電力線路設計中的覆冰風險預測及應對措施分析

廣東寶慶建設工程有限公司 郭環宙

1 智慧電力系統設計

1.1 智慧電力設計的要求

隨著電力在社會終端能源消費占比的提高，提高輸配電線路運行穩定性和可靠性，對于保證社會的電力可靠供應具有重要的意義。近年來，冰雪等惡劣氣候對輸配電線路帶來了較大的考驗，在惡劣天氣條件下，極易發生線路倒塔、短路、舞動或者是冰閃等線路事故，并可能會引發大面積停電。為此，在現代輸配電系統設計中，可以采用智慧電力的設計理念，提高輸配電線路設計水平。在智慧電力設計當中，應遵循輸配電線路的基本設計導則，對各種惡劣氣候條件進行深入調研和分析，并采用智能化方法準確預測出可能會出現的風險，從而有針對性地在線路設計階段就采取相應的預防性措施，達到智慧電力設計的目的。

1.2 智慧電力設計技術現狀

在目前實際運行的輸電線路中，都是根據以前頒布的輸電線路設計導則進行施工建設的，但以前采用的較多舊設計導則現如今已經廢止。同時，在以往的輸電線路設計中，對各種復雜的氣象條件也沒有考慮得很充分，包括風、覆冰、雪、雨等，導致后續輸電線路在實際運行中遇到問題。輸電線路在這些復雜氣象條件下運行，都會增加輸電線路所承受的載荷，故在現有輸電線路中出現過因大風而導致輸電線路鐵塔倒塔，或者是因覆冰導致鐵塔倒塔等事故[1]。這些實際輸電線路事故表明，按照以往的設計規范所設計的線路存在著較大的安全運行風險，降低輸電線路的運行安全水平，存在著薄弱環節，需要對輸電線路中的薄弱環節進行辨識。目前，智慧電力設計技術應用深度還有待提高，需要進一步加強智能化技術和電力設計技術之間的深度融合。

1.3 智慧電力管理的應用趨勢

隨著電力生產智能化水平的提高，智能化管理技術可以滲透到輸電、變電、配電和用電等多個不同的環節當中。本文著重分析利用智能化技術，來強化電力線路的設計，從而使得所設計的方案能夠具有一定的前瞻性。同時，智慧電力管理是今后電力行業的主流發展方向，對于提高企業的精細化管理水平將具有重要的促進意義。

2 電力線路設計中的覆冰影響分析

2.1 電力線路覆冰發生的原因

根據線路覆冰形成機理的不同，電力線路發生覆冰的種類主要包括了雨凇、霧凇、雪凇以及混合凇等。首先對于霧凇，當電力線路的溫度低于零點時，濃霧就會附著在電力線路上，并形成放射狀的晶體，如圖1所示，更容易出現在一些氣候較為濕潤的地區。

圖1 電力線路出現霧凇情況

其次是雨凇，當直徑較大的雨降落到電力線路上，會在線路的表面出現結冰現象，其附著力強，對電力線路的危害也較大。再次是雪凇，雪花可以直接在電力線路上附著，同時還存在著濕化的現象，形成濕雪覆冰。最后是混合凇，即同時存在上述幾種覆冰情況，是幾種覆冰的結合體。

2.2 電力線路覆冰的危害

經過對當前輸電線路運行數據的統計分析，發現對輸電線路危害較大的影響因素為冰雪天氣，在冰雪天氣下輸電線路發生事故的次數最多。冰雪條件下，對輸電線路的危害主要表現為以下幾點：一是當輸電線路上發生覆冰情況時，覆積厚度會越來越厚，給輸電線路增加了較大的載荷，運行壓力不斷提高。當厚度達到一定程度時，最終超過輸電線路所能夠承受的最大載荷，導致出現輸電線路鐵塔倒塔或者是桿塔被壓彎等情況[2]。同時，由于在輸電線路上附著了較厚的冰塊，故當輸電線路在受到大風的影響時，更容易導致輸電線路出現倒塔情況，或者是輸電線路發生嚴重的搖晃現象。

二是輸電線路在冰雪條件下會容易發生污閃情況，為了避免輸電線路出現閃絡的情況，需要加強對輸電線路中污穢的定期清理，并且對覆冰厚度加以控制，才能夠避免覆冰對輸電線路運行造成的影響。

