摘要：我国是高压输电线路覆冰较严重的国家之一。高压输电线路具有档距较大、铁塔较高等特点，线路覆冰对其影响比较严重，同时，输电线路的电压等级较高，载流量较大，线路破坏造成的经济损失巨大。为此，本文研究了输电线路的覆冰特性及防治措施。
关键词：输电线路；覆冰；防护
覆冰可以引起导线舞动、杆塔倾斜、倒塌、断线及绝缘子闪络，从而造成重大事故。导线覆冰是一个复杂的过程，覆冰量与导线半径、过冷水滴直径、含风量、风速、风向、气温及覆冰时间等因素有关。根据全国覆冰情况的统计数据，发现北方地区虽然气温低，但因气候干燥，所以较少出现重覆冰。对送电线路不构成太大的威胁，在冬季，有高空西南暖湿气流的长江以南高海拔地区受覆冰灾害影响较严重。
一、覆冰形成原因和过程
导线覆冰首先是由气象条件决定的，是受温度、湿度、冷暖空气对流、环流以及风等因素决定的综合物理现象。云中或雾中的水滴在0℃或更低时与输电线路导线表面碰撞并冻结时，覆冰现象就产生了。
覆冰按形成条件及性质可分为A、B、C、D、E五种类型。
A型称雨凇覆冰，是在冻雨期发生于低海拔地区的覆冰，持续时间一般较短，环境温度接近冰点，风相当大，积冰透明，在导线上的粘合力很强，冰的密度很高，雨凇覆冰是混合凇覆冰的初级阶段，由于冻雨持续期一般较短，因此，导线覆冰为纯粹的雨凇覆冰的情况相对较少。
B型称混合凇，当温度在冰点以下，风比较猛时，则形成混合凇。在混合凇覆冰条件下，水滴冻结比较弱，积冰有时透明，有时不透明，冰在导线上粘合力很强。导线长期暴露于湿气中，便形成混合凇。混合凇是一个复合覆冰过程，密度较高，生长速度快，对导线危害特别严重。
C型称软雾凇，是由于山区低层云中含有的过冷水滴，在极低温度与风速较小情况下形成的。这种积冰呈白色、不透明、晶状结构、密度小，在导线上附着力相当弱。最初的结冰是单向的，由于导线机械失衡，逐渐围绕导线均匀分布，在此情况下，这种冰对导线一般不构成威胁。
D型和E型分别为白霜、雪，白霜是空气中湿气与0℃以下的物体接触时，湿气往冷物体表面凝合形成的，白霜在导线上的粘结力十分微弱，即使是轻轻地振动，也可以使白霜脱离所粘结导线的表面，与其他类型覆冰相比，白霜基本不对导线构成严重危害。
导线覆冰的基本物理过程是严冬或初春季节，当气温下降至-5～0℃，风速为3～15m/s时，如遇大雾或毛毛雨，首先将在导线上形成雨凇，这时如果气温再升高，雨凇则开始融化，如天气继续转晴，则覆冰过程就停止；这时如果天气骤然变冷，出现雨雪天气，冻雨和雪则在粘结强度较高的雨凇面上迅速增长，形成较厚的冰层；如温度继续下降至-15～-8℃，原有冰层外则积覆雾凇。在这样一个过程中，出现多次晴～冷变化天气，短暂的融化加强了冰的密度，如此往复发展将形成雾凇和雨凇交替重叠的混合冻结物，即混合凇。
二、覆冰对输电线路的危害分析
1.线路过荷载事故
输电线暴露在恶劣的环境中，覆冰不断积覆使导线承受的重力不断增加发生严重形变，有时伸手就能触摸到，这类情况下很容易发生闪络事故；同时，在风力的作用下，各导线相间的距离减小导致空气绝缘失效，进而引发跳闸或导线熔断等事故；如果输电线的覆冰状况进一步恶化，极有可能突破线路设计的安全极限，金具破坏甚至断线、倒塔等严重事故将很难避免。
2.相邻档非均匀覆冰或不同期脱冰造成的
事故输电线路相邻档覆冰的不均匀必然导致张力的不平衡，两侧弧垂发生改变，线夹处会出现导、地线断股的情况；其次，不平衡张力过大时绝缘子串偏移也会变大，与杆塔发生碰撞后破裂失效；或者各条输电线路相互碰撞，发生线路熔断杆塔破坏等事故。相邻档导线上覆冰脱落不同步造成的危害与覆冰不均匀的情况类似。
3.绝缘子串覆冰造成频繁冰闪事故
冰闪可以解释为覆冰闪络，它是污秽闪络的一种，是有害的放电现象。其发生的条件可做以下描述：重覆冰的情况下，绝缘子串被大量冰凌包裹发生桥接，导致绝缘强度降低，泄漏距离缩短，易发生闪络；污秽中的电介质很容易在覆冰融化时被吸收，导致覆冰表面电导率上升，单片绝缘子及绝缘子串表面电压发生畸变，从而降低了覆冰绝缘子串的闪络电压，融冰时期通常伴有的大雾湿度较大，空气中的污秽颗粒也成为增强融化冰水电导率的影响因素，冰闪极易发生。
