趙全江，黃欲成，李 翔

（中南電力設計院，武漢市，430071）

0 引言

2008年初，我國南方大部分地區(qū)相繼出現(xiàn)了持續(xù)大范圍冰雪災害天氣，其影響范圍大、持續(xù)時間長、涉及面廣、危害嚴重，給我國南方地區(qū)的交通、電力、通信和人民生活帶來極大影響。

由于輸電線路覆冰嚴重，大大超過了原設計條件，致使多條輸電線路鐵塔、導線、絕緣子、金具等受到嚴重損壞[1-12]。針對本次凝凍災害情況，應深入分析其特點和原因，從輸電線路的設計、施工、運行和科研等方面找出薄弱環(huán)節(jié)，采取相應對策，提高電網(wǎng)抗擊嚴重自然災害的能力。本文主要針對超高壓、特高壓輸電線路的防凝凍災害設計進行分析研究。

1 桿塔事故原因分析

1.1 冰荷載超出桿塔承載能力

此次發(fā)生覆冰倒塔事故的輸電線路設計覆冰厚度多為10～15 mm，而現(xiàn)場實際覆冰厚度大部分超過30 mm，甚至達到50～60 mm，且其比重大，一般約為0.9 g/cm3，冰載超過桿塔極限承載力。垂直荷載力及兩側不平衡張力共同作用使覆冰最嚴重處的桿塔先倒塌，形成破壞源，隨后其沖擊力拉倒兩側相鄰的、本已承受嚴重冰載的桿塔（多時6基左右，少則2～3基），部分鄰近桿塔出現(xiàn)塔頭變形或基礎損壞。

（1）罕見的覆冰氣候是輸電線路設備損壞和倒塔的最直接原因。低溫持續(xù)時間長，濕度大，極易形成穩(wěn)定的雨淞覆冰，特別是位于山頂、埡口等特殊微地形處的覆冰明顯偏重且持續(xù)增長，長時間重荷下塔材屈服。

（2）過重冰荷使輸電線路的薄弱部件首先損壞。此次覆冰密度大，地線的覆冰又比塔體、導線和絕緣子串上的大，凍積率較導線高?，F(xiàn)場觀測部分桿塔倒塌是由地線支架塌陷引發(fā)（如500 kV張長線129號塔于1月20日發(fā)生OPGW光纜斷線事故，隨后于1月25日發(fā)生中橫擔以上塔頭扭斷的事故），部分沒倒的桿塔也出現(xiàn)了地線支架變形、損壞。地線支架重冰荷載明顯超出設計值，成為桿塔最薄弱的環(huán)節(jié)。

（3）微地形、微氣候條件及縱向張力差是覆冰倒桿的主要原因。傾倒的桿塔多在海拔較高或空氣極度潮濕的山上，且覆冰越重形成的兩側不平衡張力也就越大，桿塔就更可能傾倒。倒塌桿塔多從塔頸處損壞，在拉力、壓力的共同作用下，常是微地形、微氣象特征最突出的1基先倒，相鄰桿塔在沖擊拉力的作用下連帶損壞。

（4）導地線不均勻覆冰或不均勻脫冰使鐵塔承受的縱向張力和扭力遠遠超過了其設計承受能力，造成鐵塔傾覆或塔頭折斷，也是本次冰災事故的主要原因之一。

1.2 絕緣子串覆冰嚴重造成頻繁冰閃

2005年初華中地區(qū)出線2次大范圍的冰閃跳閘，分別跳閘28條次和69條次。此次冰災事故中，冰閃跳閘也時有發(fā)生，僅南方電網(wǎng)超高壓輸電公司所屬曲靖局2008年2月13日統(tǒng)計結果：羅百II線發(fā)生2次冰閃跳閘、羅馬線發(fā)生1次冰閃跳閘。歷次冰閃跳閘的主要原因及影響因素為：

