高海拔防冰綜合技術應用示范基地的建設

馬曉紅，陳勇，趙立進，柯磊，曾華榮，李巍（.貴州電力試驗研究院，貴陽 55000；.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢 430074）

高海拔防冰綜合技術應用示范基地的建設

馬曉紅1，陳勇2，趙立進1，柯磊2，曾華榮1，李巍1
（1.貴州電力試驗研究院，貴陽 550001；2.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢 430074）

建設具有防冰研究、試驗、應用等綜合功能的試驗基地，可滿足電網公司在防止線路冰災與輸變電工程方面的技術研究應用的要求，對于電網的安全運行具有重要意義。防冰綜合技術應用示范基地選址在具有高海拔、強風、雨水和自然覆冰等獨特自然條件的地區，本文詳細介紹了該基地的總體規劃、建設方案、主要試驗功能和技術特點；重點就高海拔特高壓自然覆冰交直流試驗線段、電網設備帶電覆冰觀測及考核場和戶外沖擊試驗場、高海拔人工氣候實驗室的功能設計等進行了研究和討論。基于該基地的地形條件與設備功能，能有效研究特高壓交直流輸電線路自然覆冰的變化規律，研究電網設備防冰、除冰、融冰方法和技術措施，并開展防冰減災的技術培訓等。

高海拔；自然覆冰；特高壓交直流試驗線段；示范基地

0　引言

電網覆冰是一種嚴重的自然災害，由其引發的冰災事故嚴重危害到電網的安全運行[1-2]。我國于1954年首次記錄到輸電線路覆冰事故。自此以后，輸電線路覆冰事故也不斷發生，其影響也隨著我國電網的高速發展不斷擴大。覆冰引起的停電事故給鐵路、交通運輸造成嚴重影響，給國民經濟發展和人民生活帶來巨大損失[3-4]。然而電網防冰一直是國內外尚未解決的技術難題，目前國家急需針對特高壓設備在不同環境條件下的電氣性能及抗擊自然災害能力的試驗研究。因此，為滿足電網防冰災、防污和輸變電工程技術研究和應用的要求，有必要建設電網防冰研究、試驗、應用示范基地，保障電網的安全運行[5-6]。

在國內自然覆冰試驗場建設方面，重慶大學2008年7月開始在湖南省雪峰山坪山塘建立自然覆冰試驗基地，架設了二基9m×9m×9m的雨凇塔，布置了長120m的各種型式單導線和分裂導線，導線端頭安裝了拉力傳感器；建成了一基500kV真型直線塔，架設3km的10kV試驗電源專線，該基地可開展導線覆冰、融冰、脫冰機理、絕緣子覆冰機理和放電特性、高海拔污穢絕緣子放電特性、雷電參數觀測與統計等多方面應用基礎理論和技術的研究[7]。2010年，國家電網公司在河南省尖山利用廢棄的五檔500kV線路用于研究覆冰導線舞動規律和防舞措施，主要目的是研究輸電線路舞動、振動特性及機理，研究防舞、防振、防風偏裝置評估與優化，研究除冰、融冰技術，研究新型導線的運行特性等[8]。2011年，國家電網公司在離長沙市中心約10公里的榔梨變電站旁建設現代化的輸變電設備防冰減災技術實驗室，其中輸電線路模擬實驗場架設了四基三檔共計770m的500kV試驗線路和一個觀冰架，配備了一套直流融冰裝置、3套冰情監測系統等完善的設施，主要目的是研究輸電線路的覆冰、融冰、防雷接地、導地線舞動等關鍵技術[9]。在國內自然覆冰相關試驗基地建設中，雪峰山坪山塘自然覆冰試驗基地沒有真型試驗線段，無法開展脫冰跳躍及線路舞動方面的研究；河南真型輸電線路綜合試驗基地，試驗線段不及1km，海拔較低，無法開展高海拔地區自然覆冰機理及相關應用方面研究；雪峰山輸變電設備防冰減災技術實驗室，模擬線段位于小沙江，線路長度及地理條件均不及本項目六盤水梅花山地區優越。

