分析高壓輸電線路抗冰災(zāi)的相關(guān)問題及解決對策

摘要：高壓輸電線路是電力傳輸?shù)纳€工程，隨著我國高壓、超高壓和特高壓電網(wǎng)的建設(shè)，輸電線路覆冰問題是影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要因素，覆冰事故已嚴(yán)重威脅了我國電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此，在輸電網(wǎng)絡(luò)防冰除冰工作中，應(yīng)把預(yù)防電網(wǎng)冰雪災(zāi)害工作放到更加重要的位置，重視輸電網(wǎng)絡(luò)覆冰的理論研究，認(rèn)真分析冰災(zāi)原因，不斷研究新技術(shù)、新方法，提高防冰水平的建議。

關(guān)鍵詞：高壓輸電線路;覆冰模型;斷線沖擊;可靠性;模型實(shí)驗(yàn)

1 輸電線路覆冰存在的問題及不足

（1）關(guān)于雨凇覆冰模型預(yù)測的研究。由于導(dǎo)線覆冰受氣象、地形及地理?xiàng)l件、導(dǎo)線結(jié)構(gòu)和表面電場等影響，因此目前國內(nèi)外關(guān)于導(dǎo)線覆冰機(jī)理和模型的研究成果依然不很完善。引發(fā)導(dǎo)（地）線斷線和倒塔的覆冰多為雨凇覆冰，盡管國內(nèi)外提出了幾種雨凇覆冰模型，但這些模型在預(yù)測同一氣象條件下的覆冰荷載時差別較大，需對模型進(jìn)行修正方可應(yīng)用。此外，沒有針對規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)按不同的氣象區(qū)給出相應(yīng)的雨凇覆冰模型的確切公式。再者，對于導(dǎo)地線和桿塔的覆冰只給出了均勻覆冰情況的模型，沒有進(jìn)一步給出非均勻覆冰模型。對于鐵塔的覆冰模型，目前只有角鋼塔的均勻覆冰模型，對于鋼管塔、組合結(jié)構(gòu)塔及其它格構(gòu)式桿塔的均勻和非均勻覆冰模型尚有待于進(jìn)一步研究。

（2）覆冰斷線倒塔破壞機(jī)理的研究。以往關(guān)于輸電線路覆冰斷線倒塔破壞機(jī)理的研究只從靜力學(xué)角度出發(fā)，沒有考慮斷線沖擊荷載的影響，并缺少理論和模型實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。研究輸電線路斷線沒有考慮導(dǎo)（地）線覆冰、輸電塔覆冰的影響，沒有充分考慮塔- 線耦合。導(dǎo)（地）線覆冰以后，彈性模量和剛度以及導(dǎo)（地）線的比載都發(fā)生了變化，覆冰斷線和無覆冰斷線的沖擊動力響應(yīng)有很大的區(qū)別。輸電線路斷線倒塔不僅和斷線沖擊荷載有關(guān)，而且與輸電塔本身覆冰荷載有關(guān)。

2 輸電線路覆冰的嚴(yán)重影響

①線路負(fù)重過大。送電線路覆冰后，不但垂直荷載大，同時桿塔兩側(cè)電線的不均勻覆冰會產(chǎn)生一定的縱向張力差，使桿塔的受力情況比較嚴(yán)重且復(fù)雜，當(dāng)出現(xiàn)罕見的暴雪冰載時將使桿塔產(chǎn)生破壞。

②輸電線路不均勻覆冰或不同時期脫冰、輸電線路舞動、線路絕緣子冰閃等。

2008年的冰災(zāi)尤為突出，此次災(zāi)害勢頭猛、時間長、范圍廣。由于大范圍凍雨滴水成冰，覆冰厚度嚴(yán)重超過我國現(xiàn)行的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致大面積倒塔（桿）斷線。

3進(jìn)一步研究的問題及解決的對策

3.1 輸電線路雨凇覆冰模型的研究

（1）通過大量的調(diào)研，了解我國主要冰災(zāi)地區(qū)如華中、華東、華南、西南等地區(qū)近50a來冰災(zāi)發(fā)生情況，主要包括覆冰形成機(jī)理、覆冰類型、輸電線路破壞情況，同時掌握各地氣象臺站近年來提供的有關(guān)氣象資料，為各典型氣象區(qū)雨凇覆冰模型預(yù)測的研究提供資料積累。

