江西地區輸電線路覆冰事故分析及應對措施探討

劉陽

（中國電建集團江西省電力設計院有限公司，南昌330019）

1 引言

2008 年初，我國南方地區遭遇了大范圍持續性的低溫覆冰災害天氣，湖南、江西等地區的覆冰厚度達到40～60mm。整個災害導致了多條110～500kV 輸電線路出現倒塔現象，總計8 331 基，35～500kV 輸電線路停電多達上百條【1】。本次災害使得貴州、湖南、江西等省大面積斷水斷電，對國民經濟造成了巨大的經濟損失。

2018—2019 年，江西地區再次發生持續性凍雨天氣，冰害共導致32 條110kV 及以上輸電線路發生跳閘36 次，造成塔頭折損7 基，導線斷裂41 根、地線斷裂3 根、地線支架彎折1處。其中，2018 年初撫羅Ⅰ回倒塔4 基，夢永Ⅰ回倒塔1 基，地線支架1 處；撫羅Ⅱ回、夢永Ⅰ回各斷子導線6 根。

2 輸電線路覆冰災害的原因分析及危害

2.1 地形以及氣候原因

輸電線路導線覆冰需要具備的條件有：（1）溫度持續低于0℃以下；（2）具備足夠的濕度，一般指空氣濕度達到85%以上；（3）具有一定的速度，可使水滴在空氣中運動，一般風速約為5～15m/s。在這些條件都具備之后，空氣中的“凝結水”及落雪在觸碰到低于0℃的導線后，便會在導線表面形成結構。通常來說，自然條件下形成的導線覆冰密度一般從0.3×103～0.9×103kg/m3不等（但設計中覆冰密度按0.9×103kg/m3計算），按表觀特性主要分為雨凇、混合凇或硬霧凇、軟霧凇、霜凇等類型【2】。

覆冰形成的原因和地形也有很大關系，例如，高海拔地區、山坡中的迎風面，埡口，暴露的丘陵頂部、風道及水面上方覆冰都比較嚴重。

2.2 實際覆冰厚度遠超設計冰厚

在此次冰害中，部分線路的實測覆冰厚度已遠超設計冰厚（折算成標準冰厚），例如，500kV 撫羅Ⅰ回線路，根據現場折算的導線標準冰厚約為27mm，覆冰厚度均遠超線路10mm的設計標準，該線路2009 年投運，設計依據為DL/T 5092—1999《110～500kV 架空送電線路設計技術規程》和DL/T 5154—2002《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》。設計時未考慮不均勻冰工況對鐵塔結構的影響，因此，此次覆冰災害造成鐵塔塔頭折損破壞。

500kV 撫羅Ⅱ回線路現場折算成導線標準冰厚約為27mm，覆冰厚度也遠超線路10mm 的設計標準，但撫羅Ⅱ回線路是按照2008 年冰災之后的新規設計，鐵塔規劃設計時已考慮不均勻冰工況對鐵塔結構的影響，因此，鐵塔抗覆冰能力要強于撫羅I 回，在本次災害中發生斷線事故而未造成鐵塔損壞。

由此可見，遠超設計標準冰厚的覆冰會引起導地線過載，金具和鐵塔的重量不斷增加，直至導線、地線以及金具的斷裂。除此之外，隨著導線覆冰厚度增加，鐵塔所承受的荷載也在不斷地增大，最終鐵塔將無法承受如此大的荷載而產生嚴重的扭曲變形，構件破壞直至倒塔。

2.3 斷線及不均勻覆冰引起的鐵塔不平衡張力

鐵塔前后側由于檔距、高差等原因，使得前后側導線的覆冰不均勻，這種不均勻覆冰產生的不平衡張力過大，會使導線斷裂，絕緣子偏移。而導地線斷裂、金具損壞會引起不平衡張力的進一步增大，使得鐵塔發生扭轉或者彎曲，進而發生倒塔事故。當一個耐張段有一基鐵塔發生倒塔后，與其相鄰的鐵塔受到不平衡力張力更大，引起多米諾骨牌效應，造成大范圍鐵塔倒塔事故。

2.4 覆冰狀態下導線舞動

導線的不均勻覆冰會產生自激振蕩、舞動等現象，有可能造成導線斷線、金具損壞甚至發生倒塔。不均勻冰在風的激勵下會產生大振幅、低頻（0.1～3Hz）的自振，致使導線發生舞動。如果舞動的時間過長，將會使導線、金具、絕緣子串和鐵塔受到持續性的異常沖擊而產生疲勞破壞，同時，還會產生導線相間及相對的閃絡，嚴重威脅電網的安全運行【3】。

