电网大面积冰灾分析及对策探讨
胡 毅
(国网武汉高压研究院，武汉430074)
摘 要：为提高电网抵御自然灾害的能力，分析了2008年1月中旬至2月上旬我国南方地区电网发生大面积冰灾的特点及原因。认为持续的雨雪冰冻天气带来的绝缘子严重覆冰、覆冰产生的过荷载、不均匀覆冰等，导致了电网发生倒塔断线、冰闪跳闸、导线舞动、设备损坏、电网解列、大面积停电等冰灾事故。结合电网遭受破坏后出现的问题，提出了应从冰区划分、路径选择、线路设计及改造、冰闪防治、应急运行方式、融冰技术等方面采取对策和措施，以防止和减少严重覆冰对电网造成的破坏和影响。并针对此次电网大面积冰灾的特点提出了今后的研究重点，包括冰情监测及预警、杆塔破坏特性、线路设计参数及标准、绝缘子冰闪特性、防冰材料、除冰手段、融冰装置等。建议从多个环节开展全方位研究。 关键词：电网；覆冰；冰闪；倒塔；融冰；对策
中图分类号:T M726;T M727;T M75文献标志码:A文章编号:1003 6520(2008)02 0215 05
Analysis and Countermeasures Discussion for Large Area
Icing Accident on Power Grid
H U Yi
(Wuhan H ig h Voltage Research Institute of SGCC,Wuhan430074,China)
Abstract:In this paper,t he characterist ic and cause of la rge ar ea icing accident o n pow er g rid is analyzed.I t is po inted out that the co ntinual serio us weather conduces insulato r icing,ex cess icing lo ad,differ ential icing,w hich cause tow er falling dow n and wire br oken,icing flashov er,conductor gallo p,netw ork splitting,larg e ar ea o utag e and so on.I n combinatio n w ith the pr oblem reflect ed from the destruction of po wer g rid,it is presented t hat the co untermeasures sho uld be taken fr om ice area divisio n,route selection,icing mo nitor ing and pr e war ning,emer g ency operation mode,icing remov al metho d,ice melting technolog y and dev ice etc.fo r reducing the influence and destructio n o f icing.A cco rding to the character o f t he lar ge area icing accident,the follo wing research content is pr esented,w hich contains destruction char acter o f to wer,line icing monito ring and pre w arning,standar d of line de sig n,character o f icing flasho ver,icing remov al and melting met ho d ect.
Key words:pow er g r id;icing;icing flashover;to wer falling dow n and wire bro ken;melting ice;counter
measur es
0 引 言