（1）空氣污穢較重使冰閃跳閘易于發(fā)生；

（2）覆冰過厚致使爬距減小，絕緣子串耐壓降低；

（3）絕緣子串型式明顯影響冰閃發(fā)生率；

（4）冰閃與環(huán)境溫度的變化直接相關。

1.3 導線舞動損壞部分線路設備

冰害事故的另一形式為大幅度導線舞動，主要原因是導地線不均勻覆冰后，在風的激勵下產(chǎn)生低頻率、大振幅自激振動。舞動時氣溫為0～6°C，導線覆冰厚度20～40 mm，風速為4～25 m/s，風向與線路走向夾角不小于45°。舞動使部分雙串絕緣子相互碰撞，其沖擊力使絕緣子球頭斷裂導致掉串。舞動幅值基本正比于風速。近幾年導線舞動中因絕緣子球頭斷裂而掉串已發(fā)生多次，說明少量絕緣子球頭存在機械強度缺陷。

2 事故線路的過載能力分析

2.1 事故線路情況

據(jù)不完全統(tǒng)計，南方電網(wǎng)超高壓輸電公司所轄500 kV線路因此次冰災故障停運共計7條，線路倒塔86基（貴州境內(nèi)60基、廣西境內(nèi)26基），嚴重損壞46基（貴州境內(nèi)31基、廣西境內(nèi)15基），斷線43處（貴州境內(nèi)19處、廣西境內(nèi)24處）?，F(xiàn)以其中比較典型的500 kV交流柳賀乙線為例進行分析，其工程設計情況如表1所示。

表1 500 kV交流柳賀乙線設計參數(shù)Tab.1 500kVAC Liu-He-Yi line design parameters

自2008年1月12日以來，廣西持續(xù)低溫凍雨天氣，境內(nèi)大部分地區(qū)發(fā)生了從1949年有氣象資料以來最嚴重的覆冰災害。

500 kV柳賀乙輸電線路遭到一定程度的損壞，其中：121（N221）、122（N222）號塔發(fā)生倒塔事故；106（N206）、120（N220）、386（N540）號塔發(fā)生酒杯頸口以上傾覆事故；124（N224）、125（N225）號塔掛線橫擔彎曲。

2.2 導線過載能力

為校核導線在覆冰氣象條件下的過載能力，分別計算導線弧垂最低點的最大應力達60%、80%和95%破壞應力時的相應覆冰厚度，如表2所示。導線應力達到95%破壞應力時的覆冰厚度稱為“極限冰厚”。

表2 LGJ-400/35導線覆冰過載能力Tab.2 LGJ-400/35 conductor iced overload capability

本工程發(fā)生倒塔事故的N221、N222號塔耐張段，代表檔距為670 m。考慮到導線懸點應力比弧垂最低點應力要大，經(jīng)對其懸點應力進行計算，該段導線極限冰厚值為26.6 mm。而此次冰災現(xiàn)場實際覆冰厚度多超過30 mm，甚至達到50～60 mm（折算到標準比重），覆冰厚度已遠超過導線的極限承載能力。

2.3 地線過載能力

為校核地線在覆冰氣象條件下的過載能力，分別計算最大應力達60%、80%和95%破壞應力時的覆冰厚度，如表3所示。從表3看出，地線承載力較強。

表3 GJ-80地線覆冰過載能力Tab.3 GJ-80 ground wire iced overload capability

2.4 絕緣子、金具的過載能力

500 kV柳賀乙線路工程導線耐張串采用雙聯(lián)240 kN絕緣子。當絕緣子機械強度的安全系數(shù)K=1時，對應于單根子導線的極限荷載為120 kN，而LGJ-400/35導線的破壞荷載為98.7 kN，因此絕緣子的過載能力是滿足工程要求的。

