輸電線路冰災(zāi)事故原因及按新國標(biāo)提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的措施

徐大成，黃欲成，柏曉路，韓鵬飛

（中南電力設(shè)計院，湖北 武漢 430071）

2008年初，我國南方大部分地區(qū)出現(xiàn)了持續(xù)的大范圍災(zāi)害性冰雪天氣，此次雨雪冰凍天氣過程影響持續(xù)時間長、涉及范圍廣、危害程度大，給這些地區(qū)的電力造成嚴(yán)重影響。由于輸電線路覆冰嚴(yán)重，導(dǎo)致多條輸電線路鐵塔、導(dǎo)線、絕緣子、金具等遭到不同程度的損壞[1-3]。

此次電網(wǎng)大面積冰災(zāi)的教訓(xùn)讓我們明白：今后我國的復(fù)雜大電網(wǎng)可能要越來越多地經(jīng)受大面積覆冰的考驗[4-5]，大電網(wǎng)覆冰災(zāi)害問題將會更加突出。因此，研究冰雪災(zāi)害條件下復(fù)雜大電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實意義。

以2008年全國輸電線路的冰災(zāi)情況為背景，主要分析此次覆冰倒塔的原因和特點，提出電網(wǎng)加強(qiáng)抗冰能力的設(shè)計措施，并對新國標(biāo)中提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和修訂完善的條款進(jìn)行簡單的分析。

1 2008年500 kV輸電線路冰害情況

根據(jù)“電網(wǎng)覆冰災(zāi)害技術(shù)研究專家組成立暨第一次會議紀(jì)要”的統(tǒng)計，2008年全國500 kV線路損壞59條，共計倒塔957基、桿塔局部受損189基。其中15mm及以下輕、中冰區(qū)占93.8%，20mm及以上重冰區(qū)占6.2%。

在倒塔總基數(shù)中，直線塔占89.9%，耐張塔占10.1%，在受損桿塔中，大多數(shù)是地線支架破壞，部分是導(dǎo)線橫擔(dān)破壞，同時在湖南、江西等覆冰較重地區(qū)絕緣子串覆冰多呈現(xiàn)冰柱橋接狀態(tài)，導(dǎo)致覆冰閃絡(luò)情況時有發(fā)生。2008年中國因冰災(zāi)引起的500 kV線路倒塔事故情況統(tǒng)計見表1。

表1 2008年冰災(zāi)500 kV輸電線路倒塔及受損情況統(tǒng)計表

2 覆冰倒塔的特點

1）受災(zāi)嚴(yán)重地區(qū)主要分布在山區(qū)。主要是因為山區(qū)海拔較而且塔位多處于山頂、風(fēng)道、埡口地帶或山的陰面，這些地區(qū)容易形成嚴(yán)重覆冰，同時山區(qū)線路高差較大，檔距分布相對不均勻，導(dǎo)線在嚴(yán)重覆冰后對桿塔產(chǎn)生較大的縱向張力差。各類地形雨凇積冰的直徑見表2。

表2 各類地形雨凇積冰直徑mm

從表2可以看出，山頂、迎風(fēng)坡的覆冰厚度是窄河谷和高地的2耀4倍。因此，線路經(jīng)過相對突出高聳地形或相鄰檔距大小懸殊，宜按微地形處理，適當(dāng)提高桿塔抗冰強(qiáng)度，需采用能承受一定張力差的直線桿塔或采用耐張桿塔開斷。

2）輕、中冰區(qū)抗覆冰過載能力明顯不足。從此次冰災(zāi)輸電線路倒塔情況來看，15 mm及以下輕、中冰區(qū)倒塔占93.8%，而20 mm及以上重冰區(qū)僅占6.2%。