國外針對線路覆冰方面的研究較早，類似的實驗室如瑞典STRI的直徑18m、高22m覆冰實驗室[10]，加拿大魁北克大學席庫帝米分校的人工氣候室等[11]。在某些地區還搭建了真型桿塔及試驗段[12]。瑞典上世紀七十年代就已在戶外建設了線路覆冰試驗場，試驗研究真型桿塔和試驗線段的覆冰特性[13]，冰島、芬蘭、德國等國家在線路走廊附近架設簡易試驗線段，歐洲布置監測點總數達2000個，長期全面觀測、研究覆冰導線的規律和防冰的措施和方法[14]。國外環境自然覆冰主要是積雪，而在國內環境下的自然覆冰機理與國外環境下不盡相同，國內貴州六盤水梅花山地區屬于典型亞熱帶云貴高原山地季風濕潤氣候區，在水城西北部海拔1800m以上地區屬暖溫帶季風濕潤氣候區，覆冰主要屬于霧凇與混合淞，所以在六盤水梅花山典型地區建立一個集真型自然覆冰試驗線段、人工氣候實驗室、自然覆冰觀冰站等試驗場于一體的試驗基地，有利于推進國內防冰減災技術方面的研究達到國際水平。

六盤水防冰綜合技術應用示范基地（簡稱“示范基地”）以電網防冰減災為建設目標，結合六盤水梅花山地區特有的高海拔及覆冰氣候環境，建設關于防冰、融冰理論應用技術及變電設備覆冰觀測、考核試驗的重點示范基地。它也是國內首條高海拔地區集超、特高壓交直流自然覆冰試驗線段、人工氣候實驗室、防冰減災技術培訓及帶電作業技術培訓、交直流輸變電設備覆冰觀測及考核場于一體的綜合技術研究試驗基地，將填補國內外目前沒有相應的防冰減災綜合技術研究試驗基地的空白，推進電網公司在防冰減災技術的研究達到國際領先水平。

1　示范基地總體規劃

示范基地位于貴州六盤水市梅花山埡口地區。六盤水位于貴州省西部，海拔較高，降雨量大，具有典型的微氣候、小地形覆冰特征。特別是在梅花山地區，覆冰極其嚴重且類型多樣，持續時間長，屬于典型的高海拔覆冰環境，在國內外均具有普遍性，是研究電網覆冰的理想地點。

示范基地主要建設規劃如下：建設面積約5.2萬平方米，其中包含有長達800米的交流500kV等級/直流±800kV等級高壓交直流試驗線段、交流500kV等級/直流±800kV等級交、直流變電設備帶電覆冰觀測及考核場、3600kV/360kJ戶外試驗場、大/小型環境氣候實驗室、防冰綜合技術多功能展示廳以及其他配套設施。

示范基地的整體規劃圖如圖1所示：

依托示范基地的建設，研究人員可研究超、特高壓交直流輸電線路自然覆冰、風速風向、微氣象條件以及導線分裂方式對覆冰影響的變化規律，改進電網設備的各種防冰、除冰、融冰方法和技術措施，并開展防冰減災的技術培訓等。

圖1　示范基地的整體規劃圖Fig.1 Schematic plan of demonstration base

2　示范基地的各試驗區域的建設

2.1高海拔高壓交直流自然覆冰試驗線段

在示范基地建設的真型試驗線段是國內首條在高海拔地區長距離的真型超、特高壓自然覆冰交直流試驗線段，配置有相應的雨凇架等硬件設施，能開展導線自然覆冰機理、融冰機理、導線脫冰跳躍等理論性研究及防冰、除冰技術等應用性研究，填補國內外相關研究領域的空白[15]。高海拔高壓交直流自然覆冰試驗線段的建設是示范基地的建設重點。

圖2　試驗線段的地理環境Fig.2 Geographical environment on the test line

圖3　試驗線段側視圖Fig.3 Side view of the pilot line

示范基地真型試驗線段將建設在梅花山地區馬家水溝一帶。如圖2所示，考慮該區域的地形、地貌及主導風向等因素，示范基地真型試驗線段部分將從試驗場內出線，基本按西北-東南方向布置，沿S102省道方向依地形架設，不跨越省道。

