基于輸電線路覆冰舞動原因宏觀分析及措施的創(chuàng)新

郭克竹

（國網(wǎng)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(dāng)廣泛的自然現(xiàn)象，在線路設(shè)計和運維方面是最為關(guān)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(qū)持續(xù)受暖濕氣流影響，塔城、阿勒泰和博州地區(qū)相繼發(fā)生輸電線路大面積覆冰斷股、斷線及跳閘事故，僅塔城電網(wǎng)跳閘事故就發(fā)生41次。根據(jù)不同的故障現(xiàn)場環(huán)境和設(shè)備灼傷部位，國網(wǎng)塔城供電公司對近年來覆冰跳閘事故數(shù)據(jù)開展分析和治理方案研究，結(jié)合地域?qū)嶋H特點形成了覆冰舞動治理體系。鑒于塔城區(qū)域內(nèi)覆冰多以混合淞為主，覆冰重量及程度對導(dǎo)地線電氣間隙影響大，對桿塔強(qiáng)度影響較小，因此覆冰改造方案的重點考慮了提高導(dǎo)、地線的抗覆冰能力，以降低覆冰跳閘造成的電網(wǎng)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(shè)計評審和運維中重點加以關(guān)注，最大限度的避免案例中類似情況，降低線路設(shè)備跳閘和停運率[1-2]。

1 塔城地區(qū)線路覆冰概述

塔城地區(qū)線路覆冰主要集中于瑪依塔斯風(fēng)區(qū)，該風(fēng)區(qū)位于新疆西北部的額敏縣、托里縣境內(nèi)，地處世界著名風(fēng)口“老風(fēng)口”東風(fēng)風(fēng)區(qū)上游?！艾斠浪埂焙汀袄巷L(fēng)口”被稱為兩個“世界級”風(fēng)區(qū)，因地處塔額盆地和準(zhǔn)格爾盆地中間，受兩側(cè)風(fēng)壓變化影響，常年有風(fēng)；同時該區(qū)域的風(fēng)復(fù)雜、多變，東、西風(fēng)刮起來，各自形成一條風(fēng)帶，而且更替快，冬季“風(fēng)借雪勢、雪助風(fēng)威”，形成了強(qiáng)烈的“風(fēng)吹雪”災(zāi)害氣象，個別路段出現(xiàn)“雪盲”現(xiàn)象，如圖1所示。大風(fēng)交替之頻、風(fēng)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(qū)域風(fēng)吹雪產(chǎn)生的雪盲

圖2 瑪依塔斯風(fēng)區(qū)地形圖

2 塔城地區(qū)典型覆冰形成過程

覆冰的氣象成因極其復(fù)雜，其強(qiáng)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(xiàn)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(fēng)速及風(fēng)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(xiàn)象是決定覆冰種類的兩個關(guān)鍵因素，二者結(jié)合決定了覆冰的物理過程[3]。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查并結(jié)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(fēng)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(xiàn)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(jīng)計算后換算成設(shè)計覆冰厚度，本次導(dǎo)線設(shè)計覆冰冰厚應(yīng)大于20 mm，超出設(shè)計10～15 mm厚度?，斠浪箙^(qū)域是塔城電網(wǎng)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(wǎng)事故，塔城公司預(yù)案中要求跳閘后立即強(qiáng)行試送。11月29日4時12分至12時48分期間，塔城電網(wǎng)同時9條次線路跳閘，其中含瑪依塔斯區(qū)域內(nèi)3條220 kV和4條110 kV線路，進(jìn)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(fù)荷低，滿足了當(dāng)時用電需求，但是就在10 min強(qiáng)送完成后，110 kV鐵冬線跳閘，覆冰險些造成四級電網(wǎng)事故。因此，該地區(qū)覆冰危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鳥害、雷擊等災(zāi)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(dǎo)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(dǎo)、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(shè)位置高于導(dǎo)線更易覆冰。經(jīng)現(xiàn)場觀測，地線或OPGW光纜抗拉強(qiáng)度弱于導(dǎo)線，導(dǎo)致其覆冰弧垂下降幅度大于導(dǎo)線，造成與導(dǎo)線距離不足，易產(chǎn)生放電現(xiàn)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(shè)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(shè)段。