（2）深入揭示架空導(dǎo)線覆冰機(jī)理、準(zhǔn)確描述覆冰過程的增長模型，應(yīng)該反映出導(dǎo)線結(jié)構(gòu)、環(huán)境因素和氣象條件對導(dǎo)線覆冰形式、冰形生長方式和結(jié)冰熱物理過程及流體力學(xué)的耦合影響和作用機(jī)制;并能在復(fù)雜的物理和邊界條件下對導(dǎo)線表面不同覆冰類型進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬。

（3）針對高壓輸電線路的雨凇覆冰模型開展理論研究，針對典型氣象區(qū)，給出導(dǎo)線雨凇覆冰模型的適用表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上提出常用類型的桿塔和導(dǎo)線非均勻覆冰的力學(xué)模型，為輸電線路抗冰災(zāi)設(shè)計和力學(xué)性能分析提供基礎(chǔ)。

3.2 輸電線路覆冰斷線倒塔破壞機(jī)理的研究

（1）研究分析在重覆冰條件下輸電線路桿塔的破壞特點(diǎn)和規(guī)律?；诖蠓秶{(diào)研冰災(zāi)引起的輸電線路桿塔破壞情況，針對各典型塔型，計算其在極端覆冰工況下的受力，找出桿塔設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié);研究重覆冰條件下檔距與耐張段長度的確定原則及制訂防止多基桿塔連環(huán)傾覆的措施;并通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證，提出重冰區(qū)桿塔設(shè)計的合理化方案。

（2）從能量角度出發(fā)構(gòu)建高壓輸電線路覆冰導(dǎo)線斷線的能量泛函，利用變分方法建立沖擊動力學(xué)方程，進(jìn)而求得斷線的沖擊動力響應(yīng)。

（3）進(jìn)一步通過模型試驗(yàn)得到導(dǎo)線覆冰斷線的沖擊荷載時間歷程以及沖擊荷載效應(yīng);最后，利用數(shù)值模擬技術(shù)，建立高壓輸電塔- 線體系的精細(xì)化三維有限元模型，充分考慮塔- 線覆冰以及二者之間的耦合效應(yīng)，研究覆冰荷載引發(fā)導(dǎo)（地）線瞬時斷線、斷線跌落過程以及與地面碰撞摩擦過程，沖擊荷載對整個結(jié)構(gòu)體系的作用，得到覆冰斷線的動力沖擊系數(shù)和沖擊響應(yīng)，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，對導(dǎo)（地）線斷線和輸電塔倒塔的全過程進(jìn)行動態(tài)數(shù)值模擬。

4" 輸電線路抗覆冰具體技術(shù)分析

4.1 覆冰預(yù)警系統(tǒng)

輸電線路覆冰預(yù)警系統(tǒng)是省電力公司防災(zāi)減災(zāi)指揮系統(tǒng)的子系統(tǒng)，它是在采用導(dǎo)線張力測量、線路圖像實(shí)時監(jiān)視和小型氣象站相結(jié)合的綜合監(jiān)測的基礎(chǔ)上，率先引入氣象因子“鋒區(qū)位置”，構(gòu)建了覆冰成災(zāi)模型和危害程度模型，實(shí)現(xiàn)了輸電線路覆冰形成全過程的監(jiān)測和預(yù)警，有效提高了線路覆冰情況預(yù)報的準(zhǔn)確性。

針對不同等級的線路覆冰情況，系統(tǒng)將發(fā)出“紅、橙、黃、藍(lán)”不同等級的預(yù)警信號，分別代表著“嚴(yán)重、較嚴(yán)重、較輕和輕微”的覆冰影響程度，“嚴(yán)重”等級覆冰容易導(dǎo)致線路跳閘、故障或設(shè)備損壞，并由此引起供電中斷，造成停電損失。利用該系統(tǒng)，公司能提前監(jiān)測線路覆冰情況，在“藍(lán)色”輕微等級覆冰時就能及時采取措施，監(jiān)控覆冰增長，防止覆冰走向“嚴(yán)重”等級，保證線路的安全運(yùn)行。