超高壓交流試驗線段與特高壓直流試驗線段使用同一試驗線路，特別設計的多功能桿塔結構能滿足交直流試驗線段的機械強度及電氣性能的要求。為滿足同塔雙回線路及同塔架設不同電壓等級線路的相關試驗研究要求，直流線路配置2套雙極性直流電源（正負極各1套）。交流線路配置6臺單相工頻試驗電源（同塔雙回，同時工作）。為研究試驗線段在不同電流下的自然覆冰融冰特性，將配置1臺單相大電流升流器，輸出電流在100A-1500A范圍內可調。試驗線段的總長度規劃約為800米，其中觀冰區域預計長約400米，試驗線段由2基高60米耐張塔和2基高60米直線塔組成“耐—直—直—耐”三個檔距，設計的檔距分別為200米-300米-300米，如圖3所示。其中200米檔距為主要試驗檔距，桿塔結構形式為：1、2號桿塔采用門型多功能塔的設計；3、4號塔采用鼓型塔的設計，以此模擬實際輸電線路桿塔。

試驗線段上的桿塔都能架設不同分裂數的導線，每基桿塔可設置6層橫擔，滿足同塔雙回線路及同塔架設多電壓等級的線路要求。其中，1、2號多功能門型直線塔在下半部分設計搭建雨凇架，雨凇架設置兩層橫擔，橫擔設置多個掛點，可掛設不同型式、不同串型的絕緣子串開展相關自然覆冰試驗研究。

高海拔高壓交直流自然覆冰試驗線段為示范基地提供了良好的試驗硬件基礎，研究人員可據此分析不同結構的輸電線路在不同覆冰條件下塔線系統的動態力學特性，揭示單導線和分裂導線的覆冰及其舞動機理和防止舞動的方法等[16]，為我國高海拔、重覆冰區輸電線路的安全運行提供各方面的成果經驗。

圖4　考核場的效果圖Fig.4 Renderings of appraisal field

圖5　考核場的斷面圖Fig.5 Cross-sectional view of appraisal field

2.2交、直流變電設備帶電覆冰觀測及考核場

交、直流變電設備帶電覆冰觀測及考核場（簡稱“考核場”）的建設是示范基地的重要組成部分，依托考核場的建設研究人員能開展交、直流變電設備覆冰觀測及考核等相關試驗，檢驗交、直流變電設備的電氣性能和機械性能。

如圖4所示為考核場的效果圖。

考核場主要設施包括：

1）門型架，用于將試驗電源進線引入到考核場中；

2）考核設備布置區，在布置區內可架設不同電壓等級的交、直流變電設備進行考核；

3）噴淋系統，用于設備覆冰觀測及機械性能考核；

4）在線監測系統，用于覆冰觀測及實時監測設備運行情況。

考核場的試驗電源與試驗線段的部分試驗電源共用，可對110kV至500kV交流變電設備以及±100kV至±800kV直流電網設備開展考核試驗。如圖5所示為考核場的截面圖。

考核交、直流變電設備在覆冰條件下機械性能和電氣性能是考核場的首要功能。考核場分為交、直流變電設備考核區和交、直流變電設備覆冰考核區兩個部分組成。

交、直流變電設備帶電考核區：電源由試驗線段的出線經過考核區內架設的門型構架引入，通過連接金具與硬管母相連，支柱絕緣子支撐硬管母，A相出線依次與支柱避雷器、支柱絕緣子、電壓互感器、隔離開關、斷路器及支柱絕緣子相連接。在考核場管母下方設置多個支柱基礎，可安裝和更換不同電壓等級以及不同種類的變電設備。

交、直流變電設備覆冰考核區：在考核區內的考核設備上方架設了自來水管道，并通過噴霧器將自來水均勻地噴灑在考核設備上，噴霧器的噴水量可調節，以便于設備覆冰考核試驗的開展。根據GB/ T13601-92《高壓開關設備嚴重冰凍條件下的操作試驗》的規程要求，在與考核設備處的同一噴水量的地方水平放置一根直徑30毫米，長1000毫米的試棒，用以衡量現場的覆冰厚度。

考核場中還配置有泄漏電流在線監測裝置以及故障錄波裝置等設備，能對被考核設備在冰凍條件下的關鍵特征量進行連續監測，分析其隨時間及環境條件變化的規律，為判斷設備是否正常運行以及設備在冰凍條件下的防凍設計提供重要依據。

