输电线路大范围冰害事故的分析及防治措施
武汉高压研究所
胡毅
摘要
2004年12月和2005年2月，部分地区的500kV线路出现了冰闪跳闸、导线舞动和倒塔断线事故，本文对冰害事故的特点及原因进行了分析。认为罕见的覆冰气候是造成输电线路设备损坏的直接原因，微地形、微气候条件对覆冰倒杆起了决定的影响和作用，冰载荷重过大使杆塔上的薄弱部件首先损坏。针对冰闪跳闸分析了主要原因及影响因素，认为冰中存在着一定的污秽和覆冰过厚使爬距明显减小是导致冰闪的主要原因。另外，绝缘子串型和环境温度的变化与冰闪的发生直接相关，针对覆冰对输电线路造成的影响和破坏，本文还讨论了当前应采取的措施和今后应进一步深入开展的研究工作。
一、前言
在2004年12月和2005年2月，我国部分地区的500kV线路出现了较大范围的冰闪跳闸、导线舞动和倒塔断线事故。尤其是华中地区，由于历史上罕见的雨凇天气导致输电线路大范围覆冰。部分线段的覆冰厚度已明显超出线路的机械承载能力，使线路杆塔倒塌严重，直接影响到输电网的正常运行。由于这次冰害事故损坏设备多、影响范围广，因此，有必要深入分析此次冰害事故的特点和原因，从输电线路的设计、施工运行、科研、产品质量等方面找出薄弱环节，通过采取针对性对策和措施，提高电网抗击严重自然灾害的能力。
二、输电设备大范围冰害事故的特点及原因分析 1.冰载荷重超出了杆塔的承载能力造成多处倒塔
据气象部门资料。此次雨雪冰冻天气在华中地区的历史上是罕见的，其特点是影响范围大，持续时间长，覆冰程度严重。从现场调研和测量的数据来看，导线覆冰厚度达到了40mm～80mm，局部严重的甚至达到100mm,冰的密度大,一般在0.9/ cm3左右，每米导线上的冰重达到3.6kg/m～5 kg/m，由于雨淞持续时间长达近十天，冰载荷重已超过了杆塔的极限承载能力。在垂直荷载力及两侧不平衡张力的共同作用下造成倒塔。从现场情况分析，大多是覆冰最严重处的一基杆塔率先倒塌，再拉倒两侧相邻杆塔。从统计数据来看，最多的出现了连倒6基，较少的则连倒3基，而最先倒塌的一基起到了破坏源作用，因此应着重分析最先倒塌一基的外界环境作用及内在薄弱环节。相邻的杆塔则是在已承受严重冰载的状况下，受到外来冲击力作用，拉压结合形成连带效应。另外，还有部分邻近杆塔出现了塔头变形或基础损坏等情况。
造成倒塔的原因主要有以下几点：
（1）罕见的覆冰气候是造成输电线路设备损坏的直接原因。由于低温气候持续时间长且温差变化小，空气湿度大，形成稳定的雨淞覆冰气候，特别是在海拔高度高于150m以上的山顶、山垭口处，由于其特殊的微地形、微气象条件，使位于该区域处的线段覆冰明显偏重且持续增长，有的地方导线覆冰重量达到5kg/m以上，使杆塔长时间承受重荷而使塔材屈服。
（2）冰载荷重过大使杆塔上的薄弱部件首先损坏。此次覆冰主要由雨淞形成，从现场观测的情况来看，冰体透明、密度大，而导地线上的覆冰密度又大于塔体和绝缘子串上覆冰密度，达到0.9g/cm3左右，，另又由于地线中无电流通过，其冻积率会高于导线。据现场观测，有的杆塔的倒塌正是首先从地线支架的塌陷引发而起，另外，还有部分没倒的杆塔也是地线支架出现了变形或损坏，这说明地线支架在明显超出设计值的重冰荷载下已成为杆塔上的一薄弱环节。