對損毀的206號塔進行計算分析。該塔型為ZBV2-30，水平檔距和垂直檔距設計值為600 m和800 m，其實際值為576 m和616 m。使用的絕緣子串型為210 kN單聯(lián)懸垂絕緣子串。當覆冰為20 mm時，絕緣子串所受垂直荷載為96.5 kN，小于210 kN。若按絕緣子實際荷載210 kN計算，對應的覆冰厚度可達39.4 mm。因此，可以看出所選用絕緣子的過載能力較強。

2.5 桿塔的過載能力

若不考慮縱向張力，直線桿塔具有較強的抗冰能力。湖南省電力勘測設計院曾對復沙I回19號ZB63鐵塔進行過受力計算分析。該塔設計冰厚15 mm，在不考慮縱向張力時能夠承受30 mm冰厚。不考慮縱向張力時，不同覆冰厚度模擬計算結果如表4所示。

表4 不考慮縱向張力時不同覆冰厚度模擬計算結果Tab.4 Different icing thickness calculation without longitudinal tension

當考慮縱向張力時，直線桿塔的抗冰能力較差，當導線覆冰25 mm時，不均勻覆冰縱向張力達到15%最大使用應力將導致鐵塔破壞；當導線覆冰為30 mm時，不均勻覆冰縱向張力達到10%最大使用應力將導致鐵塔破壞。

根據(jù)懸垂絕緣子串在事故前的偏斜值及梯級覆冰造成相鄰檔覆冰厚度的差值，計算出桿塔承受的不均勻覆冰縱向張力達到20～25 kN，相當于最大使用應力的14.3%～17.9%。實際覆冰已遠超過桿塔的過載能力。

3 凝凍災害及相關因素分析

覆冰是由非常復雜的天氣過程和微物理過程相結合而形成，分為霧凇、雨凇、混合凍結等類型；而以混合凍結覆冰最普遍，覆冰量最大，對架空送電線路的危害也最嚴重。

3.1 電線的覆冰厚度

空氣中的過冷雨滴、霧滴凝凍在導線上形成覆冰，通常將凝凍在導線上的覆冰圓環(huán)厚度稱為冰厚，換算成標準冰密度（0.9 g/cm3）的冰厚稱標準冰厚，計算成設計重現(xiàn)期的標準冰厚稱設計冰厚。按現(xiàn)行相關設計規(guī)程規(guī)定，500 kV線路設計冰厚為離地20 m高、30年一遇的標準冰厚。

在2008年發(fā)生大面積覆冰倒塔事故地區(qū)，導、地線實際覆冰厚度大大超過設計覆冰厚度，例如：江蘇境內(nèi)設計冰厚10 mm地區(qū)事故冰厚達到22 mm；湖南境內(nèi)設計冰厚15 mm地區(qū)事故冰厚達到40 mm以上；貴州境內(nèi)設計冰厚40 mm地區(qū)事故冰厚甚至達到80 mm。

3.2 海拔高度及風向

海拔高程和風向夾角對電線覆冰存在較大影響。

在同一地形及天氣條件下，一般海拔高程愈高愈易覆冰，冰厚也愈大，且多為霧淞；海拔高程較低處，其冰厚較小，且多為雨淞或混合凍結。隨著高程的增加，覆冰厚度也隨之增大。

在覆冰過程中，風對電線覆冰起著重要的作用，它將大量過冷卻水滴源源不斷地輸向送電線路，與電線相碰撞，被電線捕獲而迅速增大覆冰。當具備形成覆冰的溫度和水氣條件后，風速的大小和風向是決定覆冰大小最重要的參數(shù)。根據(jù)云南電力設計院觀測數(shù)據(jù)，當風向與線路垂直時，覆冰厚度比風向平行線路時增大1.2～2.0倍；當風向夾角為45°時，東西向導線覆冰較重，南北向導線覆冰較輕。不同方位（南北及東西）導線的覆冰厚度相差l.28倍。

3.3 相對高差及連續(xù)上下山

連續(xù)上下山地段和相對突出地形，由于桿塔懸掛點相對高差較大，對桿塔正常運行工況不平衡張力存在較大影響。根據(jù)理論計算，直線桿塔構件通常由大風工況控制，在平原地區(qū)直線桿塔的抗冰能力較強，覆冰倒塔多發(fā)生在地形高差較大的山區(qū)或丘陵地帶。

