（国网长沙供电公司 湖南省长沙市 410000）
摘要: 架空输电线路往往暴露于野外，易遭受雷雨、大风、洪水、雨雪等恶劣天气的侵袭，其中冰害对电网的安全稳定运行的影响不容小觑。如何降低冰害对电力系统的影响，提高输电线路的防冰抗冰水平，是摆在电力工作者面前的重要课题。国内外科研人员进行了大量的研究和探索，研究的方向包括：输电设备覆冰形成的机理、覆冰对线路电气特性及机械特性的影响、覆冰在线监测技术、抗冰防冰技术措施以及覆冰预测预警等。
关键词：输电线路；覆冰；原理；防范措施 ；研究现状；
1覆冰对输电设备的影响
覆冰对输电线路的影响可以分电气、机械两个方面进行研究。
输电线路覆冰闪络与绝缘子污闪两者之间并没有明显的差异，覆冰改变了绝缘子表面的分布电压，而覆冰中污秽物含有易导电杂质，使闪络更容易形成。大量研究的数据表明，覆冰情况下的闪络、及污染环境下的闪络都具有多发性和重复性，针对两者在多种因素作用下的放电机理和特性影响的研究都处于摸索的阶段，还未有统一实用的模型或研究方法。目前大部分科研人员采用的方法为，用电路模型模拟放电的过程，但是这种模型无法获取真正可以反映覆冰、污染下放电过程及危险程度的特征量。下一步科研人员的研究方向：找出可以反映覆冰、污染下放电过程及危险程度的特征量；找出设备外绝缘闪络的机理及临界闪络条件及判断依据[5]。
在长时间冰害的情况下，输电线路导线、杆塔的运行工况要远超出设计荷载，严重覆冰时发生结构受损、倒塔断线的事故无法完全避免。在输电线路设计时，采取保守的设计思路，提高杆塔本身抗冰防冰的能力，在一定程度上可以降低冰害的影响，但是却造成线路的建设运维成本大大增加，况且还无法完全避免不出现倒塔断线、大面积停电事故的可能。目前，部分学者提出了将线路灾害局部化的设计策略，在线路发生覆冰灾害时，将损失控制在有限的范围内，避免造成连锁反应，具体的思路包括：研究杆塔的极限承载能力，分析杆塔的薄弱结构点进行加强，逐步提升线路的抗冰防冰水平；合理布置杆塔的型式，尽量将倒塔断线事故控制在耐张段中，将事故灾害进行“局部”化解。
2输电线路覆冰原理研究状况
开展输电线路覆冰形成机理的研究，揭示覆冰形成的过程，是做好输电线路覆冰预测、判断和应急处理的基本理论保证；同时还原输电线路覆冰形成的全过程，可以有效指导和验证输电线路融除冰工作。
影响输电线路覆冰形成的因素非常多，受外界环境、气候的干扰非常大，迄今输电线路覆冰的机理还是没有统一的结论，国内外科研人员研究的方法有以下几种[3]。
一是利用典型区段的线路，在覆冰季节采集线路覆冰发展的速度、形态，收集气温环境等数据，进行分析总结，判断输电线路覆冰与气温、环境等因素的关系。在每年防冻融冰期间，我国电力工作者都会选取部分杆塔作为观冰哨点，架设模拟导线，装设模拟绝缘子，用来收集线路覆冰的信息；加拿大魁北克省也专门架设了一条输电线路，用来研究输电线路覆冰形成机理和防冰除冰技术措施。
二是通过建立相关模型预测模拟线路覆冰的过程[4]。Farzaneh等建立了预测导线结冰速率的模型，不仅发现了导线结冰速度受大气湿度的影响，而且还发现风向垂直于导线、风向平行于导线，两种情况下导线结冰的速率是有很大差异的。Skelton针对导线上霜冻的形成建立了一套三维非稳态的研究模型，结果表明横向风会引起导线的扭曲，同时影响导线上覆冰的形态和发展的速度。
三是利用风洞等实验设施开展研究。日本就通过风洞试验，来研究气象参数对导线覆冰形成的影响，在实验中通过收集不同气象条件下，生成的积雪的密度、积雪的效率、积雪的负载，揭示了气象参数与导线覆冰之间的关系。英国EA技术公司在现场搭建实验装置，验证气象学模型数据的有效性，一面用赫兹尔测力传感器收集覆冰导线的重量，另一面用Gerbers仪器收集温湿度、风速、风向等气象要素，结果证实导线发生覆冰时，两套实验装置都给出了正确的判断信息。
3覆冰舞动机理及防治措施
舞动是由于导线上的非回转对称覆冰，在风的激励下造成的低频、高振幅的振动现象，导线舞动常发生于导线偏心覆冰的情况下，所以舞动的形成取决于以下3个方面：导线覆冰、风的激励、线路结构参数[6]。
目前主流的导线舞动的机理有Den.hartog垂直舞动机理、O.Nigol扭转舞动机理、惯性耦合舞动机理等[8]。Den.hartog垂直舞动机理，认为舞动是由空气动力产生的负阻尼引起的，当覆冰导线的空气动力阻尼为负并且大于导线固有横向阻尼时，无耦合的垂直运行出现不稳定性。O.Nigol舞动机理，认为舞动是由扭转自激产生的，当覆冰导线的空气动力扭转阻尼为负，并且大于导线的扭转阻尼时，扭转运动成为自激产生大幅度振动。惯性耦合舞动机理，认为舞动是由惯性耦合失稳引起的，当横向振动频率和扭转振动频率接近，横向运动和扭转运动通过耦合相互加强，形成大幅度的舞动。