3）直線塔抗覆冰能力非常弱，在15 mm及以下冰區(qū)直線塔倒塔占該冰區(qū)倒塔總基數(shù)的92.1%。

4）從桿塔局部受損情況看，大多數(shù)為地線支架破壞。主要是由于地線偏高并且不帶電，導(dǎo)致地線覆冰嚴(yán)重，超過了地線的最大覆冰厚度（現(xiàn)場收集的覆冰資料亦證明了這一點），從而導(dǎo)致鐵塔尤其是直線塔的地線支架受損破壞。

3 覆冰倒塔原因

2008年我國南方大部分地區(qū)發(fā)生的持續(xù)性低溫雨雪冰凍極端天氣為歷史罕見。超過50年一遇，部分地區(qū)達(dá)百年一遇。特別是冰雪天氣持續(xù)時間長達(dá)一個月，電線多次反復(fù)結(jié)冰，增加了災(zāi)害的嚴(yán)重程度，近20天的大氣環(huán)流異常是造成這次大范圍低溫雨雪冰凍災(zāi)害的根本原因。輸電線路導(dǎo)線覆冰表現(xiàn)特征為雨凇，雨凇使得覆冰厚度大大超過了原設(shè)計邊界條件。覆冰導(dǎo)致輸電線路機(jī)械性能和電氣性能下降是造成覆冰事故的最直接原因，主要表現(xiàn)在4個方面[6-7]：

3.1 嚴(yán)重覆冰引起過荷載

覆冰會增加所有支持結(jié)構(gòu)和金具的垂直荷載；輸電線路水平荷載也會隨著導(dǎo)線迎風(fēng)面覆冰厚度的增加而增加。嚴(yán)重覆冰會造成導(dǎo)線、地線斷裂，桿塔倒塌，金具損壞。常規(guī)500 kV輸電線路導(dǎo)線多為鋼芯鋁絞線LGJ-400/35和LGJ-400/50，地線多為鍍鋅鋼絞線GJ-80和GJ-100。對上面4種導(dǎo)地線的過載能力進(jìn)行計算，計算結(jié)果如表3。

表3 導(dǎo)、地線的覆冰過載能力（當(dāng)t=-5℃，V=15 m/s時）mm

由表3所知，在2008年冰災(zāi)中，大部分地區(qū)覆冰厚度達(dá)到30耀40 mm，個別地區(qū)甚至達(dá)到50 mm以上，均過了導(dǎo)地線的最大覆冰厚度，導(dǎo)致導(dǎo)地線的斷線、鐵塔受損。

3.2 不均勻覆冰、不同期脫冰引起縱向張力差

當(dāng)相鄰檔導(dǎo)線不均勻覆冰或不同期脫冰時，會產(chǎn)生不平衡張力差，使導(dǎo)線縮頸和斷裂、絕緣子損傷和破裂、桿塔橫擔(dān)扭轉(zhuǎn)和變形，同時還會導(dǎo)致線間電氣間隙減小，導(dǎo)致導(dǎo)線放電燒傷，而斷線的沖擊荷載作用將鐵塔扭壞。

為分析不平衡縱向張力差對常規(guī)500 kV輸電線路桿塔荷載的影響，我們以LGJ-400/50和A3/S3A-465/60導(dǎo)線為例，計算模型如表4、表5所示，對線路在不均勻覆冰的條件下進(jìn)行簡單的模擬計算[8-9]，計算懸垂型桿塔、耐張型桿塔不平衡張力列于表6、表7。

表4 懸垂型桿塔不平衡張力計算模型

表5 耐張型桿塔不平衡張力計算模型

表6 懸垂型桿塔不平衡張力百分?jǐn)?shù)

從表6、表7可以看出上述2種導(dǎo)線在不均勻覆冰情況下所受的縱向不平衡張力隨著覆冰的加大而加大，可導(dǎo)致嚴(yán)重梯級覆冰產(chǎn)生的縱向不平衡張力遠(yuǎn)超過桿塔設(shè)計荷載的情況。

3.3 絕緣子串覆冰閃絡(luò)