（3）微地形、微气候条件对覆冰倒杆起了决定的影响和作用。由于倾倒的杆塔大多位于海拔较高的山上，其基本特点是海拔越高，覆冰越重。而且由于两侧杆塔的海拔高低差，覆冰状态也差异很大。来源于两侧的不平衡张力也对杆塔的倾倒起了重要的作用。从倒塌的杆塔形状来看大多是从塔颈处损坏，在拉力或压力的共同作用下，往往是微地形、微气象特征最突出的一基先倒，而相邻杆塔则主要是在冲击拉力的作用下连带损坏。 2.绝缘子串覆冰严重造成频繁冰闪
在2004年12月和2005年2月，华中地区两次出现大范围的冰闪跳闸。据统计，在2003年12月20日～28日，华中地区500kV线路共跳闸28条次。在2005年2月7日～19日，华中电网500kV线路共跳闸69条次［1］。从所测数据来看在2004年底的冰闪跳闸中，冰中存在着一定的污秽是导致冰闪的主要原因之一。而在2005年2月的冰闪跳闸中，覆冰过厚使爬距明显减小是导致冰闪频繁的主要原因之一。分析以上两次大范围冰闪跳闸，主要原因及影响因素有以下方面： (1) 空气环境中污秽较重使冰闪跳闸易于发生。在2004年底的前期由于有近3个月的干旱无雨天气，大气中存在着较多的悬浮性尘埃和导电离子，在绝缘子表面也已存积着一定程度的污秽，当雨淞天气出现时，空气中的污秽成分伴随这冻雨沉积在绝缘子表面形成覆冰，随着覆冰状况的加重逐渐在绝缘子伞裙之间形成冰桥，一旦天气转暖则在冰桥表面形成高电导率的融冰水膜，而且从杆塔横担上流下的融冰水到将直接降低绝缘子串的绝缘性能。另外，在融冰过程中局部出现的空气间隙将导致沿串电压分布极不均匀，导致局部电弧首先发生直至发展成沿冰桥的贯穿性闪络。从现场测量的数据来看，冰的电导率显著高于清洁冰，有的高达250μs/cm ~300μs/cm，从统计数据来看，发生覆冰闪络的杆塔80％处于3级及以上污区，说明在2004年底的冰闪中，污秽是导致冰闪跳闸的重要影响因素之一。
(2) 覆冰过厚使爬距减小导致冰闪电压降低。在2005年2月的冰闪跳闸中，冰的电导率不高，一般在17μs/cm～6 0μs/cm之间，冰中所含污秽成分较轻，说明前期的雨雪天气已明显减少了空气中悬浮尘埃，但由于覆冰的严重程度明显高于去年底，部分绝缘子覆冰过厚已完全形成冰柱，大大减少了绝缘子串的爬距,使耐压水平降低。而在融冰期间冰柱表面会沿串形成贯通型水膜，从而导致沿冰柱发生贯通性的闪络。
(3) 绝缘子串型对冰闪发生率影响明显。对发生冰闪的故障点进行统计分析，冰闪基本上都发生在悬垂串，没有发现在耐张和V型串绝缘子出现冰闪，说明冰闪的发生几率与绝缘子串的组装型式密切相关。分析其原因一是冰凌在耐张串和V型串上不容易桥接伞间间隙；二是耐张串和V型串本身自清洗效果好，绝缘子串上的积污量少；三是融冰时在耐张串和V型串上难于形成贯通性的水膜，这对是否发生冰闪是至关重要的。
（4）冰闪的发生与环境温度的变化直接相关，一般来说，在温度较低的夜间结冰时段，沿绝缘子串的冰柱表面难以出现贯通性导电水膜，沿串的电压分布也相对均匀，因此冰闪不易发生，而在温度相对较高的白天正午时段，由于环境温度升高使冰体表面开始融化，这往往也是冰闪发生的高峰时段。对于较长时间的冰雪天气，往往是结冰与融冰时段交错出现，冰闪在此期间也会反复发生，而对于短时的冰雪天气，则冰闪集中发生于温度升高的化冰期， 3.导线发生舞动造成部分线路设备损坏
