電網(wǎng)覆冰的風險管理

王建 劉輝

電網(wǎng)工程在冬季往往面臨低溫冰雪考驗，所以加強電網(wǎng)覆冰的風險管理非常必要。目前，電網(wǎng)覆冰風險管理措施主要有融冰或除冰兩種方法。電網(wǎng)覆冰一旦形成，處理起來不僅需要耗費大量能源和維護成本，還會因外力干預對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生較大影響。因此，需要從根本上降低或消除覆冰的風險，提高輸電線路本身對冰雪的抵御能力。本文總結(jié)了防冰、抗冰的常見方法，梳理了近年來輸電導線防冰專利的情況，并從專利申請、獲批和存量專利有效性的角度，分析了輸電導線覆冰風險管理的有效措施，從而有助于提高電網(wǎng)覆冰的風險管理能力。

電網(wǎng)覆冰的嚴重危害

輸電導線及設備覆冰是電力系統(tǒng)運行中面臨的常見現(xiàn)象。這種現(xiàn)象易引起輸電線路載荷增加、不平衡張力、舞動，導致倒塔、斷線、脫冰跳躍、閃絡等一系列事故，嚴重影響輸電線路安全可靠、可持續(xù)運行。同時，常見的除冰措施安全系數(shù)和除冰效率較低，可能導致對電力設施的二次傷害，容易造成導線損壞和絕緣性能降低。

世界上很多國家都遭受過嚴重電網(wǎng)覆冰災害。如1998年，美加兩國大冰災造成超過3 000km的電力網(wǎng)絡受到影響，約1 000座高壓輸電桿塔、43 000座配電桿塔倒塌，10 000臺變壓器需要修復，電網(wǎng)系統(tǒng)的維修費用約為8億美元，經(jīng)濟損失約為35億美元。1999年，法國冰災造成38條主要輸電線路停運，5GW電力不能送出，超過350萬戶居民停電。2005年，瑞典南部遭受嚴重暴風雪災害，造成電網(wǎng)系統(tǒng)、通信、鐵路及公路等長時間停運，65萬人得不到電力供應，電網(wǎng)修復時間長達7周。2005年，德國冰災造成70多條輸電線路倒塌，20萬用戶被停電。

我國電力系統(tǒng)近年來也頻頻遭受冰雪影響。2008年，我國南方區(qū)域電網(wǎng)發(fā)生罕見的大冰災，僅湖南省一個月內(nèi)持續(xù)發(fā)生斷線、倒塌事故，導致500kV及以下電網(wǎng)大量線路和變電站頻繁跳閘、停運。據(jù)統(tǒng)計，35kV及以上變電站發(fā)生全站停運或局部停運的有380座，10kV及以上線路倒塔及損壞68 089基、斷線52 380處，低壓線路倒桿斷桿330 450基 、 斷線367 673處。南方電網(wǎng)10kV 及以上線路被迫停運7 541條，35kV及以上變電站被迫停運859座，10kV及以上線路倒桿倒塔及損壞126 247基。2016年，我國電力系統(tǒng)再次受強降雪影響，湖南、四川、廣東等多地電網(wǎng)線路被積雪覆蓋，其中，僅云南昭通一市就有300余條線路遭受冰雪覆蓋，其中500kV線路幾乎全部覆冰，220kV和110kV線路分別呈現(xiàn)70%和28%覆冰狀態(tài)。

電網(wǎng)覆冰常見處理方法

目前，國內(nèi)外覆冰管理方法主要針對覆冰后的處理，有30余種，可劃分為三種類型：熱力融冰法、 機械除冰法、自然除冰法。

熱力融冰法

熱力融冰法可分為交流融冰法和直流融冰法，是通過電網(wǎng)自身潮流使導線發(fā)熱或增加額外熱源使冰雪在導線上無法積覆，或使已經(jīng)積覆的冰雪融化。這是目前公認的解決架空導線覆冰問題最直接、有效、可靠的除冰方法。熱力融冰法雖然簡單易行，但適用范圍一般局限在220kV以下電網(wǎng)，尚難以應用于更高電壓等級的電網(wǎng)。同時，該方法存在改變網(wǎng)絡潮流分布、增加大量能量消耗等缺點。

機械除冰法

機械除冰法是通對覆冰設備施加機械力，促使設備上的覆冰在機械力的作用下脫落。機械除冰法多種多樣，其中用于輸電線路除冰的方法主要有“AD HOC”除冰法、滑輪刮鏟法、電磁脈沖除冰法及新興的機器人除冰法等。