通常情況下，設計覆冰工況時導線不平衡張力取值為其最大使用應力的10%～20%，地線為20%～30%。前蘇聯(lián)《超高壓架空線路機械部分設計》介紹，對于高山線路，直線桿塔在正常情況下應承受同側3相導線和2根地線的張力差，推薦導線張力差取值如表5所示。

表5 前蘇聯(lián)推薦的正常情況下3相導線張力差取值Tab.5 3-phase conductor tension values under normal condition recommend by former USSR

相對高差對地線的垂直檔距影響較大，在高差較大的地段，地線垂直檔距往往大于導線。前蘇聯(lián)《超高壓架空線路機械部分設計》中指出，地線的垂直檔距應按其本身參數(shù)計算，不宜將導線和地線的垂直檔距取值相同。

3.4 特殊地形及檔距分布

在本次大規(guī)模冰災事故倒塔中，有的塔位海拔高程并非很高。經(jīng)過現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)該地段周圍地勢平坦，線路從平地通過突出的山嶺，塔位相對高差超過50 m，形成相鄰大小檔距，屬于微地形特征。

線路在翻越高山區(qū)時，存在埡口、分水嶺、迎風坡、小盆地等一些微地形，這種地形造成風速和水汽通量增大，導線能捕獲更多的水滴，因而形成較其他地形更大的電線積冰。山頂、迎風坡的覆冰厚度是窄河谷和高地的2～4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，適當提高桿塔抗冰能力。

3.5 導線懸掛高度對覆冰的影響

導線覆冰厚度隨電線懸掛高度增高而增加，原因主要有2個，首先，積冰時風速隨高度增加而增大，水滴向電線的輸送量越大，單位時間內(nèi)覆冰厚度也越大；其次，積冰時空氣含水量隨高度而增加。在有霧時，霧中的含水量也是隨高度增加的。

3.6 電線扭轉對覆冰的影響

電線覆冰時的形狀往往很不規(guī)則，有扇形、片形、橢園形和園形等，電線承受偏心荷重。由于其扭轉角度與l2/d4（l為檔距長度，d為導線直徑）成比例，而l遠大于d，故電線易扭轉，這就便于在電線的各個側面上更進一步積冰。

檔距中央的扭轉程度要比線夾附近大。隨風運動的冷卻水滴比較均勻地積聚到扭轉電線的整個表面，而不像固定不扭轉的線段那樣覆冰主要積聚在迎風一側。對比之下，線夾附近電線與氣流平行的長徑增長得快，與氣流正交的短徑增長得慢，迎風面積增加不多，冰重增長較慢；而檔距中央長徑、短徑增長較均勻，與氣流正交的迎風面積增加較多，冰重增長較快，質量較大。

3.7 設計冰厚與線路造價分析

設計覆冰厚度越大，線路工程造價越高。輕冰區(qū)設計冰厚每增加5 mm，線路工程造價靜態(tài)投資相應增加1.13倍。而重冰區(qū)的造價明顯提高，20 mm冰區(qū)的造價是l0 mm冰區(qū)的1.53倍，30 mm冰區(qū)的造價是10 mm冰區(qū)的2.09倍。

4 線路設計、建設改進建議

（1）設計標準的選取。提高現(xiàn)有輸電線路覆冰設防標準，探討500 kV線路覆冰重現(xiàn)期采用50年一遇的可行性和技術經(jīng)濟性。在對2008年冰災調查分析的基礎上，按不同的概率進行冰區(qū)劃分，科學合理地繪制冰區(qū)分布圖，對極端情況按驗算條件復核桿塔強度。