絕緣子覆冰或被冰凌橋接后，絕緣強(qiáng)度下降，泄漏距離縮短；融冰過程中冰體表面的水膜會溶解污穢物中的電解質(zhì)，提高融冰水或冰面水膜的導(dǎo)電率，引起絕緣子串電壓分布的畸變，從而降低覆冰絕緣子串的閃絡(luò)電壓，形成閃絡(luò)事故。分析歷次冰閃跳閘的主要原因及影響因素為：

表7 耐張型桿塔不平衡張力百分?jǐn)?shù)

表8 不同冰區(qū)不均勻覆冰的導(dǎo)地線不平衡張力取值表

表9 不同冰區(qū)斷線張力取值表

1）空氣環(huán)境中污穢較重使冰閃跳閘易于發(fā)生。雨凇時大氣中的污穢伴隨凍雨沉積在絕緣子表面形成覆冰并逐漸加重，在絕緣子傘裙間形成冰橋，一旦天氣轉(zhuǎn)暖則在冰橋表面形成高電導(dǎo)率的融冰水膜，同時桿塔橫擔(dān)上流下的融冰水也直接降低絕緣子串的絕緣性能。另外融冰過程中局部出現(xiàn)的空氣間隙使沿串電壓分布極不均勻，導(dǎo)致局部首先起弧并沿冰橋發(fā)展成貫穿性閃絡(luò)。

2）覆冰過厚致使爬距減小，從而使絕緣子串耐壓降低。部分絕緣子串覆冰過厚完全形成冰柱，絕緣子串爬距大大減少，且融冰時冰柱表面沿串形成貫通型水膜，耐壓水平降低導(dǎo)致沿冰柱貫通性閃絡(luò)。

3）絕緣子串型式明顯影響冰閃發(fā)生率。統(tǒng)計表明冰閃基本上發(fā)生在懸垂串，未發(fā)現(xiàn)耐張和V型串絕緣子冰閃，說明冰閃幾率與絕緣子串組裝型式密切相關(guān)。其原因一是耐張串和V型串上冰凌不容易橋接傘間間隙；二是該串型本身自清洗效果好,串上積污量少；三是融冰時該串型上難以形成對冰閃發(fā)生至關(guān)重要的貫通性水膜。

4）冰閃與環(huán)境溫度變化直接相關(guān)。一般在溫度較低的夜間結(jié)冰時段沿絕緣子串的冰柱表面難以出現(xiàn)貫通性導(dǎo)電水膜，沿串電壓分布也相對均勻，故不易冰閃；而溫度相對較高的白天正午時段冰體表面開始融化，常是冰閃高峰時段。較長的冰雪天氣時常是結(jié)冰與融冰交錯出現(xiàn)，冰閃也會反復(fù)發(fā)生，而短時冰雪天氣冰閃則集中于升溫的融冰期。

3.4 不均勻覆冰導(dǎo)致導(dǎo)線舞動

不均勻覆冰會使導(dǎo)線產(chǎn)生自激振蕩和舞動，從而造成金具損壞、導(dǎo)線斷股及桿塔傾斜或倒塌等現(xiàn)象。舞動原因是導(dǎo)地線不均勻覆冰后，在風(fēng)的激勵下產(chǎn)生低頻率、大振幅自激振動。舞動時氣溫0耀6益，導(dǎo)線覆冰厚度20耀40 mm，風(fēng)速4耀25 m/s，風(fēng)向與線路走向夾角逸45毅。舞動使部分雙串玻璃絕緣子相互碰撞，舞動的沖擊力使絕緣子球頭斷裂導(dǎo)致掉串。舞動幅值基本正比于風(fēng)速，但有防舞裝置的區(qū)段舞動幅度明顯減弱。近幾年導(dǎo)線舞動中因絕緣子球頭斷裂而掉串已有多次，說明少量絕緣子球頭存在機(jī)械強(qiáng)度缺陷，在舞動的強(qiáng)大沖擊力作用下造成掉串事故。