“AD HOC”除冰法是利用外力將冰層的物理結(jié)構(gòu)破壞而使之脫落的方法。一般可采用直升機、絕緣作業(yè)工具車、起重機或手工除冰的方式。此類方法安全系數(shù)與除冰效率較低，容易造成電力設施損傷。

滑輪刮鏟法是操作者在地面上牽引覆冰導線上的滑輪滑動，使得導線上的冰層脫落的方法。此方法需要考慮操作者的實際除冰經(jīng)驗。

電磁脈沖除冰法是通過給整流器施加觸發(fā)脈沖，使電容器沖擊放電和電流通過線圈產(chǎn)生脈沖磁場，從而使在線圈附近的導線產(chǎn)生渦流，渦流的磁場與線圈磁場產(chǎn)生斥力，最終使導線產(chǎn)生擴張，脈沖消失后導線收縮到原狀態(tài)，反復地擴張和收縮使導線表面的覆冰脹裂掉落。

機器人除冰法是在線路上使用移動的機械代替人工進行除冰，這樣減少了人工操作的危險性。

自然除冰法

自然除冰法是在導線上安裝阻雪環(huán)、平衡錘等裝置可使導線上的覆冰堆積到一定程度時，由風力或其他自然力的作用使冰雪自行脫落。該方法簡單易行，但可能因不均勻或不同期脫冰產(chǎn)生導線跳躍，易引起線路事故。目前，正在研究中的輸電線路的防覆冰涂料也是一種被動的除冰方法。

新技術(shù)對覆冰風險管理的影響

傳統(tǒng)覆冰風險管理方法通常是在覆冰發(fā)生后采取相應措施，對覆冰進行處理。從風險管理的角度來看，這類方法應歸為風險接受，屬于被動式的風險管理。近年來，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)涌現(xiàn)出許多創(chuàng)新的覆冰風險管理方法：有的在覆冰風險出現(xiàn)前就進行規(guī)避，大幅減輕覆冰風險發(fā)生概率；有的在覆冰風險發(fā)生后消除風險。這些新技術(shù)的出現(xiàn)往往是從申請相應的發(fā)明專利或?qū)嵱眯滦蛯＠_始的，因此從專利角度進行技術(shù)梳理和分類，易對覆冰管理未來的發(fā)展方向形成清晰的認知。

覆冰專利發(fā)展趨勢

在中文專利檢索系統(tǒng)中，以相關(guān)關(guān)鍵詞進行組合檢索，結(jié)果顯示：2008年以前，相關(guān)研究較少；2008年至今，約有539項專利申請，其中發(fā)明專利申請約288項，實用新型專利申請約251項。申請人大多集中在國家電網(wǎng)有限公司及其下轄單位，其專利申請數(shù)量約232項。各年度發(fā)明專利和實用新型專利的申請量和授權(quán)量如圖1所示。

從圖1可知，防冰相關(guān)專利申請量2008年之前較少，2009—2011年申請量逐漸增多，2012—2016年維持在較高水平，2017年后逐步下滑。這種變化規(guī)律與行業(yè)發(fā)展方向和趨勢相契合。2008年以前我國電力系統(tǒng)受冰災影響較小，2008年遭遇前所未有的冰雪襲擊，防冰抗冰成為學術(shù)研究和生產(chǎn)運行的熱點問題。經(jīng)過多年的研究和管理創(chuàng)新，已經(jīng)初步形成了一套有效的風險預防和管控的戰(zhàn)略組合。

新技術(shù)對覆冰風險管理的對策

傳統(tǒng)的除冰方法雖然有大量重要的研究成果，也在實踐中取得很多成功的案例，但就方法而言，大多聚焦覆冰以后的應對策略，而疏于冰雪發(fā)生前的風險預防，是相對被動的做法。為了更積極主動地防范冰雪災害，減少或消除覆冰對電網(wǎng)運行的影響，應深入研究覆冰的成因及我國的地理冰區(qū)特點，從工程設計之初就盡量避免冰雪影響。同時，應鼓勵創(chuàng)新、積極試用新的導線和相關(guān)設備，在本質(zhì)上降低覆冰風險。目前，從專利申請量及專利創(chuàng)新性等角度來看，我國抗冰導線及相關(guān)研究領域包括抗冰預警系統(tǒng)、新型融冰導線、新型不結(jié)冰導線、復合導線涂層技術(shù)等，對覆冰風險管理都有積極的作用。