（2）可研、初設階段的路徑選擇。在線路設計的可研、初設階段，選擇合適的線路走廊，降低線路平均海拔，注意微地形的影響，盡量避免經(jīng)過覆冰嚴重地段。在選擇線路路徑時應盡量避開重冰區(qū)，沿起伏不大的地形走線；盡量避免橫跨埡口、風道和通過湖泊、水庫等容易覆冰的地帶；翻越山嶺時應避免大檔距、大高差；沿山嶺通過時，宜沿背風或向陽面走線；應避免使轉角點設立在突出開闊的山脊或分水嶺上，轉角角度不宜過大。

（3）對覆冰情況進行細致的調研工作，慎重劃分氣象分區(qū)。由于全球氣候的變化，近年來全國很多地方均出現(xiàn)了少有的災害性氣象，需要注重與氣象部門加強聯(lián)系，充分掌握線路沿線氣象條件。結合本次冰災的特點，加強對不同地區(qū)和不同高程的覆冰厚度調查，提出相適宜的設計冰厚。

（4）增加中冰區(qū)設計條件及相應措施。為了提高桿塔的抗覆冰過載能力，同時處理好安全與投資的關系，在現(xiàn)行的設計規(guī)程和重冰區(qū)設計規(guī)定之間，增加10～20 mm中冰區(qū)設計條件。

（5）必要時增加線路驗冰工況。增加驗算條件，驗算覆冰厚度可考慮25～35 mm。驗算覆冰情況下，導線弧垂最低點的最大張力不超過其拉斷力的70%。

（6）適當提高地線支架的抗冰能力。地線上的覆冰密度比塔體和絕緣子串上的大，凍積率較導線高?，F(xiàn)場觀測部分桿塔倒塌是由地線支架塌陷引發(fā)，部分沒倒的桿塔也出現(xiàn)了地線支架變形、損壞，說明地線支架為桿塔的最薄弱環(huán)節(jié)。因此，應適當提高地線支架設計標準，地線覆冰宜比導線增加5～10 mm。

（7）采取差異化設計方法。建議在系統(tǒng)可靠性要求高以及電廠送出等重要線路上應提高抗冰設防標準。對兩回及以上線路處于同一走廊區(qū)域的地段，至少考慮1條戰(zhàn)略性保證線路，增加其設計冰厚，提高抗冰災能力。

（8）盡快建立、完善觀冰站系統(tǒng)，加強冰厚分析研究。結合2008年冰災事故范圍，針對不同地區(qū)、不同高程、不同地形特點設置覆冰觀測站，全面收集和長期積累氣象資料，為輸電線路設計、運行維護提供基礎數(shù)據(jù)。

（9）積極開展500 kV線路抗冰、防舞新技術研究。在總結220 kV線路的電流融冰技術和經(jīng)驗的基礎上，研究500 kV線路融冰技術；研究包括導線覆冰狀態(tài)的監(jiān)測溫度、濕度、覆冰厚度、積污、導線風偏等參數(shù)的綜合在線監(jiān)測及報警系統(tǒng)；研究防覆冰涂料和防覆冰導線等新材料，為今后防止大范圍冰害事故提供必要的裝置、設備和第一手資料。

試驗研究不同覆冰狀況、不同積污狀態(tài)、不同絕緣子串型、不同插花布置的絕緣子串的冰閃特性以合理配置絕緣子，減少冰閃故障，深入研究500 kV倒V串絕緣子的機械受力特性和電氣閃絡特性。

研究采用滑動或有限握力懸垂線夾等技術措施，減少桿塔覆冰不平衡張力。

研究新型防舞器及安裝位置的優(yōu)化，進一步調研易舞區(qū)、易舞線段，歸納和分析誘發(fā)舞動的條件和參數(shù)以找出規(guī)律并采取對策。

為了及時準確地了解現(xiàn)場情況，開展利用紅外儀觀測電線、桿塔上的冰情和遠程信息傳輸系統(tǒng)等新技術的研究，以便掌握電力線路上的冰情發(fā)展情祝，及時采取預防措施。

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