輸電線路覆冰防治措施分析

劉曉亮，魯海鵬，茍方杰，姚生奎

(國網甘肅省電力公司蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

架空輸電線路作為電能遠距離傳輸的主要通道，其正常運行是保證電力系統安全穩定的基礎。架空輸電線路大多分布在野外，處于高海拔、覆冰、大風等復雜環境。復雜地形環境引起的微地形和微氣象條件使得架空輸電線路無法完全避讓覆冰區域，極易造成輸電線路舞動、短路、絕緣子閃絡、斷線等，不利于線路運行和維護工作的開展，甚至可能造成倒塔等重大事故。

為提高輸電線路應對覆冰災害的能力，保障電網可靠供電，下面對輸電線路覆冰類型及危害進行分析，系統總結當前幾種覆冰防治措施的特點及存在問題，并提出輸電線路覆冰防治的新方向。

1 輸電線路覆冰類型及危害

1.1 覆冰類型分析

輸電線路常見的覆冰災害類型有雨凇、混合凇、軟霧凇及白霜四種，其各自特點如下。

1) 雨凇。雨凇是混合凇覆冰的一種初級形式，主要發生在低海拔地區的凍雨期，當環境溫度較低時，空氣中的水分在輸電線路表面聚集并凝結成冰。不過相對于冰而言，雨凇密度較低、持續時間較短。

2) 混合凇。在滿足雨凇發生條件的基礎上，如果空氣中的水分含量較高且空氣流速較快，就易形成混合凇?；旌馅〉拿芏容^高，并且覆冰發展速度較快，對導線的危害更為嚴重。

3) 軟霧凇。軟霧凇的形成同樣與空氣中的水分含量及空氣流速有關，如果低層云中有著較多的過冷水滴，當溫度降低時就易形成軟霧凇。與其他幾種覆冰類型相比，軟霧凇的密度較低，對導地線的附著性不強，但極易在導地線上形成不均勻覆冰，從而導致輸電線路舞動現象。

4) 白霜。當外界環境溫度降到零度以下時，空氣中的水分在線路表面凝結白霜，但很難附著在線路表面，對輸電線路運行影響較小。

1.2 覆冰危害性分析

根據輸電線路覆冰災害影響的分析，可將影響輸電線路運行的載荷分為靜態載荷和動態載荷。

靜態載荷包含因覆冰附著而導致塔身、絕緣子及導地線增加的重力荷載；因塔身迎風面增大而增加的風載荷；以及因桿塔高度不同而導致相鄰兩檔導線沿線路方向產生的不均勻荷載。隨著覆冰厚度的增加，輸電線路承受的重力荷載及風荷載也隨之增加，當覆冰厚度超出其自身承載極限時，會導致塔線體系桿件應力及變形超出設計值而遭受破壞。

動態載荷是指因導線覆冰舞動或導線脫冰跳躍而引發的沖擊荷載、除冰裝置持續產生的變化載荷等，其中沖擊載荷的作用時間短，載荷變化劇烈，對塔線體系危害嚴重。此外，由于輸電線路覆冰自然脫落以及因除冰措施使用而脫落的位置難以準確定位，且覆冰導致輸電線路結構破壞的薄弱位置相對隨機，因而覆冰脫落所產生的沖擊載荷會不可避免地導致輸電塔線體系的動力響應發生變化，進而誘發線路其他位置的覆冰脫落，引起輸電塔線體系更劇烈、更復雜的動力響應過程，由此對輸電塔線體系結構造成的危害相對于靜態載荷更為嚴重。

2 輸電線路覆冰防治措施分析

目前，輸電線路覆冰災害的防治措施主要有防冰和除冰兩類。防冰措施是指在線路建設中盡量避免途徑覆冰多發區域，但受氣候和地形因素的影響，實際線路途徑區域很難完全避開覆冰區域。對于覆冰多發區域的輸電線路，往往采取適當提高線路設計參數的方式來抵抗覆冰，但同時造成了投入成本顯著增加。而當覆冰災害發生后，最常用的除冰措施主要有直流融冰和機械振動除冰兩類。

2.1 直流融冰

直流融冰是目前消除輸電線路覆冰災害比較成熟的技術之一，通過輸電線路外接直流裝置使線路短路的方式產生幾百甚至上千安培的短路電流以達到快速融化線路覆冰的目的；此外，也可通過調整功率潮流、降低線路容抗、降低線路功率因數等方式使線路電流滿足融冰要求。直流融冰技術雖然在一定程度上能解決線路覆冰問題，但也存在著一定的局限性。