输电线路防舞动，要遵循“避、抗、抑”的原则[7]。避舞，就是在规划、设计时要合理选择线路路径和走向，避开易舞动区域，如避免经过垭口、风口、避免通过水库、湖泊等地段、避免大档距、大高差等。抗舞，是指通过技术措施改造，提高线路的电气、机械特性，在发生舞动时尽量降低对输电线路的影响。抑舞，是指破环舞动形成的条件，抑制导线发生舞动，常采取的措施包括：加装失谐摆、防舞器等改变导线的特性，安装空气阻尼器，提高风的阻力，加装扰流防舞器，扰乱沿档距的气流。
4抗冰防冰的技术措施
目前国内外学者、电力工作者总结出多种抗冰防冰的技术措施，从避冰、抗冰、防冰、技术改造、融(除)冰等多个角度加强输电线路抗冰防冰的水平。
国内输电线路的防冰管理工作遵循“以人防、物防、技防为主，避、抗、改、融相结合”的原则。“避”是指按照《输变电设备生产准备及验收管理规定》的要求，在输电线路的选线、可研等重要环节，落实防冰的技术标准，尽量避开风口、垭口、山口、湖泊等易覆冰地形及重冰区。“抗”是指在输电线路的初设、验收等重要环节，落实防冰的技术标准和反措要求，提高线路抗冰设计标准。“改”是指运维单位根据冰区分布图、冰害影响及运行经验，按反事故措施要求，对抗冰达不到要求的在运线路提出技改需求，进行绝缘子插花、耐张段加强、缩短耐张段长度、地线支架加强、整塔更换、局部改道等抗冰技术改造。“防”是指通过加强人工及在线观测、提升观冰除冰装备配置、编制防冻融冰技术措施，为线路防冰提供信息支撑和技术保障。“融”或“除”是指通过各种措施，将输电线路导线的覆冰融化或清除。
近期除冰机器人成为电力特种机器人应用一个非常热门的最新研究方向[8]。电力特种机器人的应用起源于上世纪80年代日本、美国的巡线机器人，随着技术不断更新，关键核心问题被突破使得除冰机器人的开发应用成为可能，与传统人工除冰、电力融冰相比，具有无须停电、转移负荷、无人身伤亡风险、可长时间作业等优势。除冰机器人研究的关键问题有：解决除冰机器人在柔性线缆上可靠行走运动的问题，解决除冰机器人自主控制越障的问题，解决除冰机器人除冰过程中不会对线缆造成损伤的问题，解决除冰机器人运行中电磁场干扰的问题，解决除冰机器人长时间工作电压供给的问题，解决除冰机器人作业中突发故障自主修复的能力的等。
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5线路融除冰开展现状
主要的融除冰技术基本思路为以下三种[9]，以主动除冰的方式为主：(1)将电能转化为热能，利用直流或低压交流电源进行短路融冰，这是目前应用最广泛的一种融除冰方法；(2)将电能转化为机械能，通道机械振动来清除掉输电线路上的覆冰；(3)机械除冰，在线路停电的情况下，通过人工敲打破坏覆冰物理结构，使覆冰脱落。一般情况下，对于覆冰程度较为严重的35-220kV输电线路以“融”为主，覆冰程度较为严重的10kV及以下线路以人工除冰为主。
湖南电网每年在11月初冬季来临之前，就开始部署防冻融冰工作，组织技术人员逐条线路核实参数，编制1-2套线路融冰方案，采用短路融冰的方法对线路进行融冰。通过加大负荷电流或由电流电流，让导线发热溶解掉导线上的覆冰，具体做法是将线路与系统断开，在线路的一端三相短接，另一端用特设的变压器或发电机供给短路电流。融冰方案选取遵循以下原则：输电线路融冰应以对电网运行影响小、操作量少为原则选择方案，并综合考虑电网稳定水平、潮流分布、电压、供电可靠性等因素；已具备直流融冰条件的变电站，其出线融冰应优先采用直流融冰方案；交流融冰方案中线路低电压交流融冰方案优先于高电压交流融冰方案，单条线路交流融冰方案优先于多条线路串联交流融冰方案。执行时应结合电网实际情况选择。
6覆冰在线监测系统应用
覆冰在线监测系统可以实时收集线路导线覆冰厚度、环境气温湿度、风速等信息，对覆冰发展做出合理的评估和预警，指导一线人员采取相应的防治措施，有效降低冰害对输电线路的影响，提高线路安全运行的可靠性。