三是在冰雪條件下輸電線路容易發生接地短路事故。當覆冰厚度較高時，此時輸電線路的整體重量也會得到明顯增加，如果線路出現了斷線則就造成了接地短路事故。

四是輸電線路壓垮問題，當輸電線路某個部位的覆冰情況較為嚴重時，此時會導致輸電線路在耐張端出現張力不平衡的情況，此時輸電線路中的耐張桿塔就容易發現向一側傾倒的事故，進而發展為整條輸電線路倒塌的事故。

2.3 覆冰對電力線路設計的影響

在電力線路的設計過程中，需要考慮當地的地形條件，還需要考慮到當地的氣候條件，如果當地存在覆冰情況，則對電力設計也應提高要求。覆冰對電力線路設計的影響主要表現在以下幾點：一是出現覆冰情況的地段一般海拔較高，并且是位于山區，給氣象數據觀測帶來較大的困難，并且對覆冰的厚度也難以確定，使得難以準確確定抗冰的等級[3]。二是由于覆冰會增加電力線路的重量，故在實際的電力設計當中，需要對電力線路采取加固技術手段，從而提高電力線路的機械強度。三是覆冰可能會使得相鄰導線之間出現閃絡，甚至可能會引起絕緣子脫落的情況，這也是需要在電力線路設計中加以考慮的影響因素。

3 電力線路設計中的覆冰風險預測分析

隨著電力系統規模的擴大，輸電線路所覆蓋的區域也越來越廣，所面臨的氣象條件也越來越復雜，如果輸電線路應對如強風、雨雪等惡劣天氣的能力較為不足，在實際中則容易出現輸電線路倒塔或者斷線等事故。為此，本文研究分析了在復雜氣象條件下，對輸電線路中覆冰風險進行預測及辨識方法，并且介紹了對這些覆冰風險加以應對的技術措施，從而可以有效提高輸電線路應對各種氣象的能力，保證電力的安全生產。

3.1 覆冰風險預測模型的構建

可以采用神經網絡技術來建立覆冰風險預測模型，神經網絡技術的類型較多，如BP 神經網絡技術、GA-BP 神經網絡技術等，不同類型的神經網絡算法，在實際計算中流程有所不同，本文以BP 神經網絡技術為例，分析覆冰風險預測模型的構建。在神經網絡技術當中，包括了多個不同的神經元，從結構上可分為輸入層、隱含層和輸出層等三個不同的數據計算層次，輸入數據經過隱含層的處理之后，再經過輸出層，得出具體的計算結果，其中對于輸入層，可以選取關鍵的特征量作為輸入元素，圖2為利用氣象參數建立線路覆冰模型結構圖。

圖2 利用氣象參數建立線路覆冰模型

在電力線路覆冰預測模型當中，自變量為線路當地的環境溫度、濕度、風速等，這些數據可以從當地的氣象局來獲取。因變量為線路是否覆冰，用1來表示有覆冰情況，用0來表示無覆冰情況。通過神經網絡技術當中的輸入層、隱含層和輸出層等樣本數據訓練，就可以得出電力線路在某一時刻發生覆冰風險的概率，并采用下式進行表示：

式中：P 表示某一時刻電力線路發生覆冰風險的概率；N 表示樣本數據總數；n 表示樣本總數中可能出現覆冰風險的樣本數。

3.2 覆冰風險預測模型的求解流程

當建立好電力線路覆冰風險預測模型之后，還需要按照所規定的流程進行求解，保證所得到的電力線路覆冰風險預測結果的準確性，圖3為覆冰風險預測模型的求解流程。

圖3 覆冰風險預測模型的求解流程

從圖3分析中可知，在對電力線路覆冰風險進行預測前，需要先對氣象數據進行預處理，這樣才方便后期預測程序對數據的計算。并且在預處理過程中，還可以將一些壞數據加以剔除，從而提高電力線路覆冰風險預測的準確度。