依托超、特高壓交直流變電設備自然覆冰考核場的建設，示范基地可實現超、特高壓變電設備的覆冰觀測及考核試驗，其研究成果將為超、特高壓直流輸電工程在高海拔重覆冰地區的建設、運行和維護提供技術支撐，從而推動電網公司在防冰減災方面的相關技術規范、導則和標準的制定和完善。

2.3高海拔人工氣候實驗室

輸變電設備在高海拔地區與平原地區的覆冰情況具有差異性，高海拔地區設備的覆冰問題更加嚴重。在特定的地理條件、氣候環境中，設備覆冰情況無法通過模擬仿真進行數值估算。人工氣候實驗室為示范基地提供了非自然環境冰期的冰凍環境條件，能模擬不同海拔高度及靈活的覆冰氣候條件，可進行不同海拔高度與自然覆冰機理方面的試驗性研究，人工覆冰及自然覆冰差異性研究等，對全面分析研究輸變電設備的覆冰機理有重要作用[17]。

示范基地建設大、小型環境氣候實驗室各1套。大型人工氣候實驗室用于對超、特高壓輸變電設備開展相關試驗研究；小型人工環境氣候實驗室用于模擬4000米以下海拔高度的覆冰環境，并開展相關試驗研究。

圖6　小型人工氣候實驗室設計示意圖Fig.6 Schematic design of small artificial climate laboratory

圖7　大型人工氣候實驗室三維效果圖Fig.7 Three-dimensional diagram of large artificial climate laboratory

如圖6所示，小型人工環境氣候實驗室由試驗電源，罐體和制冷裝置、抽真空裝置、噴水及噴霧裝置和測量控制裝置等部分組成。其中，配置的試驗電源為直流污穢試驗電源與工頻交流污穢電源各一套；配置真空泵，可模擬4000米海拔高度低氣壓氣象條件、低溫結冰條件（最低溫度-20℃）和人工污穢試驗條件。制冷系統由制冷機組、冷風機和送風管組成，制冷機為低溫螺桿式冷凝機組，冷風機吊掛于罐體頂部。小型人工環境氣候實驗室中可模擬4000米海拔高度下自然界形成的均勻凍雨環境，開展人工覆冰試驗。

高海拔超大型人工環境氣候實驗室由罐體，環境保障系統和試驗電源組成。其中環境保障系統由制冷裝置、噴水及噴霧裝置和測量控制裝置等部分組成。配置的試驗電源為±800kV直流污穢電源與500kV工頻交流污穢電源各一套，并配有監控操作室，是一個集污穢、覆冰試驗于一體的多功能特高壓實驗室。其效果圖如圖7所示。

人工環境氣候實驗室的建立為示范基地提供了非自然環境冰期的冰凍環境條件，滿足了示范基地在高海拔環境條件下開展不同覆冰程度下的輸變電設備外絕緣特性試驗研究和產品性能檢驗工作，全面提高了示范基地對輸變電設備在覆冰條件的試驗能力，為把防冰綜合技術示范基地打造成國內一流的綜合試驗基地的建設目標提供了重要的基礎設施。

2.4戶外試驗場的建設

戶外試驗場將配置3600kV/360kJ沖擊電壓發生器、±1200kV/50mA雙極性直流電源、750kV/1A工頻試驗電源等設備。試驗場內沖擊、工頻、直流設備呈三點分散布置，相互間留有足夠的距離，可以同時工作；必要時又可相互連接，進行聯合加壓等試驗。

在高海拔典型覆冰地區建設的戶外試驗場是示范基地的重要組成部分，能進行超高壓交流500kV系統、特高壓直流±800kV系統的電氣設備絕緣試驗等研究工作，并可開展母線、金具、導線等在自然覆冰環境下的電暈特性等方面的試驗研究，將對在自然覆冰條件下輸變電設備的放電特性、新型輸電技術和保護設備、新型測量和監測技術的理論研究和應用推廣有重要作用。

2.5示范基地中其他配套設施的建設

防冰綜合技術展示廳：主要用于防冰、除冰、融冰的技術交流。人員通過現場觀摩和互動操作，能形象了解防冰綜合技術應用六盤水示范基地及其在防冰、除冰、融冰方面所取得的成果。防冰綜合技術展示廳對促進示范基地防冰減災方面研究成果的轉化應用具有重要的意義。