1) 直流融冰裝置造價昂貴，有時會涉及線路改造以致操作不便，而且融冰裝置工作的準備時間較長，在線路覆冰厚度快速發展時，會出現融冰速度跟不上覆冰增長的情況。

2) 直流融冰的基礎條件較高，如果覆冰已導致線路斷線、斷股，則無法采取直流融冰方式。

3) 對于穿越微地形或微氣象區域的輸電線路，可能會出現某一條線路的個別區段發生快速大量覆冰，而其他區段未覆冰或覆冰較輕的情況，此時如果采取全線路直流融冰方式，會導致這些區域的導地線過熱甚至燒斷，進而誘發產生二次事故。

2.2 機械振動除冰

機械振動除冰是指覆冰在導線振動過程中軸向拉伸和橫向彎曲的共同作用下，其正應力大于其最大正應力值時就會立即從架空線上脫落。機械沖擊振動除冰裝置是一種可通過人工完全在地面進行除冰操作的機械裝置，當線路需要除冰時，可通過該裝置對覆冰線路施加足以使冰層破裂的高應力沖擊荷載，沖擊載荷在導線中產生橫波和縱波并迅速向覆冰導線兩端擴散從而使覆冰脫落。但是，該方法的融冰效率較低，只適用于輸電線路高度較低且覆冰范圍較小的情況。

其他除冰方法還有基于沖擊波的電脈沖除冰、電動機械裝置除冰、機器人除冰等，其中電脈沖除冰法能夠實現的除冰長度有限，電動機械裝置及機器人除冰裝置夾持電纜、防滑、越障等能力不足且控制設計十分復雜。

3 輸電線路覆冰防治新方向

由于上述除冰措施均存在一定的應用缺陷，因此，需在輸電線路覆冰災害監測和預警方面下功夫以提升輸電線路覆冰災害應對能力。

現場可采用輸電線路覆冰圖像監測技術獲取輸電線路導地線照片，并通過模糊化、圖像分割、邊緣檢測和徑向距離計算等方法進行一系列處理得到導地線覆冰厚度。

與人員巡視線路相比，該方法可更加準確直觀地反映輸電線路的實時覆冰情況，但無法做到有效預警，且在實際工程應用中受制于輸電線路覆冰的不均勻現象，通過有限拍攝角度采集得到的圖像難以真實反映輸電線路的覆冰情況；在單跨檔距過長或者現場可視度很低時，攝像頭、鏡頭表面起霧結冰，也會造成圖像分辨率急劇下降甚至無法采集到輸電線實時圖像的情況。

為有效解決這些問題，可通過稱重法準確實現覆冰厚度的有效監測。當輸電線路覆冰時，整個塔線體系受到的荷載就會增大，絕緣子串順線路傾角、導地線張力、風偏角、弧垂、應力、導線傾角、桿塔傾斜度等幾何、力學參數會發生變化，稱重法就是利用拉力傳感器、角度傳感器等量具測量各個參數，再結合氣象傳感器測得的氣象數據，通過輸電線路力學狀態方程進行綜合分析，利用輸電線路覆冰厚度模型計算出導地線等值覆冰厚度。

式中：F為懸掛點處的軸向應力；為風偏平面內導線和絕緣子串單位長度覆冰重力；為風偏平面內導線單位長度自重和覆冰重力之和；為風偏平面內導線單位長度自重力；為風偏平面內耐張絕緣子串單位長度自重力；b為等值覆冰厚度；D為導線直徑；L為導線線長；ρ為標準覆冰密度；L'為風偏平面內的導線線長；β'為風偏平面內高差角；θ為導線軸向與水平線的夾角；h'為風偏平面內高差；λ為絕緣子串長度。

此外，還可在現有研究的基礎上對輸電線路所在地區覆冰發展情況與外界環境變化情況進行匯總，并通過深度學習算法研究覆冰條件下溫度、濕度、風速和風向等氣象因素對導地線覆冰厚度變化的影響規律，建立覆冰條件下導地線覆冰的多因素預測模型，對導地線覆冰的發展情況進行預測，以預測得到的導地線覆冰發展情況為依據，通過多目標優化算法，建立多目標優化的除冰決策模型(見圖1)，進而基于經濟性或時效性等目標選擇最優的除冰措施。

圖1 線路覆冰監測及除冰決策模型

4 結束語

針對輸電線路覆冰災害的主要類型及其對線路產生的影響，分析現有的幾種輸電線路覆冰防治措施，并在此基礎上提出了輸電線路覆冰防治準確監測、有效預測以及科學選擇除冰方法的發展方向，有望提升輸電線路覆冰災害預警和應對能力。