目前采用的覆冰在线监测装置监测的手段基本分为两类：一是实时测量线路的弧垂或倾斜角；二是实时获取导线、绝缘子、杆塔覆冰的图像信息。输电线路一旦发生覆冰，导线的弧垂就会发生相应的变化，弧垂变化的多少与覆冰量有直接关系，通过测量导线弧垂变化值，结合相关公式换算，就可以判断导线的覆冰厚度。设置在关键地段的监测装置，实时将现场图像传输到监控中心，值班人员就可以实时观察和记录覆冰的发展情况，以便做出正确的判断和评估。
湖南、湖北在覆冰在线监测上的研究目前正在国内同行的前列。湖南电网在全省14个地区220千伏及以上的线路上安装了70多套现场冰情监测点，构成了湖南电网防覆冰在线监测系统。该套系统投运之初，就成功预测了500千伏五民线2006年的一次严重覆冰，特别在2008年的冰灾中对于线路覆冰的预警预测、决策辅助发挥了重要的作用。而湖北电网开发了集覆冰在线监测系统、输电线路在线视频监测系统、绝缘子污秽监测系统、气象环境采集系统于一体的“湖北电网在线监测集控中心”，可以实时采集线路的运行参数，发现异常状况可以自动发送报警或预警信息给值班人员。江西电网研制出可对覆冰进行定量分析的在线监测系统，2005年在沂州供电公司的500千伏神原I线投入试运行，到2007年底成功监测到3次严重覆冰的现象。
7线路覆冰预测预警系统
输电线路覆冰观测在早期主要依赖于人工观冰。随着电网的蓬勃发展，线路路径不断加长、智能化水平愈发先进、电网可靠性需求严苛，传统依赖人工观测的方法受人员素质、巡视周期、地理环境、气候环境等诸多限制，已无法满足覆冰观测的需求，加强覆冰在线监测和预测预警技术研究迫在眉睫。
输电线路覆冰预测预警技术，是指通过收集输电线路路径内的气象历史数据、实时气候环境信息、输电线路覆冰信息、线路应力变化情况等基础数据，再结合专家系统、神经网络等分析手段，对输电线路覆冰增长的趋势进行预测，对覆冰是否会超过设计覆冰量进行判断，在覆冰超过设计覆冰量或覆冰增长速度迅速的情况下，及时向运行人员进行告警，提示运行人员采取防范措施。
国外针对输电线路覆冰预测大多是建立在数学模型上，具代表性的数学模型有Kuoiwa简单概念模型、Lenhand经验模型以及Makkonen复杂概念模型、雨凇雾凇混合淞冻结模拟计算模型等，研究的领域扩展到了气象学、流体力学、热力学等。由于线路覆冰过程中，受到各种因素的制约导致的不确定性，各种状态量的变化显然无法通过数值来定量的取值，这些数学模型在工程应用上还是有待进一步完善。
国家电网公司2010年发布的《输电系统状态监测系统技术规范》及《输电系统状态监测系统建设原则》中，对于我国覆冰预测预警的发展方向进行了明确的规范，近几年通过研究人员不断的摸索，总结出了不少输电线路覆冰预测预警的方法和成功。
福建省电力试验研究院研发的“输电线路覆冰预警系统”，对福建电网主网架线路的气象条件、覆冰发展过程、覆冰严重情况进行实时监控，预测覆冰影响的线路或设备，提取提示运行人员采取措施，降低电网设备损失。开发项目组研究了覆冰与导线应力的关系，建立了线路覆冰成灾的模型，对导地线脱冰跳跃进行动态模拟计算；总结出了建立在气象因素、空间因素的导线覆冰模型，并创新性的提出了气象“峰区位置”的概念，并对模型进行了进一步优化，大大提高了覆冰预测预警的准确性。
湖南电力公司防灾减灾中心，通过对大量历史数据的整理研究，对影响输电线路覆冰的17个因子进行深入分析，提出了“日地气耦合”电网覆冰规律，总结出了电网覆冰长、中、短期预报方法，开发出了电网覆冰自动预报系统。该套覆冰预报系统采用主站+子站的布置方式，实现了我国南部9个易覆冰省市的电网覆冰预测。
结束语：
国家电网公司层面成立了国网覆冰预测预警中心，组建了专业的运营团队，在进入融冰警戒期前发布长期预测预警信息，在进入防冻融冰警戒期后，每日汇总分析覆冰数据信息，发布短期、中期预测预警信息。通过近两年的试运行，预报系统的长、中、短期预测准确率可以达到90%、83.9%、98%，为平稳化解线路覆冰险情，提前采取防范措施打下了坚实的基础。
参考文献：
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作者简介：
顾雨生（1987年— ）男，江苏省徐州市，工程师，送电线路高级技师，工程硕士学位，从事输电线路运行与检修工作。
论文作者:顾雨生
论文发表刊物:《电力设备》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/10
标签：线路论文; 导线论文; 电网论文; 在线论文; 机理论文; 除冰论文; 模型论文; 《电力设备》2017年第35期论文;