2008 01以来，一场大范围的持续低温、雨雪冰冻天气袭击我国南方地区，对电网造成了极其严重的破坏。湖南、江西、贵州、浙江等地区的电网受损尤为严重，出现了大范围的冰闪跳闸和断线倒塔，导致大面积停电和部分电网解列。湖北、安徽、云南、广西等地区的电网也出现了冰闪跳闸、杆塔倒塌、导线舞动、设备破坏等事故。这次冰灾的直接原因是罕见的大范围长时间低温、雨雪冰冻气候，输电设备大量损坏也反映出电网抵御恶劣气候能力的不足，为此，本文通过分析此次电网大面积冰灾的特点及原因，研究相应的对策和措施，提出今后的研究重点，以提高电网的安全运行水平。
1 电网大面积冰灾特点及原因分析
1.1 冰冻时间长，覆冰强度大
2008年1月中至2月上旬，低温雨雪天气持续了20多天，我国南方大部分地区电网均发生了冰灾事故，现场实测许多线路覆冰厚度达到了30~60 m m，有的甚至达到了80mm，大大超过了设计值。据统计，国家电网公司系统由于覆冰引起10~110 kV线路倒塔14万多基,220kV及以上线路倒塔1500多基,707座变电站停运。持续时间长、影响范围广、覆冰强度大、危害程度深实属历史罕见[1 8]。
一般来说，覆冰的影响因素主要包括空气温度、风速风向、空气中或云中过冷却水滴直径、空气中液态水含量，这些因素的不同组合确定了导线覆冰的形状、密度及厚度。而输电线路产生覆冰的气象条件为: 气温及设备表面温度达到0 C以下; 空气相对湿度在85%以上; 风速>1m/s。我国北方冬季气候干燥，输电线路上主要为积雪。而南方冬季低温天气时多产生冻雨，雨淞在输电线路上易形成密度较大且不宜脱落的覆冰。此次低温雨雪袭击的地区自2008年1月中旬以来气温持续在-5~-1 C，一些山区达到-7 C；相对湿度保持在
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高 电 压 技 术
H igh Voltag e Engineering
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90%以上；并伴随有一定的风力，大范围的冻雨气候导致电气设备大面积覆冰。
另外，线路的海拔高度、导线悬挂高度以及覆冰发生的凝结高度，也会对线路覆冰产生影响；一些受风较突出的地形或空气水分较充足的微地形、微气象的区域，其覆冰频率和程度也更为突出。2005年初我国电网发生的覆冰灾害多发生在一些海拔较高地区以及山顶、山垭口等具有微地形气象条件的地带。而此次恶劣天气影响范围广泛，甚至在海拔较低地区的线路也发生了大面积的覆冰灾害。
1.2 线路绝缘子覆冰严重，频繁冰闪跳闸
据统计，此次冰灾中，仅湖南电网从2008 01 20/29期间,500kV线路跳闸73条次,220kV线路跳闸408条次，这些跳闸均由冰闪造成。
绝缘子发生冰闪的主要原因有: 空气及绝缘子表面污秽中存在电解质使冰闪易发生。纯冰的绝缘电阻很高，但覆冰中存在的电解质增大了冰水的电导率。由于冰灾发生前南方各地有一段干旱期，又值冬季取暖期，空气质量较差，雨凇时大气中的污秽伴随冻雨沉积在绝缘子表面，降低了绝缘子的耐压水平; 绝缘子串覆冰过厚形成冰桥使冰闪电压降低。当绝缘子覆冰过厚完全形成冰柱时，绝缘子串爬距大大减少，耐压水平显著降低。一般来说，冰闪多在气温间歇或持续升高的融冰期发生，此次冰灾中，现场反映有部分冰闪在低温持续的结冰期发生，原因主要是由于绝缘子串覆冰过厚导致爬距减小，同时覆冰中电解质对绝缘水平有降低作用，使绝缘子串发生闪络[9,10]。
由此次冰灾调查发现，直线串绝缘子发生闪络较多，耐张串、V型串闪络较少。说明绝缘子串型对冰闪有一定的影响。其原因是: 耐张串和V型串上冰凌不易桥接伞间间隙; 该类串型本身自洁效果好，串上积污量少; 该类串型上较难形成贯通性水膜。
1.3 冰闪引发线路跳闸停运，加剧导线覆冰
根据冰灾期间部分线路运行情况记录，线路绝缘子严重覆冰后先发生冰闪跳闸，重合闸不成功导致线路停运，线路停运后更加剧了导线的覆冰，继而发生倒塔及断线。