4 按新國標(biāo)提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及抗冰加固方案

為防止輸電線路因覆冰而倒塔和受損情況的再次發(fā)生，電力行業(yè)許多專家依據(jù)《110耀500 kV架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)定》、《重覆冰架空輸電線路設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則》等規(guī)程規(guī)范，并汲取以往運(yùn)行經(jīng)驗和國際上輸電線路抗覆冰相關(guān)經(jīng)驗，在現(xiàn)有線路設(shè)計規(guī)程的基礎(chǔ)上，組織完成了《110耀750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》（GB50545-2010）、《重覆冰架空輸電線路設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 5440-2009）等多本技術(shù)規(guī)范[10-11]。

4.1 縮小耐張段長度

對于新建工程需提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，完全按照新的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)重新設(shè)計建設(shè)。線路路徑宜避開重冰區(qū)、易舞動地區(qū)及影響安全運(yùn)行的其他區(qū)域；輕、中、重冰區(qū)的耐張段長度不宜大于10 km、5 km、3 km，且在高差或檔距相差懸殊的山區(qū)或重冰區(qū)等運(yùn)行條件較差的地段，耐張段長度應(yīng)適當(dāng)縮短；500 kV輸電線路的氣象條件重現(xiàn)期取50年，統(tǒng)計風(fēng)速取離地面10 m高作為基準(zhǔn)高度。

4.2 抗冰加固措施

除了以上方法，針對覆冰倒塔的原因和特點，還宜采取以下抗冰加固措施。

1）由于2008年冰災(zāi)很多發(fā)生在輕、重冰區(qū)交界處，因此應(yīng)將重冰區(qū)適當(dāng)延長，而且應(yīng)在傳統(tǒng)輕冰區(qū)和重冰區(qū)設(shè)計條件的基礎(chǔ)上按新規(guī)程增加10耀20 mm中冰區(qū)技術(shù)條件。

2）從桿塔局部受損情況來看，大多數(shù)為地線支架破壞，這主要是由于地線偏高并且不帶電，導(dǎo)致地線覆冰嚴(yán)重，從而導(dǎo)致鐵塔尤其是直線塔地線支架受損破壞。因此，有必要提高地線支架的抗覆冰承載能力。應(yīng)按新規(guī)程對鐵塔地線支架較導(dǎo)線加大5 mm覆冰設(shè)計；應(yīng)按表8、表9所示新規(guī)程[11]計算不平衡張力和斷線情況，加強(qiáng)桿塔和地線支架。

3）對于重冰區(qū)，在同一耐張段內(nèi)，每隔4耀5基直線塔，應(yīng)設(shè)置1基加強(qiáng)型直線塔以防止串倒。

4）重要輸電線路的重要性系數(shù)取1.1，使其安全等級在原有標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)一步提高。對于跨越主干鐵路、高等級公路等重要設(shè)施及運(yùn)行搶修特別困難的局部區(qū)段線路，提高標(biāo)準(zhǔn)改建，必要時按稀有覆冰條件進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度驗算，重要跨越宜采用獨立耐張段，并校核覆冰條件下對交叉跨越物的間隙距離。

5）對有條件的地段，考慮優(yōu)化線路路徑改道方案，盡量降低線路的平均海拔，避開重冰區(qū)。對于相對高聳、突出、暴露，或山區(qū)風(fēng)道、埡口、抬升氣流的迎風(fēng)坡、較易覆冰等微地形,微氣象區(qū)段，以及相對高差較大、連續(xù)上下山等局部地段的線路進(jìn)行重點復(fù)核,對大檔距大高差的地段，桿塔應(yīng)加強(qiáng)一級使用，以加強(qiáng)設(shè)計。

