微 粒直接沉降在绝缘子表面或作为凝聚核包 含在雾中, 将会使绝缘子覆冰融化时冰水电 导率进一步增加。另外有关试验数据表明, 覆冰越重、电压分布畸变越大,绝缘子串两 端特别是高压引线端绝缘子承受电压百分 数越高。最终造成冰闪事故,由此可见在大 雪(或雨加雪)或持续大雾气象条件下形成 的绝缘子覆冰是发生冰闪的主要原因。 冰闪 事故的发生一般具有以下特点: 2.1.1 绝大部分冰闪故障均发生在悬垂绝缘 子串,其中双串悬绝缘子串为大多数。这是 因为一是在覆冰后或大雾条件下双串绝缘 子间电场分布相互影响, 导致串间空气间隙 电场畸变,使其最低闪烙电压比单串低,当 双串间的净空气间隙大于 60cm 时,单双串 的放电电压才基本一致。 二是双悬垂串绝缘 子的串间积污情况要比耐张串、“V”型串、 单悬垂串严重, 而且积污水平也与双串间的 净空气间隙成反比[5]。 三是由于采用了双挂 形式,双悬垂串绝缘子的积水面也较大。 2.1.2、 冰闪故障的故障点均位于气候变化异 常的大山、 丘陵及属于两个气象区交界处海 拔较高的分水岭以及风口处。 这是因为这此 地段在冬季极易出现结冰、浓雾现象。 2.1.3、冰闪故障的发生时间,一般在融冰期 内。在下雪或大雾天气,雪粒及水滴粘附在 瓷瓶或合成绝缘子上, 并且横担的角铁面上

也积存了很多的积雪和水滴,当温度升高 时,铁塔、绝缘子的导热性能好在气温升高 时开始融化,角铁面上积雪先开始融化,沿 着角铁面向绝缘子串的垂直面上溅落, 与绝 缘子面上的积雪融合,形成半透明的冰水, 污秽物也融解在冰水中,由于比重增大,冰 水就沿着绝缘子的垂直边沿向下沉坠, 并且 与下一层的冰水融合,形成新的冰水,最后 在绝缘子的瓷裙边缘, 形成时断时续的上细 下粗葫芦式的冰凌, 当绝缘子的背阴处的冰 凌开始融化并时断时续的下淌, 形成连续的 冰柱,这时融解在冰水中的污秽,使冰面导 电性剧增, 使绝缘子沿裙边缘的冰柱泄漏电 流剧增,短接了绝缘子沿面的爬距,其结果 使绝缘子在工频电压下发生闪络。 2.1.4、 冰闪故障的故障区域一般位于污秽较 为严重的地区。实际上纯冰的绝缘电阻很 高,完全可以满足输电线路安全运行,只有 当冰中混杂有导电杂质后覆冰绝缘子的闪 络电压才会降低。 绝缘子冰闪故障是区别于 普通的污闪故障,其特征为在雨雪天气,由 于气压低,空气中的污物无法扩散,大量吸 附在雨雪、大雾中。大气中的污秽物积聚于 绝缘子表面有两种方式: 一是在覆冰前污秽 物已沉积在运行绝缘子表面, 在温度升高时 极易在绝缘子表面形成污流; 二是在冻结前 悬浮水汽已溶解或捕获空气中的微小导电 粒子,即过冷却水滴在冻结前已被污染,且 导电杂质具有 “ 晶释效应 ", 即冻结时水中杂 质被排释在冰晶体外表面[3]。 因此, 无论属 于何种积污形式, 其所形成的冰晶体外表面 具有较高导电率极易引起故障, 因此单独的 调爬或更换合成绝缘子还不能解决绝缘子 冰闪的根本问题。 2.2 线路覆冰负载过大引起线路跳闸及设 备破坏 线路负载过大: 即导线覆冰超过设计抗 冰厚度(风压面积增加)而导致的金具损坏、 导线断股、杆塔损折、绝缘子串翻转、撞裂 等。根据所发生的覆冰事故分析,覆冰事故 可归纳为以下两类: 2.2.1、线路覆冰不均匀 导线有覆冰且为非对称覆冰 (迎风侧厚,背 风侧薄)时,线路易发生舞动;大截面导线

比小截面导线易舞动, 分裂导线比单导线易 舞动; 导线在融冰脱冰不对称时导线更容易 舞动。 导线舞动的运动轨迹顺线路方向看近 似椭圆形, 由于舞动的幅度大, 持续时间长, 轻则引起相间闪络、损坏地线、导线、金具 等部件, 重则导致线路断线倒塔等引起线路 跳闸。 2.2.2、线路覆冰过重 a. 覆冰过重会使导线和架空地线从压接管 内抽出; 或外层铝股全断, 钢芯抽出的事故; 也有整根拉断或耐张线夹出口附近导线外 层断股等。 b.也有因弧垂增大,导线对地间距减小而导 致电气距离不足造成线路跳闸; 也有因地线 弧垂增大,因导线舞动造成与地线互碰、烧 伤及烧断导地线。 c. 线路覆冰过重会使塔头顺线路方向折断, 也有因导地线不对称布置, 也会使线路垂直 方向将塔头折断。 d. 线路覆冰过重会使基础下沉、倾斜或爆 裂,引起杆塔倾斜或倒塔的事故。 e. 线路覆冰过重会使引起多分列的导线扭 转、舞动、使绝缘子串翻转、碰撞、自爆等 现象的发生。 2.2.3、不同期脱冰 对于导线和地线来说, 相邻档不均匀覆冰或 不同期脱冰都会产生张力差, 使导线在线夹 内滑动, 严重时将使导线外层铝股在线夹出 口处全断、钢芯抽动,造成线夹另一侧的铝 股发生颈缩, 拥挤在线夹附近, 一般长达 1~ 5m(悬垂线夹和耐张线夹均有此类情况发 生) 。因导地线划出线夹后,由风的摆动引 起电气距离不足引起线路跳闸。