运行线路导线的负荷电流影响着导线表面温度，当电流足够大，导线产生的焦耳热使其表面温度维持在0 C以上时，空气中的冻雨滴碰撞导线不会产生覆冰，达到阻止或减缓覆冰的效果。当线路停运时，由于导线停止发热，在持续低温雨雪天气作用下其表面覆冰加强，最后导致线路冰荷载过大发生断线及倒塔[2]。
研究发现，导线电场对覆冰也有一定的影响。因电场使其周围水滴粒子产生两极，并对其有吸引力，更多的水滴移向导线表面。当导线中负荷电流较小，导线产生的焦尔热不足使其表面维持在0 C 以上时，电场的影响可增加导线的冻雨聚积量。
1.4 线路实际覆冰厚度与设计值相差较大，荷载过大引发断线和倒塔
通过调查覆冰现场发现导线覆冰截面随低温天气的持续逐渐增大，这是由于持续的低温使导线表面的覆冰无法融化，间断的雨雪使导线表面的覆冰越来越厚。现场实测许多线路的覆冰厚度已超过30m m，密度达到0 9g/cm3，而冰灾地区不少线路是按覆冰厚度15m m及以下设计的，因此，线路覆冰已显著超过了杆塔的设计值，使杆塔变形及倒塌。
线路覆冰后，产生的过荷载从方向可分为: 垂直荷载。当导线、杆塔覆冰时，冰的重量会增加所有支持结构和金具的垂直负载，导致架空线弧垂变大，使导线间或导地线间的间距减小，绝缘距离不够时发生放电。另外，由于覆冰会增大导线张力，从而增大杆塔及其基础的力矩，荷载过大会造成杆塔弯曲、倾斜，甚至发生折断; 水平荷载。覆冰使导线受风面积增大，此时杆塔所受水平荷载随之增加，线路因此可发生横向倒塔事故; 纵向荷载。因输电线路相邻各档间距离、高度不同，使导线在覆冰时引起纵向张力不平衡，产生纵向荷载。当覆冰不均匀、自行脱落或被击落时，导线的悬挂点处产生很大的纵向冲击荷载，可造成导线或地线从压接管内抽出，或外层铝股断裂，钢芯抽出，或整根线拉断，如果导线拉断脱落，最终的不平衡冲击荷载和两相邻档间的残余荷载就会大大增加，冲击荷载可将铁塔扭坏并导致顺线倒杆事故[11 13]。
此次冰灾发生变形、倒塌的90%以上为直线塔，且出现多基塔连环顺线倒塌的情况，说明纵向不平衡荷载和断线冲击荷载是杆塔变形倒塌的主要原因。同时冰灾中也有一部分发生损坏的杆塔仅地线(包括OPGW)断线、地线支架垮塌或变形，这是由于地线中无电流通过，覆冰程度较重；另表明地线及地线
支架在严重覆冰气候下是一个薄弱环节。
1.5 不均匀覆冰使导线舞动、变电设备损坏
输电线路承受其自重、覆冰等静荷载及风产生的动荷载。在一定条件下，覆冰导线受稳态横向风作用，可引起大幅低频振动，即舞动。
当导线上覆冰不均匀时，由于其断面不对称，风吹导线时产生空气动力学上的不稳定，在相应风力作用下，导线会发生低频(0 1~3H z)、大振幅(可> 10m)的舞动。导线舞动会使相邻悬垂串产生剧烈
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摆动，两端导线张力也有显著变化，引起差频荷载，导致金具损坏，导线断股，相间短路，杆塔倾斜或倒塌等严重事故。此次冰灾发生的导线舞动是由于不均匀覆冰引发的，另外，导线舞动还造成了部分塔件受损和倒塔[14 17]。
变电站设备表面产生的不均匀覆冰会在设备局部产生极不均匀电场，明显降低设备沿面闪络电压。在2005年初的冰害事故中，曾发生500kV TA闪络炸裂的事故。此次冰灾对变电站设备也造成了严重的影
响，耦合电容器、TA、母线支柱绝缘子、刀闸支柱绝缘子等设备均有冰闪发生，有些设备如TA 还发生了炸裂。
1.6 除冰手段缺乏
由于缺乏有效的除冰手段，此次大面积冰灾中，主要是采用人工除冰手段。这种方法危险性高、劳动强度大、除冰效果有限，使覆冰对电网造成的损害无法得到迅速有效的控制。
2 对策与措施
此次冰灾反映出电网抵御严重自然灾害的能力不足，有必要从规划、设计、运行、抗冰技术等各环节开展全方位的研究，包括冰区划分、路径选择、线路设计、冰情监测及预警、应急运行方式、除冰方法、融冰技术及装置等，需筑成电网抗冰的多道防线，才能有效减少严重覆冰对电网造成的破坏和影响。
2.1 冰区划分与冰情监测
冰区的划分直接关系到线路设计参数的合理取值，在冰害多发地区应建立冰情监测站，并在杆塔上设置覆冰监测点，长期监测不同电压等级线路、不同直径导线、不同串型绝缘子和杆塔上的覆冰状况。结合气象资料和数据，总结特点和规律，为合理划分冰区提供第一手资料。
2.2 骨干网架的路径选择和设计