3 不同覆冰厚度對鐵塔結構的影響

導線覆冰的垂直荷重及不平衡張力是鐵塔所承受的主要荷載，隨著導線覆冰厚度的增加，桿塔所受到的垂直荷重和不平衡張力也在顯著增加。對事故鐵塔在實際使用條件下進行不同覆冰厚度的仿真模擬，當覆冰厚度增加5mm 時，垂直荷重約增加25%，不平衡張力約增加50%，因此，覆冰厚度對鐵塔不平衡張力影響更大。

正常情況下的鐵塔不平衡張力值在鐵塔可承受范圍之內。但是，由于實際工程中鐵塔的前后側檔距、高差、脫冰率不同等因素，鐵塔兩側往往會產生較大的不平衡張力。而一個耐張段中多檔之間覆冰率不同或不同時脫冰會造成本耐張段中某一基鐵塔的不平衡張力遠超設計值，而常規鐵塔設計時并未考慮該種情況，同時，由于桿塔處于山地，冰融化時容易出現不均勻融冰現象，從而加劇了鐵塔兩側的不平衡張力。鐵塔在不均勻冰工況下可能發生受彎或者受扭，當鐵塔所能承受的不平衡張力值超過極限后，鐵塔構件將會屈曲失穩，整個鐵塔發生扭轉、彎曲破壞，從而導致整條線路無法運行。

當覆冰厚度增加時，重覆冰對鐵塔產生了較大的垂直荷載以及不平衡張力，同時不平衡張力對鐵塔產生扭轉力矩。動載和靜載的共同作用使得橫擔桿件發生屈曲破壞，從而引起塔頭桿件屈曲，鐵塔主材破壞，發生倒塔事故。

4 輸電線路覆冰事故的防治措施

4.1 優化線路路徑方案

海拔高度是影響線路覆冰的主要因素之一，海拔每升高100m，平均氣溫降低0.6℃。因此，線路路徑選線時，應盡可能避開高海拔地區，同時設計檔距應當均勻。對于大檔距、大高差的鐵塔應該提高抗冰設計能力，同時處理好安全與投資之間的關系。

對于高山、孤立的山丘、風道、埡口、迎風坡、水庫上方、相對高差較大、連續上下山等易覆冰的微地形微氣區段，應加強線路鐵塔抗冰災害能力。

4.2 增加導線截面積

架空輸電線路中，導線的機械強度主要取決于導線鋼芯的截面積。為了降低覆冰對導線結構的影響程度，在選擇導線的過程中，應結合當地氣候的實際情況對導線進行合理的選擇。例如，在重覆冰地區應選用鋼芯截面積較大的導線，使導線的抗拉強度得以提高。采取此項措施能夠有效地提高導線的瞬時破壞應力，減小因覆冰情況導致斷線事故的發生。

4.3 提高安全系數

GB 50545—2010《110kV～750kV 架空輸電線路設計規范》中規定，導線在弧垂最低點的設計安全系數應不小于2.5，工程中導線的安全系數往往取2.8。在重覆冰地區建議提高導線的安全系數，這樣，可以減少導線的最大使用應力、有效降低導線的懸點應力及導線產生的荷載，顯著提高線路的安全運行能力。提高安全系數雖然降低了導線的使用應力，但同時也增大了弧垂，減少了檔距，增大整條輸電線路的投資，因此，此項措施適合不受弧垂控制的地區。

4.4 采用合理的除冰手段

當設計階段無法采取有效的抗冰措施時，應在運維階段考慮采用防冰和除冰的措施【4】。例如，人工除冰法、機械除冰法、采用熱力除冰法，被動脫冰法等方法，減少覆冰在導線上的積累。

除了上述措施之外，還應加強建設江西地區的覆冰情況觀測站，加強微地形、微氣象地區及以往覆冰受災線路的資料收集，細化優化江西地區冰區劃分，為輸電線路提供全面可靠的一手資料，使設計更為合理，從而降低覆冰災害事故的發生，提高輸電線路的安全正常運行水平，促進電網事業的持續健康發展【5】。

5 結語

冰雪具有極大的隨機性和復雜性，隨著江西高壓電網的建設，輸電線路覆冰災害是影響電網安全運行的重要因素。本文介紹了輸電線路覆冰及災害事故的主要原因，針對實際發生的覆冰事故分析了不同覆冰厚度對鐵塔結構的影響，最后對輸電線路的事故防治提出了幾點建議和預防措施：設計時應優化線路路徑方案，提高設計安全參數，增大導線截面面積；運行維護時應及時去除導線上的覆冰，防止冰雪積累，提高輸電線路的安全正常運行水平，促進江西地區電網事業的持續健康發展。