基于輸電線路覆冰舞動原因宏觀分析及措施的創新

郭克竹

（國網塔城供電公司，新疆 塔城 834700）

0 引 言

輸電線路覆冰是一種分布相當廣泛的自然現象，在線路設計和運維方面是最為關心和需要解決的問題。本案例基于2015年11月27日至12月9日，新疆北疆地區持續受暖濕氣流影響，塔城、阿勒泰和博州地區相繼發生輸電線路大面積覆冰斷股、斷線及跳閘事故，僅塔城電網跳閘事故就發生41次。根據不同的故障現場環境和設備灼傷部位，國網塔城供電公司對近年來覆冰跳閘事故數據開展分析和治理方案研究，結合地域實際特點形成了覆冰舞動治理體系。鑒于塔城區域內覆冰多以混合淞為主，覆冰重量及程度對導地線電氣間隙影響大，對桿塔強度影響較小，因此覆冰改造方案的重點考慮了提高導、地線的抗覆冰能力，以降低覆冰跳閘造成的電網危害。2016年完成了覆冰改造項目的實施，成效形成案例在今后的設計評審和運維中重點加以關注，最大限度的避免案例中類似情況，降低線路設備跳閘和停運率[1-2]。

1 塔城地區線路覆冰概述

塔城地區線路覆冰主要集中于瑪依塔斯風區，該風區位于新疆西北部的額敏縣、托里縣境內，地處世界著名風口“老風口”東風風區上游。“瑪依塔斯”和“老風口”被稱為兩個“世界級”風區，因地處塔額盆地和準格爾盆地中間，受兩側風壓變化影響，常年有風；同時該區域的風復雜、多變，東、西風刮起來，各自形成一條風帶，而且更替快，冬季“風借雪勢、雪助風威”，形成了強烈的“風吹雪”災害氣象，個別路段出現“雪盲”現象，如圖1所示。大風交替之頻、風速之快、移雪量之大，皆為“世界罕見”，如圖2所示。

圖1 瑪依塔斯區域風吹雪產生的雪盲

圖2 瑪依塔斯風區地形圖

2 塔城地區典型覆冰形成過程

覆冰的氣象成因極其復雜，其強度還受微地形、微氣候的影響，在自然條件下常見的線路覆冰現象有雨凇、霧凇、濕雪和混合覆冰等類型。一般影響線路覆冰大小的主要因素有氣象條件、地形地貌及輸電線特征，氣象條件包括氣溫、相對濕度、風速及風向，地形地貌包括山脈走向、山體部位、海拔及水資源等，電線特征包括掛高、線徑等。在覆冰形成過程中，近地面氣溫和天氣現象是決定覆冰種類的兩個關鍵因素，二者結合決定了覆冰的物理過程[3]。根據現場調查并結合瑪依塔斯氣象站搜集資料可知，2015年11月27日至12月09日期間，空氣相對濕度在40%～90%，長時間氣溫在-6～5 ℃，且霧氣較大；風速基本介于2.0～10.0 m/s。圖3為覆冰檢測過程。

圖3 覆冰檢測過程

從現有資料分析，本次覆冰類型以晶狀霧凇、粒狀霧凇為主，如圖4所示，并混有部分濕雪（Ф100～200 mm），霧凇和濕雪的密度介于0.1～0.4 g/cm3，經計算后換算成設計覆冰厚度，本次導線設計覆冰冰厚應大于20 mm，超出設計10～15 mm厚度。瑪依塔斯區域是塔城電網重要輸電線路的主要通道，因覆冰跳閘重合成功率較低，為避免跨網事故，塔城公司預案中要求跳閘后立即強行試送。11月29日4時12分至12時48分期間，塔城電網同時9條次線路跳閘，其中含瑪依塔斯區域內3條220 kV和4條110 kV線路，進入塔城“三縣一市”的5條通道僅有1條110 kV鐵冬線運行，可謂“命懸一線”，由于冬季負荷低，滿足了當時用電需求，但是就在10 min強送完成后，110 kV鐵冬線跳閘，覆冰險些造成四級電網事故。因此，該地區覆冰危害遠遠大于鳥害、雷擊等災害[4]。

圖4 覆冰類型

3 典型覆冰事故案例

3.1 抗覆冰能力薄弱塔型導致跳閘

該塔型垂直排列水平偏移量不足，特別是耐張塔為傘型塔，直線塔為鼓型塔，導、地線上下層間有空間交叉，地線或OPGW光纜無電流，表面溫度低，且架設位置高于導線更易覆冰。經現場觀測，地線或OPGW光纜抗拉強度弱于導線，導致其覆冰弧垂下降幅度大于導線，造成與導線距離不足，易產生放電現象。

事故案例一為110 kV福沙線401號塔至403號塔與110 kV豐沙線183號塔至185號塔同塔架設段；案例二110 kV鐵依線85號塔至89號塔與110 kV清依線238號塔至242號塔同塔架設段。