4.3 防舞動措施

1）通過改變導(dǎo)線特性來抑制舞動，多數(shù)防舞器屬于此類，包括失諧擺、抑制扭振型防舞器、雙擺防舞器、整體式偏心重錘等。

2）采用通過提高導(dǎo)線系統(tǒng)的自阻尼來抑制舞動的終端阻尼器。

3）采用通過提高風(fēng)動阻力來達(dá)到抑制舞動而研制的空氣動力阻尼器。

4）采用通過擾亂沿檔氣流來達(dá)到抑制舞動的擾流防舞器。

5）采用通過各種防覆冰措施來達(dá)到抑制舞動使用防雪導(dǎo)線以及大電流融冰等。

6）提高導(dǎo)線的運(yùn)行張力和縮短檔距也可收到一定的抑制舞動的效果。

設(shè)計時應(yīng)根據(jù)不同工程各線路舞動的情況，選擇合適的防舞動的措施。

4.4 其他措施

為保證輸電線路的安全，除需在設(shè)計上加強(qiáng)之外，還要采取其他方法保證輸電線路的正常運(yùn)行，如采用融冰措施保障線路的安全[7]，建立觀冰站，采用在線監(jiān)測覆冰情況等措施。

5 結(jié)語

1）發(fā)生冰災(zāi)的主要原因為線路覆冰超過了設(shè)計值。

2）微地形，微氣象地區(qū)極易覆冰，在輕重冰區(qū)交界處、海拔高相對突出和高聳地區(qū)為事故多發(fā)地段，適當(dāng)縮短耐張段長度。

3）大高差，大檔距，前后檔距相差過大的地帶極易發(fā)生不均勻覆冰，且容易產(chǎn)生較大的縱向不平衡張力，是大部分輕冰區(qū)直線塔倒塔的原因，所以對輕冰區(qū)直線塔的不平衡張力和斷線張力應(yīng)按新企標(biāo)重新取值，加強(qiáng)設(shè)計。

4）根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，大部分鐵塔均是地線支架先受到破壞?？芍鼐€支架的抗覆冰能力明顯不足，應(yīng)較導(dǎo)線加強(qiáng)5 mm覆冰設(shè)計，且500 kV及以上的輸電線路地線用鍍鋅絞線最小的標(biāo)稱截面不應(yīng)小于80 mm2（無冰區(qū)）和100 mm2（有冰區(qū)）。

5）根據(jù)線路所在區(qū)域特點可采取倒“V”串、“V”串等措施來防冰閃，加防舞裝置等措施來防舞動。

[1]翟海燕,趙明,李本瑜,等.2008年云南電網(wǎng)抗擊冰災(zāi)繼電保護(hù)技術(shù)措施[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2008,2（2）:40-43.

[2]熊媛,黃新,張薇薇,等.冰災(zāi)期間貴陽地區(qū)低周減載方案[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2008,2（2）:37-39.

[3]許樹楷,楊煜,傅闖.南方電網(wǎng)直流融冰方案仿真研究[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2008,2（2）:31-36.

[4]許樹楷,黎小林,饒宏,等.南方電網(wǎng)500 kW直流融冰裝置樣機(jī)的研制和試驗[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2008,2（4）:32-36.

[5]金曉華.對覆冰區(qū)輸電線桿塔加固和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)修訂的建議[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2008,2（2）:44-48.

[6]黃強(qiáng),王家紅,歐名勇.2005年湖南冰災(zāi)事故分析及其應(yīng)對措施[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005,29（24）:16-19.

[7]劉有飛,吳素農(nóng),袁彥.淺談輸電線路覆冰導(dǎo)致電力倒塔原因及相關(guān)建議[J].華中電力,2008,21（1）:71-72.

[8]國家電力公司東北電力設(shè)計院.電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊[M].北京：中國電力出版社，2003.

[9]肖智宏,劉學(xué)軍,李顯鑫,等.對架空輸電線路設(shè)計企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的解讀[J].電力技術(shù)經(jīng)濟(jì),2009,21（5）:40-45.

[10]中國電力企業(yè)聯(lián)合會.GB50545-2010 110kV耀750kV架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[11]中國電力工程顧問集團(tuán).DL/T5440-2009重覆冰架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)范[S].成都：西南電力設(shè)計院出版社，2009.

[12]蔣興良，易輝.輸電線路覆冰及防護(hù)[M].北京：中國電力出版社，2002.