帶電作業技術培訓系統：通過虛擬現實技術及三維模型建模顯示手段，結合示范基地在防冰減災的技術成果建立三維防冰減災實際操作系統，通過帶電作業技術培訓系統對除冰人員進行培訓考核，提高電網公司除冰人員的理論水平及實際操作水平。

3　結語

防冰綜合技術示范基地將是國內進行高海拔地區自然覆冰機理及融冰基礎理論與防冰、融冰理論應用技術方面的研究與進行變電設備覆冰觀測、考核試驗方面的重點示范基地。依托該地區高海拔、強風、雨水和自然覆冰的獨特自然環境條件，研究人員能進行研究各種電網設備防冰、除冰、融冰方法和技術措施，并開展防冰減災的技術培訓。基于在示范基地中取得的研究成果，電網公司可制定相關的防冰減災技術標準、導則和規范，推動電網公司在防冰減災領域的技術進步，同時可培養一批在國內外具有一定影響的專業技術人才和防冰減災管理人才，推進南方電網整體的防冰減災技術的研究達到國際領先水平。

[1] 李慶峰，范崢，吳穹. 全國輸電線路覆冰情況調研及事故分析[J]. 電網技術，2008，32（9）：33-36. LI Qing-feng，FAN Zheng，WU Qiong. Investigation of Ice-Covered Transmission Lines and Analysis on Transmission Line Failures Caused by Ice-Coating in China[J]. Power System Technology，2008，32（9）：33-36.

[2] 胡毅. 電網大面積冰災分析及對策探討[J]. 高電壓技術，2008，34（2）：215-219. HU Yi. Analysis and Countermeasures Discussion for Large Area Icing Accident on Power Grid[J]. High Voltage Engineering，2008，34（2）：215-219.

[3] 姚致清，劉濤. 直流融冰技術的研究及應用[J]. 電力系統保護與控制，2010，38（21）：57-62. YAO Zhi-qing，LIU Tao. Research & application on DC de-icing technology[J]. Power System Protection and Control，2010，36（10）：2418-2423.

[4] 舒印彪. 我國特高壓輸電的發展與實施[J]. 中國電力，2005，38（11）：1-8. SHU Yin-biao. Development and execution of UHV power transmission in China [J]. Electric Power，2005，38（11）：1-8.

[5] 王國利，李銳海，陸國慶. 特高壓工程技術（昆明）國家工程實驗室的功能和研究框架[T].南方電網技術，2010（3）：23-27. WANG Guo-li，LI Rui-hai，LU Guo-qing. Function and Key Research Works of NationaI Engineering Laboratory（Kunming）for UHV Engineering Technology[T]. Southern power system technology，2010 （3）：23-27.

[6] 黃新波，孫欽東. 導線覆冰的力學分析與覆冰在線監測系統[J]. 電力系統自動化，2007，31（14）：98-101. HUANG Xin-bo，SUN Qin-dong. Mechanical Analysis and Monitoring System of wire Icing [J]. Power Systems Automation，2007，31（14）：98-101.

[7] 劉為偉. 論架空送電線路抗冰害的對策[J]. 青海電力，2003（2）：13-18. LIU Wei-wei. Countermeasure discussion of overhead transmission line’s resisting the ice injury[J]. Qinghai Electric Power，2003（2） ：13-18.

[8] 吳榮. 輸電線路覆冰監測及預警探討[J]. 廣西電力，2008（4）：60-62. WU Rong. Transmission Line Icing Monitoring and Early Warning[J]. Guangxi Electric Power，2008（4）：60-62.

[9] 魏其巍. 電線覆冰機理分析及在工程設計中的應用[J]. 電力建設，2007，28（3）：26-28. WEI Qi-wei. Wire Icing Mechanism and Application in Engineering Design [J]. Electric Power Construction，2007，28（3）：26-28.

[10] 李鵬，范建斌，李武峰，等. 高壓直流輸電線路的覆冰閃絡特性[J]. 電網技術，2006，30（17）：74-78. LI Peng，FANJian-bin，LI Wu-feng，et al. Icingflashover performance of HVDC transmission lines[J]. Power System Technology，2006，30（17）：74-78.