4.输电线舞动损坏电力设备
舞动是由于输电线覆冰后的截面不是正圆，在风的作用下引发的低频率振荡，其频率和振幅跨度都比较大，一般频率为0.1―3Hz，振幅为线直径的5―300倍。输电线舞动会引起杆塔，导、地线，金具等部件的损坏，造成频繁跳闸甚至大面积停电事故。
三、输电线路抗冰设计
1.新建线路的抗冰设计
对于新建的输电线路，要根据已掌握的气象资料，合理划分冰区，选取不同的设计冰厚进行线路设计，力求做到确保线路安全运行而又不过分增加线路的造价。输电线路经过的各种地势、微气候及微地形的差别较大，沿线冰雪情不会一致，故不能只采取一个冰厚设计值。为了确保重冰段的安全，应在搜集到的气象资料的基础上，结合线路所经过地区及周围地形、地物情况、相对高差、路径走向及覆冰时的风速、风向、湿度等进行综合分析，合理划分冰区和确定相应的冰厚设计值。新建线路在路径选择上，应力求避开严重覆冰段，并做到线路应沿起伏不大的地形走线；线路应避免横跨垭口、风道和通过湖泊、水库等易于覆冰的地带；线路翻越山岭时不应采取大档距、大高差；线路沿山岭通过时宜沿覆冰时的背风坡走线。当线路无法避开重冰区时，应采取抗冰设计。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆如减小杆塔之间的间距，减轻杆塔荷载，杆塔间距尽量均匀；对于地形限制必须采取较大档距时，宜制成耐张段或采取其他措施；重冰区线路每隔若干基增设一基抗串耐张塔；导线可采用机械强度较高的钢芯铝合金或铝包钢绞线，并采用预绞丝护线条保护导线，防止重冰区线路由于不平衡力作用和脱冰跳跃振动而损坏导线；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弯曲强度；对于多分裂导线，可以减少分裂导线数，以降低线路总的覆冰载荷；对覆冰易舞动区，加装失谐摆和集中防震锤等防舞动装置，导线舞动；增大绝缘子串长度，改善绝缘子串伞形结构及布置方式来提高防冰闪能力，也可以考虑采用复合绝缘子，由于复合绝缘子表面材料的特殊性，可以延缓结冰时间。
2.已运行线路的抗冰害措施
对于已运行的线路，为加强其对覆冰灾害的抵御能力，应视具体情况区别对待。海拔较高的输电线路，翻越分水岭及横跨峡谷、风道、垭口等处的路线应进行改造；重冰区的输电线路应重新以抗冰要求进行彻底改造，方法参照新建线路的抗冰设计；对没有明显微气候、微地形影响的大面积覆冰地区，不宜立即进行线路改造，可以考虑采用融冰措施来防治冰雪害。
3.覆冰绝缘子防冰闪
目前，国内输电线路覆冰防护工作主要集中于防断线、倒杆及防碰线短路等方面，而绝缘子覆冰后的闪络问题也应该引起人们足够的重视，因为已有多起绝缘子冰闪事故发生。纯冰的绝缘电阻很高，很难造成闪络，冰中混含导电杂质后，覆冰绝缘子的闪络电压才会降低，含水量较多的雪也容易造成绝缘子的闪络。要防止绝缘子的冰闪，最简单的办法就是增大爬电距离。另外，可以从改善绝缘子伞裙的结构入手，大小伞与等径伞在相同条件下，前者更有利于防治冰闪，适当调整绝缘子的外形结构，使其在大雪天不易积雪，积雪后不易发生闪络。绝缘子水平悬挂、V型串、斜向悬挂等均是阻断融冰水形成水帘的有效方法，运行实践表明，阻水帘是提高冰闪电压的基本措施。大盘径伞裙在绝缘子串中间隔布置，是防止冰凌桥接的好办法。在绝缘子表面涂憎水涂料可以大大降低覆冰绝缘子的泄漏电流，从而提高闪络电压；加强对杆塔横担和绝缘子的清扫，特别应在冰冻季节前将横担和绝缘子串清扫干净，也可有效地提高抗闪络能力。
四、防冰除冰技术
1.热能融冰法
采用增大导线的传输电流融冰，短路电流融冰，低居里温度磁环，低居里温度磁力线，使导线自身发热，温度升高。这样的融冰方式能量消耗高，而且存在各种各样的缺陷。
2.机械除冰法
