摘要：覆冰是一种受温度、湿度、冷暖空气对流、环流以及环境风等因素决定的综合物理现象，根据大气条件和环境参数的不同，覆冰可以分为雨凇和雾凇两种类型。与雾凇的干增长方式相比，雨凇的湿增长方式经常造成导线和绝缘子覆冰程度的差异。湿增长条件下，过冷水滴具有一定的流动性，不容易在导线上堆积，却容易形成冰棱，从而增加绝缘子的桥接程度。因此在雨凇覆冰时，绝缘子的覆冰厚度可能并不严重，却形成了严重的桥接，短接了绝缘子空气间隙，从而造成了线路覆冰闪络。本文以某500kV输电线路为例，对覆冰闪络故障进行分析，并制定相应的防范措施。
关键词：500kV输电线路；绝缘子；覆冰；桥接；闪络
某500kV输电线路发生了覆冰闪络故障。分析认为由于该500kV输电线路所处区域为垭口地形，每年换季时节多出现雨雪天气，极易形成雨凇覆冰桥接复合绝缘子闪裙，引发覆冰闪络故障。并提出了在微地形微气象区，500kV输电线路宜采用大伞隔断的防冰复合绝缘子或插花串，尽可能采用V形串或倒V形串防止冰凌桥接形成闪络通道，以及配置输电线路融冰装置，防止导地线覆冰断线等提高输电线路抗冰能力的防范措施。
1、覆冰的形成机理
电网覆冰不仅仅是气象因素造成的，还与电磁学、地理学等众多因素有关。当冷气流和暖湿气流长时间交汇时，易发生严重的覆冰现象。我国北方地区高压线路很少发生覆冰，这在于暖湿气流在北方很少出现，唯一受到影响的只有冷气流，缺少产生覆冰的自然条件。我国南方地区在冬季、春季发生静止锋，来自北方的冷空气和来自南方的暖空气发生交汇，冷气团较重，在交汇时会更接近地面，把暖空气抬到高处，出现了高空中温度比0℃高，近地面温度低于0℃的情况，因此冻雨现象发生。在严冬，我国北方地区线路覆冰的发生率低于我国南方，这是因为我国北方温度过低，水汽易发生固化变为雪花，雪花对线路造成的影响小。我国云南、贵州等地，往往在冬季会形成大面积的冻雨。基于物理学中的热力学知识，覆冰是水滴凝固释放热量的过程。暖气团把从冰晶层落下的雪花液化而形成了水滴，水滴在经过近地面的冷气团时释放热量变成冷却水。导线的温度低于0℃，在冷却水接触导线时，会凝固形成覆冰。我们在研究覆冰发生原理时，要考虑干湿程度等因素。这可以得出覆冰形成过程中热力学的基本情况，但是不能很好的解释覆冰的特性以及形成覆冰的其他因素。
2、500kV线路覆冰闪络故障情况
2.1故障现象
2018-04-14T05：00，某500kV线路两侧开关跳闸，L2相（左边相、迎风侧）故障，重合闸动作、重合成功，保护正确动作。运维人员在376号直线杆塔绝缘子上、下均压环上发现了明显的放电烧伤痕迹，且376号杆塔至红城开关站间距离与故障测距相符，确认376号直线杆塔上发现的放电点为本次故障点。
2.2故障区段参数及地形
故障线路全长242.217km，共561基铁塔。故障杆塔塔型为ZBCK1，绝缘子型号为FXBW-500/300-2，导线型号为JL/G1A-400/35，地线型号为GJ-100和OPGW。376号杆塔为直线塔，所用悬垂绝缘子串为复合绝缘子，伞形结构为“一大两小”，结构高度（4900±50mm，绝缘高度为4530mm。复合绝缘子结构见图2。线路绝缘子的耐受电压梯度为61kV/m。发生故障的376号杆塔处于阿尔山三角山以南6km处，故障地段线路走向为由北向南，故障区段平均海拔为1190m，主要地形为山地，气候类型为温带大陆性季风气候，常年主导风为北风（与线路走向夹角为15°），常年平均气温在0~6℃，年均降水量350~450mm，周边无污染源。
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2.3故障时段天气情况
故障当日，受冷空气影响，该地区出现雨夹雪并伴有沙尘暴恶劣天气，持续时间为1d。当地气温0~3℃，偏北风，风速1.3m/s，相对湿度94%RH，故障时段降水量达2.9mm（气象局发布雨情公报称全天降水量为16.9mm）。