3.2 導(dǎo)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(dǎo)線距離不足，受風(fēng)影響造成地線水平受力或脫冰擺動與導(dǎo)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(dǎo)致49號-50號鐵塔架空地線下垂，與C相導(dǎo)線間安全距離不足，引起導(dǎo)、地線間空氣放電，造成架空地線斷股，進(jìn)而導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線覆冰過載形成43號至44號鐵塔A相導(dǎo)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(dǎo)線灼傷

案例三，線路換相塔檔中因換相導(dǎo)線間、地線與導(dǎo)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(fā)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(dǎo)致塔材受損

導(dǎo)線覆冰后導(dǎo)線垂直荷載增加，導(dǎo)線掛點塔材受力過大造成塔材斷裂，導(dǎo)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(dǎo)線掛點塔材撕裂，導(dǎo)線對地距離不足，造成導(dǎo)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(fā)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(fēng)險評估與治理，認(rèn)真分析總結(jié)后期改造重點和方向。首先，主體網(wǎng)架需要加強(qiáng)，規(guī)劃項目中調(diào)整進(jìn)入塔城線路廊道，杜絕同區(qū)域多條線路集中覆冰事故情況發(fā)生。其次，根據(jù)此次事故分析事故的共性問題，同范圍、同區(qū)域覆冰，橫風(fēng)及交叉角大的位置發(fā)生率占80%以上，覆冰發(fā)生率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于順風(fēng)區(qū)域，后期重點加強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)域改造治理[5]。形成主要措施如下。

圖7 鐵黃線覆冰導(dǎo)致導(dǎo)線掛點拉斷

（1）對同塔雙回路架設(shè)線路，特別是橫風(fēng)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(qū)段結(jié)合750 kV線路換相經(jīng)驗，將傳統(tǒng)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(dǎo)地線空中交叉[6]。

（3）橫風(fēng)舞動大檔距區(qū)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(dǎo)線加裝相間間隔棒現(xiàn)場

（4）覆冰舞動嚴(yán)重區(qū)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(shè)段，將抗覆冰薄弱的塔型更換成抗覆冰強(qiáng)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(qū)域的覆冰預(yù)警裝置安裝，利用裝置大量搜取信息為將來分析、預(yù)防覆冰提供數(shù)據(jù)支持。

圖9 鐵依線與清依線同塔架設(shè)段改造前后

5 效果和經(jīng)驗

經(jīng)氣象專業(yè)數(shù)據(jù)顯示，塔城地區(qū)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(xiàn)象天氣影響，塔城電網(wǎng)同樣發(fā)生大面積覆冰，但是2016年通過項目完成的防覆冰改造區(qū)段，除了110 kV清依線OPGW光纜覆冰斷裂造成跳閘外（設(shè)計未更換），其余完成改造位置均經(jīng)受了同等氣象條件的覆冰考驗，設(shè)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(yán)重的冰害，尚不能滿足建設(shè)和安全運行的需要，因此必須把預(yù)防電網(wǎng)覆冰災(zāi)害工作放到更加重要的位置，后期將在規(guī)劃、可研、評審、建設(shè)等前端采取“避、抗、融、改、防、研”多措并舉，積極防治電網(wǎng)覆冰災(zāi)害。

6 結(jié) 論

本文研究分析了塔城地區(qū)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(xiàn)象。通過分析研究覆冰典型案例，表明覆冰后導(dǎo)、地線安全距離不足導(dǎo)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(yīng)的防止覆冰的措施，并進(jìn)行線路改造。改造后覆冰防護(hù)效果明顯，減少了跳閘的次數(shù)。但依然存在著嚴(yán)重冰害下的防護(hù)難題需要在今后的研究和實踐中解決。