在大面积长时间雨雪冰冻天气下，同一区域的所有线路可能同时出现严重覆冰。如冰载超过杆塔的荷载极限，会在同一输电通道中同时出现大范围的各电压等级线路的倒塔断线，造成系统解列和大面积停电。且倒塔线段更易出现在覆冰严重的崇山峻岭中，对抢修和恢复供电带来极大困难，此次冰灾就突出反映出此问题。为保证在极端覆冰气候下同一输电通道中骨干网架仍能正常运行，需对重要骨干网架进行特殊规划和设计：一是在选择路径时尽量避开覆冰频发和重覆冰的区域；二是应针对最不利的覆冰气候条件采用加强型设计和改造，使之具有抵御最严重自然灾害的能力，这样保证在最恶劣气候下不发生电网解列和大面积停电，也不会因普遍加强设计使建设和改造成本过高，在技术经济上较为合理。
2.3 线路改造
对此次冰灾中连续倒塔的线段，应在较长的耐张段合适位置适当增设耐张塔，以避免一基倒塌引起连环破坏，对冰灾中覆冰倒塌的杆塔应结合此次覆冰厚度进行加强型改造。由于地线的覆冰冻积率高和覆冰密度大，造成此次冰灾中地线支架损坏较多，应补强地线支架。对跨越铁路、高速公路的线路，由于其特殊的重要性，两端杆塔应按此次冰灾中最严重的覆冰状况设计，塔型应改为耐张塔，导地线均应根据最严重的覆冰情况选择，保证具有足够的安全裕度。另外，此次冰灾中还有部分线路发生舞
动，舞动的冲击力造成了部分塔件损坏和倒塔，对发生舞动的线路区段应加装防舞器等装置，双联绝缘子应增大挂点间距或加装间隔装置。
2.4 冰闪防治
统计表明，冰闪仍大多发生在悬垂串。覆冰电导率较高的绝缘子串及覆冰过厚形成冰柱的绝缘子串发生冰闪较多，同一电压等级线路中绝缘子片数较少的发生冰闪较多。而冰闪频繁导致线路停运又加剧了导线上的覆冰速率，针对以上特点可分别采取措施: 在塔头间隙尺寸允许时增加绝缘子片数和串长，提高绝缘子串的冰闪电压; 在雨雪冰冻天气发生前清扫线路污秽，防止绝缘子上积存的污秽渗透和迁移到冰中增大覆冰电导率; 在横担侧加装一片大盘径绝缘子和采用大小盘径相间的插花串布置，防止冰凌直接桥接伞间间隙，增大覆冰时的爬电距离; 采用V型串、倒V串等绝缘子串型布置; 双联串应增大串间距，防止覆冰严重时冰柱在双串间形成。
2.5 应急运行方式
根据冰情发展适时启动应急运行方式，在保证主网安全运行的前提下，通过调度改变潮流分布，将2条或多条线路的负荷改为通过覆冰区的一条线路，增加导线发热达到融冰目的，在一条线路融冰完成后，再根据重要性依次将负荷通过其它线路分别实现融冰。
2.6 融冰技术
在此次抗冰保网中，湖南电网对多条 220kV 线路进行了交流短路融冰技术的应用，根据覆冰监测数据适时启动融冰方案，融冰时间随导线覆冰厚度及环境气候等因素而设定，融冰效果明显，为减少电网受损发挥了重要作用。但受电源容量及技术的限制，目前融冰作业还仅应用于 220kV电压等级线路，下一步需在总结 220kV线路短路融冰技术
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和经验的基础上，重点研究500kV直流融冰技术及装置。
3 今后研究重点
针对此次冰灾的特点，下一步应深入开展以下研究工作:
1)杆塔破坏特性研究。研究分析在重覆冰条件下输电线路杆塔的破坏特点和规律。基于此次调研冰灾引起的输电线路杆塔破坏情况，针对各典型塔形，计算其在极端覆冰工况下的受力，出杆塔设计的薄弱环节；研究重覆冰条件下档距与耐张段长度的确定原则及制订防止多基杆塔连环倾覆的措施；并通过真型塔试验验证研究结果，提出重冰区杆塔设计的合理化方案。
2)线路覆冰的监测与预警。实时监测冰情发展并及时预警是及时启动应急机制和适时采取融冰除冰决策的基础。全面、准确、灵敏的覆冰监测系统能够有效指导线路除冰工作，并为覆冰的研究工作提供第一手资料。考虑到近年来冰害等环境气候引起的电网事故频发，覆盖面广、危害巨大，严重影响超高压、跨区电网的安全运行，对即将建成的特高压骨干网架也是潜在威胁，因此应结合卫星遥感遥测等技术，重点研究高精度、多功能的广域电网覆冰监测预警技术，建立卫星遥感遥测与地面监测站相结合的覆冰监测预警系统，既实时掌握大范围恶劣气候下冰情发展和电网的设备受损情况，又了解重点线路的覆冰厚度、覆冰密度、导线表面温度和张力、杆塔变形等信息，并结合冰情发展分级预警，为各种气候条件下电网稳定运行奠定基础。