[11] 劉和云，周迪，付俊萍，等. 導線雨淞覆冰預測簡單模型的研究[J]. 中國電機工程學報，2001，21（4）：44-47. LIU He-yun，ZHOU Di，FU Jun-ping，et al. A simple model for predicting glaze loads on wires[J]. Proceedings of the CSEE，2001，21（4）：44-47.

[12] 李成榕，呂玉珍，崔翔. 冰雪災害條件下我國電網安全運行面臨的問題[J]. 電網技術，2008，32（4）：14-22. LI Cheng-rong，LV Yu-zhen，CUI Xiang. Research Issues for Safe Operation of Power Grid in China under Ice-Snow Disasters[J]. Power System Technology，2008，32（4） ：14-22.

[13] 張連花，金穎. 輸電線路脫冰跳躍研究及防治[J]. 新型工業化，2014，4（6）：31-36，42. ZHANG Lianhua，JIN Ying. Research of Ice-Shedding from Overhead Transmission Line[J]. The Journal of New Industrialization，2014，4（6）：31-36，42.

[14] 朱功輝，孫浩，曲毅. 輸電線路覆冰預警一體化應用平臺研究[J]. 南方電網技術，2009，3（5）：9-12. ZHU Gonghui，SUN Hao，QU Yi. Study on the Integrative Icing-Alarm Application Platform for Power Transmission Lines[J]. Southern Power System Technology，2009，3（5） ：9-12.

[15] 謝秦，劉冬梅. 含有分布式電源（光伏）的配電網若干問題研究[J]. 新型工業化，2014，08：22-29. XIE Qin，LIU Dong-mei. Study on Several Problems of Distribution Network with Solar Power[J]. The Journal of New Industrialization，2014，08：22-29.

[16] 李萬平. 覆冰導線群的動態氣動力特性[J]. 空氣動力學學報，2000，18（4）：413-419. LI Wan-ping. Dynamic Aerodynamic Characteristics of the Galloping of Bundled Iced Power Transmission Lines [J]. Acta Aerodynamica Sinica，2000，18（4）：413-419.

[17] 唐海軍，雷冬云. 短線路融冰方法及分析[J]. 湖南電力，2006，（6）：26-28，33. TANG Hai-jun，LEI Dong-yun. Analysis and method of ice-melting on short transmission line[J]. Hunan Electric Power，2006，（6） ：26-28，33.

[18] Fu Ping，Farzaneh M. Simulation of the ice accretion process on a transmission line cable with differential twisting[J]. Canadian Journal of Civil Engineering，2007，34（2） ：147-155.

The Construction of Anti-icing Technology Demonstration Base in High Altitude Area

MA Xiao-hong1, CHEN Yong2, ZHAO Li-jin1, KE Lei2, ZENG Hua-rong1, LI Wei1
(1.Guizhou Power Test & Research Institute, GuiYang 550001, China; 2.WuHan NARI Limited Company of State Grid Electric Power Research Institute, WuHan 430074, China)

In order to meet the power grid company to prevent icing disaster and power transmission engineering technology research and application, the construction of anti ice research, experiment and application of integrated functions of the test base is of great significance for the safe operation of the power grid. Anti icing comprehensive technology application demonstration base in the area with high altitude, strong wind, rain and natural ice cover and other unique natural conditions of the region. This paper introduces in detail the base of the overall planning, construction scheme, main testing functions and technical features of; focus on and discussed the high altitude UHV icing and DC test line, grid equipment charged Ice Observation and examination field and outdoor blow test field, high altitude artificial climate laboratory of functional design. Based on the base of the terrain conditions and equipment function, we can effective research on UHV AC and DC transmission line icing and variation, studying power equipment anti icing and deicing and melting ice methods and technical measures, and to carry out anti ice disaster reduction of technical training and so on.

High altitude; Natural iced; Uhv ac/dc test line; Demonstration bas

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.11.03

MA Xiao-hong, CHEN Yong, ZHAO Li-jin, et al. The Construction of Anti-icing Technology Demonstration Base in High Altitude A rea[J]. The Journal of New Industrialization，2015，5（11）: 13-19.

馬曉紅（1978-）女，碩士，高級工程師，從事高電壓技術、防冰技術的研究、應用及相關管理工作

本文引用格式：馬曉紅，陳勇，趙立進，等. 高海拔防冰綜合技術應用示范基地的建設[J]. 新型工業化，2015，5（11）：13-19.