（1）抗冰預警系統(tǒng)。我國幅員遼闊，輸電導線需跨越不同氣候條件的地域，這給冰雪的檢查和預警帶來極大困難。然而，借助現(xiàn)代信息技術(shù)，研制全天候?qū)崟r冰雪預警系統(tǒng)成為可能。根據(jù)預警系統(tǒng)，可以靈活調(diào)整運維方案，有針對性地檢查電力系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，做到防冰于未然。金少輝等人提出采用設置觀測絕緣子并建立預警中心數(shù)據(jù)庫的方法，通過觀察絕緣子串拉力變化判斷覆冰情況。孫萌等人提出利用在線監(jiān)測技術(shù)，對比覆冰歷史數(shù)據(jù)，建立感知能力強、快速響應的高效抗冰預警體系，扭轉(zhuǎn)人工觀冰的現(xiàn)狀。

（2）新型融冰導線。電流經(jīng)過輸電導線會自然產(chǎn)生熱量，熱力融冰法即源于此原理。將此原理進一步發(fā)展，通過改變導線的結(jié)構(gòu)或材料，可控地增加線路發(fā)熱量，可以大幅提高融冰的效率。蔡成良等人研究了一種耐熱鋁合金絞線，提高導線的載流量，可減少融冰所需電量。肖明訓等人提出了一種復合導線融冰技術(shù)，融冰時通過開關(guān)切換導流面積，提高發(fā)熱量、加速融冰。黎基華等人公開了一種具有加熱功能的防結(jié)冰電纜，該電纜設有螺旋狀結(jié)構(gòu)的加熱體，通過采用超疏水材料可實現(xiàn)防水和防冰效果。沈勃等人公布了一種帶有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的絕緣支架和凹槽的電力線纜，可以改善電力線纜發(fā)熱變形問題。孫文浩等人公布了一種多層結(jié)構(gòu)架空地線，通過溫度傳感器感知外界溫度，當外部溫度達限后啟動加熱電阻絲，避免外部結(jié)冰。盛春敏等人提出一種多層OPGW光纜，在其中增加可發(fā)熱導線用于融冰。

（3）新型不結(jié)冰導線。除通過使導線發(fā)熱抑制覆冰或融化覆冰外，還有一種改變導線的外部特性，使冰雪難以附著，從而達到防冰的目的。石玉龍等人公開了一種被動型防冰輸電線路，通過設置特殊的受力結(jié)構(gòu)和防冰卡槽，使冰雪無法附著、累積在防冰罩上，起到主動防冰的作用。這種方法不消耗能量，也無須人工維護。

（4）復合導線涂層技術(shù)。復合導線涂層技術(shù)可以不改變原有輸電線路的導線、絕緣子、鐵塔現(xiàn)狀，將防覆冰納米復合涂料涂在導線、絕緣子、金具、鐵塔等位置，有效防止和預防電力系統(tǒng)及通信網(wǎng)絡的覆冰，直接增強其抗冰能力。涂層技術(shù)不需要改造或只需局部改造原電網(wǎng)，資金投入較少。鄢國平等人公布了一種由有機氟硅復合高分子材料、納米材料、固化劑、溶劑、填料組成的復合涂層材料。翟廣坤等人公布了一種氟化改性硅樹脂和基于硅樹脂氟化改性的超疏水涂層，該涂層還同時具有防污效果。陸佳政等人公布了一種附著于導線本體上的聚能層和附著于聚能層上的高透自清潔層，該涂層可在線噴涂，造價低廉。

結(jié)語

本文針對電網(wǎng)安全運行中的覆冰風險及相應風險管理方法進行了詳細論述。從風險管理的角度來看，傳統(tǒng)融冰和除冰方法屬于風險被動接受。雖然經(jīng)過多年的發(fā)展和實踐，被證明具有一定的效果，但是這些方法的技術(shù)前景和可持續(xù)性欠佳。隨著科學技術(shù)發(fā)展，多種著眼于風險規(guī)避、風險減輕的新的覆冰管理技術(shù)開始出現(xiàn)，經(jīng)過不斷的實踐和優(yōu)化，必然會取得越來越好的抗覆冰效果。

王建，高級工程師，就職于電力規(guī)劃設計總院，主要從事電力市場規(guī)則、輸配電價定價機制、電力工程工程造價及財務評價等相關(guān)研究工作。

劉輝（等同第一作者），助理研究員，就職于國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，主要從事國內(nèi)專利及PCT國際專利的審查及復審工作。