3)输电线路设计标准的研究。鉴于此次冰灾中线路设备受损严重，有必要深入研究线路的抗冰设计，包括确定合理的重冰区设计参数和覆冰工况组合，分析比较不同设计标准对线路造价的影响等。在设计环节提高线路本体抵御自然灾害的能力。
4)覆冰闪络特性研究。应通过理论分析、仿真计算、真型试验等手段，特别是利用大型覆冰试验室开展绝缘设备的覆冰闪络特性试验，深入研究不同污秽条件、冰电导率、串型、串长、插花布置等多种情况下的绝缘子串结冰、融冰及套管、支柱类设备不均匀覆冰闪络特性，以指导线路与变电站绝缘设备进行防冰设计。
5)防冰方法研究。防冰方法是指在导线覆冰前采取各种技术措施使冰无法积覆，或即使积覆其荷载也能控制在可承受的范围内。
目前国内外防冰方法主要有: 在预知严重覆冰区的线路上附加热源或利用自身热源加热，使导线温度保持在冰点以上; 在输电线路表面涂上防冰涂料; 在高寒地区采用一种表面很光滑的防覆冰导线，达到防止覆冰的目的。
线路防冰研究今后应结合新型材料及其他学科的新技术，针对南方地区线路的覆冰特点，研究防止、减缓导线覆冰的新材料及实用、有效的防冰方法及装置。
6)融冰技术研究。融冰技术是利用大电流在导线上产生的热效应融化线路覆冰的技术。融冰具有高效、大面积的清除导线覆冰的特点。
目前国内外主要采用以下手段进行线路融冰: 增加负荷电流融冰; 装配融冰自耦变压器带负荷融冰; 短路融冰; 直流电流融冰，直流融冰是将覆冰线路作为负载，施加直流电源，用较低电压提供短路电流加热导线使覆冰融化。
融冰技术是抗冰保网的一道重要防线，今后应将融冰技术及装置作为研究的重点，在直流融冰技术，专用的融冰设备与融冰型导线等方面深入研究。
7)除冰技术研究。在深入研究融冰技术的同时，线路除冰新技术与变电站带电除冰技术也应作为今后研究工作的重点。应研制安全性好、自动化程度高、便携式的机械除冰工具，对不便进行融冰的线路进行机械除冰；针对变电站各种设备的覆冰特点，研究变电设备带电除冰的方法及除冰装置。
4 结 论
a)持续雨雪冰冻气候是此次电网大面积冰灾的直接导因，冰灾中线路设备大量损坏也反映出电网抵御严重自然灾害能力不足。
b)针对设备遭受破坏所反映出的问题，应从冰区划分、线路设计与改造、冰情监测与预警、冰闪防治、应急运行方式、融冰技术等方面采取对策与措施。
c)下一步应深入研究杆塔导线破坏特性、重覆冰下的线路设计参数、绝缘设备冰闪特性、防冰材料、除冰手段、融冰装置等。从多个环节提高电网抵御严重覆冰灾害的能力。
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胡 毅
胡 毅 1955 ，男，教授级高工，长期从
事输电线路研究。E mail:h uy
@w hvri
收稿日期 2008 02 13 编辑 蔡爱姣
国网武汉高压研究院陈维江院长接见印度CPRI 、印度U CL 和
日本V ISCA S 联合访问团一行
2008年1月30日，国网武汉高压研究院陈维江院长接见了印度中央电力研究院(CPRI)、印度环球电缆公司(UCL)和日本VISCAS
公司联合访问团。联合访问团由CPRI 电缆专家A.SUDH IN DRA 先生和S.RAM A PRA SAT H
先生,
UCL 技术副总裁R.C.Agraw al 先生和市场副总裁Amitav e Bose 先生,VISCAS 公司南寿俊先生和黄海银先生6位专家组成。访问团与国网武汉高压研究院就即将开
展的中印日3国四方联合科研项目进行了前期的技术交流。陈院长向来访客人介绍了国网武汉高压研究院的基本情况和主要科研领域及国家电网公司正在开展的特高压输变电工程的建设和国网武汉高压研究院在特高压关键技术研究领域所取得的成
绩。在与CPRI 的专家进行交流中，陈院长希望CPRI 与武高院继续加强联系，在高电压技术研究领域开展
更加广泛的技术交流与合作，并预祝这次中印日3国四方合作项目取得圆满成功。
(国网武汉高压研究院 供稿)
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