滑轮铲刮法和强力振动法都属于早期的机械除冰方法，其中滑轮铲刮法于1993年由加拿大提出，工作人员在地面通过拉动挂在输电线上的滑轮来达到铲除覆冰的目的。近年来，加拿大在短距离线路或线路的重要档出现覆冰时，借助通用飞行器和智能机械，敲除输电线上的覆冰。我国国家电网公司于2009年底成立了通用航空有限公司专门负责直升机巡线维护等业务，可以预见未来直升机在输电线路工程建设及维护方面将有广阔的前景。还有一种由加拿大魁北克水电公司提出的电磁力除冰法，其原理是线路在额定电压下短接，短路电流产生的电磁力使导线相互撞击，覆冰破碎脱落，此方法对雾凇类型覆冰效果尚佳，但对雨凇这种质密的覆冰，效果就不甚理想了。
3.被动除冰法
借助风、万有引力、温度变化等自然因素使覆冰脱落的方法称为被动除冰法。由于此类方法在经济性上的优势显著，一般工程上会首先考虑应用。平衡重量线夹、除冰环、阻雪环、疏水涂层材料、风力锤等已得到应用，其目的就是减少输电线上的覆冰；而防震锤的安装将抑制输电线的舞动。此外，电磁脉冲、气动脉冲、电晕放电等防冰除冰技术，多还没有广泛应用于工程实践。
五、关于气象因子的预测模型
要实现电网覆冰预警，则必须提前知晓覆冰的发展趋势。即能根据提前获得的监测点气象信息，预测导线的覆冰状况。因此，关于气象因子的覆冰预测模型是实现预警的关键所在。其主要研究成果可分为机理模型、统计学模型和智能计算模型三大类。
（1）机理模型：L.Makkonen[4]提出著名的Makkonen模型，根据覆冰形成的气象机理、流体力学以及热力学相关原理，把导线半径、气温、风速、降水率、风吹角度及覆冰时间等作为输入量，用数值计算方法建立覆冰的增长模型，从而对导线覆冰负荷进行估计或预测。孙才新[5]等提出了导线覆冰的热平衡方程，推导出了导线覆冰的冻结系数和湿增长覆冰向干增长转变的临界条件模型，该模型为以环境温度、风速、水滴直径、空气中液态水含量及导线传输电流为变量的导线覆冰函数；PingFu[6]等提出2-D覆冰模型，基于边界单元法（Boundary Element Method）分析和计算流过导线空气和液滴的动力学过程，从而得出覆冰增长过程的碰撞效率和热传导效率，进而模拟覆冰在导线上的增长预测模型。
（2）Y.Sakamoto[7]提出了基于风洞试验的覆冰负荷预测模型，通过测量单位时间内通过导线的降雪量、风速、温度以及下雨或下雪的临界温度，以统计学的方法建立预测覆冰负荷的数学模型；蒋兴良[8]等提出了了三种不同直径导线在不同风速、液态水含量（LWC）即液态水质量浓度、水滴中值体积直径（MVD）、环境温度等环境参数下的覆冰试验统计学模型，分析了覆冰时间及四个环境参数对覆冰厚度的影响。
（3）智能计算模型：P.McComber[9]提出了基于多层神经网络的覆冰预测模型，把气象数据作为神经网络的输入进行训练，从而得到历史覆冰监测数据与气象因素之间的映射模型；韩叶良[10]等提出基于粗糙集算法的电网覆冰事故预警模型，针对覆冰应急预警系统中信息不完备与信息冗余并存的特点，引入粗糙集模型对初始决策表进行了不完备信息处理、属性离散、属性约简以及预警规则的提取。
六、结束语
输电线路的覆冰影响电力系统的安全可靠运行。在技术经济合理情况下，设计上凡能避开重冰区的应避开重冰区，不能避开的，可在设计上采用降低结冰的设计方法或采用重型抗冰塔来抗冰。采取“避、抗、融、改、防”方针综合治理覆冰对输电线路的影响和破坏。关键是准确把握输电线路所经地区气象资料、微气候及微地形，从而在设计、施工和运行维护上采取针对措施。
参考文献：
[1]胡毅。电网大面积冰灾分析及对策探讨[J]。高电压技术，2009
[2]赵芳良。输电线路覆冰原因分析及对策研究[J]。电力安全技术，2010，
[3]黄新波。电力架空线路覆冰雪的国内外研究现状[J]。电网技术，2009
论文作者:刘武军
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/8
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