對某電力企業11個項目的電力線路設計數據進行分析，并將數據輸入到電力線路覆冰風險預測模型當中，經過計算，所得出的風險預測值如圖4所示。

圖4 電力線路覆冰風險的預測值

一般輸配電線路的電壓等級越低，則線路抗冰性能越弱，需要在抗冰能力較弱的區段采取加固措施。

4 電力線路設計中覆冰風險的應對措施分析

為了提高電力線路的抗冰水平，需要采取必要的措施加以應對，下文具體分析優化電力線路路徑、縮短耐張段的長度、電力線路典型塔的加固補強等措施。

4.1 優化電力線路路徑

在電力線路的設計過程中，可以優化電力線路所經過的路徑，盡量避開覆冰高風險區域。同時，在高山的風口處，由于該區域的溫度一般偏低，并且風力相對較強，容易在電力線路上出現覆冰的情況，覆冰的厚度也相對較大，故有必要繞過該區域。如果有樹木倒下，也會導致電力線路出現斷線情況。

4.2 縮短耐張段的長度

縮短耐張段的長度，也是提高電力線路抗冰能力的重要措施。一般在電力線路設計過程中，對于輕冰區域，耐張段的長度應該在10km 的范圍內，對于中冰區域，應該在5km 的范圍內，對于重冰區，應該在3km 的范圍內，按照這個原則進行設計，可以有效保障電力線路的運行安全。

4.3 電力線路典型塔的加固補強

對輸電線路典型塔采取措施進行加固補強，是提高電力線路堅強性的關鍵措施。對輸電線路典型塔的優化加固，包括對輸電線路桁架結構的截面進行優化加固、拓撲結構進行優化加固以及桁架結構的形狀進行優化加固等。以桁架結構的截面進行優化加固為例進行分析，其屬于組合優化技術范疇，即從各類輸電線路截面組合方案中，需要最佳的截面組成方案[4]。當輸電線路較長，涉及的優化變量數較多時，此時截面的組合數也快速增長，屬于大規模的組合優化問題。為此，可以利用蟻群算法來處理這類大規模優化問題，該算法能夠較好地處理眾多的優化變量和規模較大的可行解數量，其優化加固的流程圖如圖5所示。

圖5 輸電線路桁架結構的截面優化加固計算流程圖

從圖5輸電線路桁架結構的截面優化加固計算流程圖中可以看出，首先將輸電線路結構模型中的相關變量進行初始化，之后再進行輸電線路結構的承載力數據。如果當前輸電線路的承載力不滿足安全穩定運行約束條件，則需要利用蟻群算法重新尋找線路截面組合方案，并在迭代計算過程中不斷更新尋找最優解的路徑。當計算到滿足算法的收斂條件時，將輸電線路的結構截面優化計算結果輸出，程序計算結束，從而得出了輸電線路的截面組合優化技術方案。

對輸電線路覆冰風險關鍵環節采取加固措施，可在追加投入少的情況下顯著提高在運輸電線路的承載能力，避免因不同天氣以及傳統設計不足引發的輸電塔壓彎、網絡閃絡、污閃、接地短路，甚至輸電線路壓垮等問題，提高輸電線路應對惡劣天氣的能力，確保電網運行的安全和穩定。

4.4 輸電線路新材料的合理應用

為了有效避免經常出現的覆冰現象，應積極采用新型材料建造空中傳輸線，這樣能夠更好地強化空中傳輸線的運行效果，可以選用芯部復合軟鋁線，其結構是采用新材料制成的基本螺紋，單根桿的主要材料是碳纖維和玻璃涂層，這樣就可以逐漸更換替代傳統的基礎導線，從而更好地避免出現安全隱患，這種新型導線具有耐高溫、大容量的優點，可以取代傳統的鋁合金材料，并且還能夠滿足經濟、安全、環保的需求，同時可及時科學合理地架設防導冰線。導線必須積極采用科學合理的布置方法，一般采用水平布置方式。在選擇線路路徑時，還要快速避開冷熱空氣交織的區域。

5 結論

通過采用本文所分析的電力線路設計中的覆冰風險預測及應對措施，可以準確反映并辨識出在不同天氣條件下，輸電線路中可能發生的覆冰風險，從而以低成本提高輸電線路的安全運行能力，防止輸電設備因天氣原因而受到損壞。同時，采用該技術也可以提高供電可靠性，降低電力系統的停電風險和停電經濟損失，從而提高電力用戶的用電滿意度。此外，由于輸電線路運行更為堅強，故輸電設備的使用壽命也相對更長，也更能夠防止輸電線路發生人身傷亡等安全事故。