3、故障原因分析
根据现场勘察，同通道内2条500kV线路均有1个耐张段处于大兴安岭垭口地形，每年换季时节多出现雨雪天气，极易形成雨凇覆冰。从4月13日开始，由于376号杆塔所在地区出现雨夹雪降温天气，大气中的大量过冷却水滴冻结在绝缘子、金具、导线表面，形成了雨凇覆冰现象。现场照片显示，覆冰形态较为透明光滑，并且融冰后绝缘子表面覆冰已基本消失，冰棱长度较长，可以推断故障发生时，绝缘子覆冰桥接程度严重，符合雨凇覆冰特征；同时，雨夹雪的天气状况也更易形成雨凇覆冰。雨凇覆冰是绝缘子冰闪电压最低的一种情况，根据中国电力科学研究院的研究成果，严重雨凇覆冰条件下，500kV绝缘子50%闪络电压梯度为64kV/m，每km闪络电压下降超过4.64%，故障所在区域平均海拔1190m，则50%闪络电压梯度为61.4kV/m，与376号杆塔绝缘子耐受电压61kV/m相近。考虑到凌晨一般为24h内温度的最低点（非融冰时段），且故障时段为雨夹雪天气，造成376号杆塔绝缘子严重覆冰。覆冰过程中，雨凇覆冰形成的冰棱快速增长，对绝缘子伞裙形成了桥接，同时降雨条件对绝缘子表面具有湿润作用，造成绝缘距离大大缩短，从而发生沿面闪络。覆冰冻融的动态过程中，会将绝缘子表面的污秽物溶解到冰层中，又进一步提高了冰层的导电率。根据均压环和绝缘子表面的放电痕迹，结合故障时段气象条件，综合分析认为故障线路376号杆塔绝缘子发生了覆冰闪络，从而造成跳闸故障。
4、防范措施及建议
根据当地特殊地理环境和气象条件，结合本次故障特点，提出以下防范措施和建议。（1）在线路设计阶段，应充分考虑线路所处地区的气象条件和通道走廊利用率，尽可能减少紧凑型线路的使用，避免微地形、微气象区域对线路造成不利影响。（2）在线路重点区段设置观冰点、观冰站，监测输电线路导、地线覆冰情况；收集微气象数据，完善微气象区、微地形区输电线路运行环境监控手段和管控措施[6]。（3）结合输电线路运行情况、气候环境特点，绘制冰区分布图并适时修订，以指导雨雪冰冻灾害防治工作。（4）积累极寒、高海拔林区输电线路运行经验，收集沿线地形、环境数据，开展线路运维检测，落实微地形、微气象区防冰、防雷差异化改造方案。（5）建议将两边导线的绝缘配置单Ⅰ串改为大伞隔断的防冰复合绝缘子或采用插花串，既起到防止沿绝缘子串表面形成连续短接冰凌的作用，又有一定的防鸟效果。（6）条件允许情况下尽量采用V形串或倒V形悬垂绝缘子串。倾斜的绝缘子不易形成连续冰凌，而且能够提高绝缘子串的自洁性能，防止冰凌桥接而形成闪络通道。（7）合理配置输电线路融冰装置，防止导、地线发生覆冰断线情况。
5、结语
处于垭口地形的某500kV输电线路，在每年换季时节雨雪天气下，极易形成雨凇覆冰桥接复合绝缘子闪裙，造成输电线路覆冰闪络故障。输电线路设计及运维工作中应充分考虑微地形微气象因素的影响，采取可靠的防冰措施，防止闪络跳闸故障及导地线覆冰断线事故的发生，保障输电线路的安全稳定运行。
参考文献
[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．
[2]金西平.微地形微气侯对输电线路覆冰的影响[C]//CIGRE中国国家委员会，中国电机工程学会.自然灾害对电力设施的影响与应对研讨会.北京：中国电力出版社，2008：2-17.
[3]贾雷亮.输电线路融冰闪络分析与防范[J].电力设备，2007，8（5）：49-51．
论文作者:林屹炀,王盛,鲁伟,罗俊骁,魏霞,王媛玥,朱义贤
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/2/27
标签：绝缘子论文; 线路论文; 故障论文; 杆塔论文; 地形论文; 导线论文; 发生论文; 《基层建设》2018年第36期论文;