在2004年12月，冰害事故的另一反映形式为导线发生大幅度的舞动，舞动发生时气温在0~6℃之间，导线覆冰厚度为20 mm~40mm，风速在4~25m/s,且风向与线路走向的夹角≥45°，导线舞动使一部分双串玻璃绝缘子相互发生碰撞，最严重的甚至出现一串中破碎17片。另外，舞动产生的冲击力还使绝缘子球头断裂导致发生掉串。
本次舞动的各个区段分界明显，一般分界点以耐张转角塔为界，在线路与风向呈45°角的线段舞动最为严重，而顺风向的线路未出现舞动，舞动幅值与风速基本成正比，但对以往已加装了防舞装置的区段，舞动幅度有明显减弱，舞动发生的原因是导地线发生不均匀覆冰后，在风的激励下产生低频率、大振幅的自激振动。值得注意的是：在近几年发生的导线舞动中，由于绝缘子球头断裂致使掉串已不是第一次发生，这说明少量绝缘子球头存在着机械强度缺陷，而潜在的缺陷在舞动的强大冲击力作用下暴露出来，直至造成掉串事故。
三、需采取的措施和今后的工作
当前采取的措施包括：
1.对海拔较高、湿度较大、雨凇和雾凇易于形成的山顶、风口、垭口地带，应根据此次覆冰厚度的观测值，对事故发生杆塔进行加强或改建，对较长的耐张段，宜在中间适当位置设立耐张塔或加强型直线塔，以避免一基倒塌引起的连环破坏，对其他微地形、微气象特性明显，历史上覆冰频繁发生的线段，也应参照事故线路安排技改和加强。另外，针对地线上覆冰密度大这一特点，应加强地线支架的补强。
2.在冰闪频发线段，应采用合适的绝缘子串型布置，如V型串、倒V串布置。对覆冰不太严重的区段也可采用大小盘径相间的插花串布置。对双联串应增大串间间距。
3.对多次发生舞动的线路区段可加装防舞动装置。双串绝缘子间应增大挂点间距或加装间隔装置。
今后应进一步深入开展以下研究工作：
1.在总结220kV线路的电流融冰技术和经验的基础上，研究500kV线路融冰技术。另外，还应研究包括导线覆冰状态的综合在线监测及报警系统，监测参数应包括温度、湿度、覆冰厚度、积污、导线风偏等。应研究防覆冰涂料和防覆冰导线等新材料，为今后防止大范围冰害事故提供必要的装置、设备和第一手资料。 2.对不同覆冰状况、不同积污状态、不同绝缘子串型、不同插花布置的绝缘子串进行覆冰闪络特性的试验研究，为合理配置绝缘子，减少冰闪故障提供试验依据。对500倒V串绝缘子的机械受力特性和电气闪络特性也应进一步深入研究。
3.对新型防舞器及安装位置的优化开展研究，对易舞区、易舞线段应进一步调研，对诱发舞动的条件和参数应进一步归纳和分析，从中找出规律并采取针对性的防舞措施。
4.在充分掌握沿线气象资料的基础上，线路杆塔选址应尽量避开重冰区，在高海拔及微地形、微气象特征明显的地方，应采用加强型杆塔，减小耐张段长度。对历史上覆冰气候明显的地段，应设立覆冰监测站，全面收集和长期积累气象资料，为输电线路的设计和运行维护提供基础数据。
针对覆冰对输电线路造成的影响和破坏，仍应采取“避、抗、融、改、防”的综合治理方针，而要做到这一点，关键是对输电线路所经地区的气象状况有准确的把握和了解，这样才能在设计、施工和运行维护上有针对性的采取措施和对策，因此，结合生产中的实际问题，深入地开展分析、调研和试验研究工作是十分必要的。
参考文献
1.华中电网冰闪倒塔事故情况汇报
2005.2.28 作者简介: 胡毅
1955年生，教授级高工，长期从事输电线路研究。