3.2 導地線電氣間隙不足

案例一，架空地線、OPGW光纜覆冰后，抗冰能力不足，覆冰后弧垂增大對導線距離不足，受風影響造成地線水平受力或脫冰擺動與導線距離不足形成故障跳閘，最具代表的是220 kV安額線，如圖5所示。由于地線覆冰過載導致49號-50號鐵塔架空地線下垂，與C相導線間安全距離不足，引起導、地線間空氣放電，造成架空地線斷股，進而導致線路跳閘。

圖5 安額線49號至50號覆冰和架空地線覆冰事故斷股

案例二，線路交叉跨越，交叉上層導線覆冰后弧垂增大，與下方線路地線放電形成故障跳閘，最具代表性的是220 kV安額線。由于導線覆冰過載形成43號至44號鐵塔A相導線下垂，與下方鉆越110 kV清依線205號至206號架空地線間距離不足，引起線路跳閘事故，如圖6所示。

圖6 安額線43號-44號擋距相導線灼傷

案例三，線路換相塔檔中因換相導線間、地線與導線存在空間交叉，覆冰下垂或脫冰跳躍引起跳閘事故。該類事故的發生在塔城220 kV線路較突出，如220 kV鐵額線47號-48號、112號-113號間跳閘，均為線路換相檔中覆冰引起。

3.3 覆冰導致塔材受損

導線覆冰后導線垂直荷載增加，導線掛點塔材受力過大造成塔材斷裂，導線與下方山體距離不足形成故障跳閘，110 kV鐵黃線22號至26號塔間事故故障為其代表性故障。22號至23號桿塔間存在山包，在惡劣氣象條件下，線路覆冰后22號、23號、26號鐵塔的導線掛點塔材撕裂，導線對地距離不足，造成導線與地放電斷線事故，如圖7所示。

4 防覆冰改造

覆冰事故發生后塔城供電公司高度重視，多次組織開展重要輸電通道風險評估與治理，認真分析總結后期改造重點和方向。首先，主體網架需要加強，規劃項目中調整進入塔城線路廊道，杜絕同區域多條線路集中覆冰事故情況發生。其次，根據此次事故分析事故的共性問題，同范圍、同區域覆冰，橫風及交叉角大的位置發生率占80%以上，覆冰發生率遠遠大于順風區域，后期重點加強橫風區域改造治理[5]。形成主要措施如下。

圖7 鐵黃線覆冰導致導線掛點拉斷

（1）對同塔雙回路架設線路，特別是橫風及交叉角大的位置將垂直排列線路改造為水平排列的單回路。

（2）換相區段結合750 kV線路換相經驗，將傳統多基完成換相的塔更換為塔身帶換相支架的新型塔，塔身處完成換相，避免導地線空中交叉[6]。

（3）橫風舞動大檔距區域，采取加塔縮短檔距、加裝相間間隔棒和防舞器及集中安裝防振錘等治理方案，如圖8所示。

圖8 導線加裝相間間隔棒現場

（4）覆冰舞動嚴重區域，采取更換相間距離大的塔型。例如，110 kV鐵依線與110 kV清依線同塔架設段，將抗覆冰薄弱的塔型更換成抗覆冰強的塔型，如圖9所示。

（5）線路覆冰后垂直荷載增加引起塔材斷裂的，第一是加鐵塔縮短檔距，第二是增加耐張塔縮短耐張段距離，第三是更換斷裂處塔材。

（6）利用技改資金完成瑪依塔斯覆冰區域的覆冰預警裝置安裝，利用裝置大量搜取信息為將來分析、預防覆冰提供數據支持。

圖9 鐵依線與清依線同塔架設段改造前后

5 效果和經驗

經氣象專業數據顯示，塔城地區2015年11月27日至12月9日，2016年11月2日至12月21日均受厄爾尼諾現象天氣影響，塔城電網同樣發生大面積覆冰，但是2016年通過項目完成的防覆冰改造區段，除了110 kV清依線OPGW光纜覆冰斷裂造成跳閘外（設計未更換），其余完成改造位置均經受了同等氣象條件的覆冰考驗，設備運行正常。然而2016年冬至2017年春的大面積覆冰事故表明，盡管這些措施是有效的，但面對如此嚴重的冰害，尚不能滿足建設和安全運行的需要，因此必須把預防電網覆冰災害工作放到更加重要的位置，后期將在規劃、可研、評審、建設等前端采取“避、抗、融、改、防、研”多措并舉，積極防治電網覆冰災害。

6 結 論

本文研究分析了塔城地區覆冰的形成過程，提出覆冰種類以及覆冰物理過程的決定性因素為近地面氣溫和天氣現象。通過分析研究覆冰典型案例，表明覆冰后導、地線安全距離不足導致塔型的抗冰能力下降并形成跳閘，同時還會損毀塔材。因此，提出了相應的防止覆冰的措施，并進行線路改造。改造后覆冰防護效果明顯，減少了跳閘的次數。但依然存在著嚴重冰害下的防護難題需要在今后的研究和實踐中解決。