以往，省轄區(qū)內(nèi)覆冰區(qū)線路都依靠護(hù)線員巡視，人工巡線時間長，耗費(fèi)人力大，評斷較為主觀。福建輸電線路覆冰預(yù)警系統(tǒng)試運(yùn)行后，利用攝相頭傳輸氣象數(shù)據(jù)，運(yùn)用覆冰成災(zāi)模型等對數(shù)據(jù)進(jìn)行精確分析，提高了預(yù)報的客觀性和準(zhǔn)確性。系統(tǒng)并已實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，福建省九地市容易覆冰線路已設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，各線路覆冰情況實(shí)時呈現(xiàn)在防災(zāi)減災(zāi)指揮系統(tǒng)的GIS（地理信息系統(tǒng)）上。這意味著，技術(shù)人員足不出戶就可以掌握線路覆冰情況。

4.2 提高新建電網(wǎng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

對于正在進(jìn)行的施工和擬建項(xiàng)目，應(yīng)該抓緊組織設(shè)計單位校核覆冰設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對工程設(shè)計方案進(jìn)行全面復(fù)核。

對于新建線路來講，需要嚴(yán)格按照國家電網(wǎng)公司的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，采取優(yōu)化線路路徑、優(yōu)化桿塔布置、加強(qiáng)桿塔結(jié)構(gòu)、選用覆冰過載能力強(qiáng)的導(dǎo)地線等方法，保證線路具有較高的抗覆冰能力。

例如，在500千伏天蘭線的冰災(zāi)改造工程中，浙江省電力公司在全國首次采用了最新型的抗冰閃復(fù)合絕緣子材料，大大提高了絕緣子的抗冰閃能力。

4.3 加強(qiáng)現(xiàn)有線路改造

抗冰災(zāi)時間緊、任務(wù)重，由于受搶建時間的限制，一些措施不能同步實(shí)施，重建線路的抗冰水平仍然較低。因此，必須落實(shí)優(yōu)化補(bǔ)強(qiáng)理念，分析倒塔段的薄弱環(huán)節(jié)，通過局部增加加強(qiáng)型耐張塔、改造直線塔、更換導(dǎo)地線、更換金具等手段，消除短板，達(dá)到整體線路優(yōu)化補(bǔ)強(qiáng)的目的，使運(yùn)行線路的抗冰能力達(dá)到更高水平。

5 結(jié)語

全球變暖使得極端的天氣現(xiàn)象頻發(fā)，再加上電網(wǎng)的不斷擴(kuò)建，使冰雪災(zāi)害等惡劣天氣對輸電線路造成災(zāi)難性的破壞，所以今后覆冰抗災(zāi)形勢是非常嚴(yán)峻的，為此需要我們在今后要不續(xù)優(yōu)化電網(wǎng)規(guī)劃，加快建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強(qiáng)國家電網(wǎng)。深入研究實(shí)施差異化、精益化的規(guī)劃設(shè)計和基建標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)自然災(zāi)害規(guī)律和大電網(wǎng)運(yùn)行機(jī)理研究，組織實(shí)施科技防災(zāi)減災(zāi)計劃，開展抗冰覆冰關(guān)鍵技術(shù)重大科技專項(xiàng)攻關(guān)，開展輸電線路融冰關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)試驗(yàn)研究，研制融冰裝置和配置方案，提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平和防災(zāi)抗災(zāi)能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐文軍：《冰風(fēng)暴災(zāi)害下輸電線路故障概率預(yù)測及應(yīng)急對策研究》[J];長沙理工大學(xué)，2011（04）

[2]楊洪明、黃拉：《冰風(fēng)暴災(zāi)害下輸電線路故障概率預(yù)測》[J];《電網(wǎng)技術(shù)》，2012（04）

[3]徐文軍、戴宇：《風(fēng)暴災(zāi)害下電力斷線倒塔概率預(yù)測》[J];《華中電力》，2012（03）