3、输电线路覆冰灾害的防范措施
3.1、设计阶段的预控措施。 在电网规划设计阶段要进行广泛的调查 研究,特别在贵州地区,有必要搞清楚线路 经过区域历史上出现过的覆冰灾害状况, 确 定正确的抗御覆冰灾害的方案。 在设计新建 输电线路时,建议考虑以下几点: 3.1.1 选择线路路径时, 尽可能选择低海拨且 交通运输较好的地段, 避开重冰区、 重污区、 山顶、分水岭、风口、迎风坡处等地段。 3.1.2 建议用截面积为 80mm2 以上的架空地

线,导、地线线夹处全部采用护线条代替铝 包带作保护,地线采用双线夹(这样能控制 覆冰不均匀时地线滑移引起电气间隙不足 而跳闸) 。 3.1.3 耐张段塔基数尽可能控制在 6 基左右, 耐张段长度不宜超过 2km,相邻档距(包括 水平档距和垂直档距)相差值越小越好,对 于档距较大的直线杆塔, 建议导线采用双悬 垂绝缘子串(双挂点和双线夹)和护线条作 保护,进一步防止导线向前后滑移。 3.1.4 对于同塔双回的线路, 设计档距不宜超 过 400m,档距大于 400m 后,脱冰时因导 线舞动容易导致相间因电气距离不足引起 线路跳闸。 3.1.5 为了降低高压输电线路冰闪引起线路 跳闸事故的发生, 建议采取以下几个防护措 施: a、采用大盘径绝缘子隔断。在直线悬式绝 缘子串的上部、中部、下部各装一片大盘径 绝缘子,阻断了整串绝缘子冰凌的桥接通 路。 b、定制合成绝缘子。向合成绝缘子厂家定 制上、中、下各有一片特大伞裙的合成绝缘 子。 3.2、运行阶段的防范措施 3.2.1、加强输电线路日常维护工作。在冬李 来临前对线路作一次全面的登塔巡视,仔细 检查金具、 导线、 绝缘子等是否完好、 脏污, 线路通道内树木的生长高度等, 对发现的问 题和隐患应及时处理。 3.2.2、提前选择好各条线路的观冰点。观冰 点选择原则一般为: a、选择线路海拔较高的塔位作为观冰点 贵州处于云贵高原的地理带上, 海拔相对较 高,平均海拔在 1200 米左右,且贵州电网 的部分杆塔在 2000 米以上。海拔越高,气 温越低,雾越大,在恒低温持续时间较长的 情况下, 输电线路及铁塔长时间处在大雾的 笼罩下,会积成均匀而厚厚的一层雾凇,所 以, 海拔高度是作为观冰点选择的一个重要 参数。 b、根据地形及地理环境选择观冰点 贵州省的地理环境复杂,高山较多,所以很 多杆塔都分布在山顶、分水岭、风口、迎风

坡处,部分杆塔架设在水汽较重的湖库周 边,这些地带的导地线和杆塔都很容易积 冰,且贵州的气候一般是晚上下冻雨,白天 为雾天或阴天,在晚上气温较低、白天恒温 和长时间的持续, 以上地形及地理环境覆冰 会更严重。 综合以上两点,建议杆塔海拔在 1200 米以 上的山顶、分水岭、风口、迎风坡处及水汽 较重的湖库周边建立观冰点, 同时根据往年 该线路的覆冰情况统计, 每条线路选择覆冰 相对严重的 1-3 个观冰点为宜。







献:

[1]李桂兰 . 浅谈输电线路的覆冰与除冰 [2]蒋兴良 ,易辉 .输电线路覆冰及防护 [3]陈原 ,张章奎 .京津唐电网输电线路覆冰掉闸分析 [4]李政敏 ,庾振平 ,胡琰锋 .输电线路覆冰的危害及防护 [5]苑吉河 ,蒋兴良 .输电线路导线覆冰的国内外研究现状 [6]张玉环 ,李德超 ,王英健 .输电线路覆冰的危害及防护

收稿日期:2011 年 6 月 10 日

作者简介: 杨承林:男,1972 年出生于贵州省六盘水市,毕业于贵州电 力职业技术学院,中专学历,中级职称,主要从事高压输电 线路运行维护管理工作。通讯邮箱: 869923231@qq.com, 贵州省遵义县马家湾镇农科所内(输电运检公司遵义管理 所) ,邮编:563100,联系电话:13765998615。 谢正锋:男,1977 年出生于贵州省贵阳市,毕业于重庆大学, 本科学历,中级职称,主要从事高压输电线路运行维护管理 工作。通讯邮箱: 337442833@qq.com,贵州省遵义县马家 湾镇农科所内(输电运检公司遵义管理所) ,邮编:563100, 联系电话:15185115371。 胡其伟:男,1984 年出生于贵州省遵义市,毕业于贵州大学, 本科学历,初级职称,主要从事高压输电线路运行维护管理 工作。通讯邮箱: 403279286@qq.com,贵州省遵义县马家 湾镇农科所内(输电运检公司遵义管理所) ,邮编:563100, 联系电话:13639208456。


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