江博 張斌 羅成軍 黃夢婷 韓柯明

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司超高壓公司，湖北宜昌 443000；2.三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌 443002）

0.引言

輸電線路覆冰問題是電力系統(tǒng)安全運行地重要威脅之一，對國民經(jīng)濟造成了巨大損失[1-4]。當導線覆冰層內(nèi)部或者外部溫度升高，或者受到外部風力及人為敲擊等外部沖擊荷載的時候會發(fā)生脫落，造成導線上線振動的現(xiàn)象，即脫冰跳躍[5-6]。

世界上最早被記錄的輸電線路覆冰事故發(fā)生在1932年[7-9]，國內(nèi)第一起被記錄的架空線覆冰事故則發(fā)生在1954年[10]，隨著各國電網(wǎng)系統(tǒng)的建設以及媒體發(fā)展，國內(nèi)外均出現(xiàn)了許多關于輸電線路覆冰脫冰的報道。

1994年，美國東南部地區(qū)受到的嚴重的冰災事故，最大覆冰厚度達到了125mm，對當?shù)仉娋W(wǎng)造成了嚴重破壞[11]。1998年，加拿大遭遇嚴重凍雨，魁北克、安大略省的輸電線路由于脫冰跳躍和不均勻覆冰造成大量桿塔倒塌、導線斷線，據(jù)估計，冰災共計造成損失35億美元[12-13]。

20世紀80年代，四川省西昌至樂山220kV輸電線路南九線因穿越高海拔重冰區(qū)，每年均發(fā)生多次脫冰跳躍，造成絕緣子串損壞、線夾滑移、導線燒傷等事故[14]。2013年，浙江電網(wǎng)受冰災影響，110kV及以上輸電線路共計發(fā)生跳閘事故24條[15]。2008年，我國遭遇特大雪災，輸電線路發(fā)生大量鐵塔倒塔事故，其中90%是由不均勻覆冰和脫冰跳躍產(chǎn)生的不平衡張力造成的，國家電網(wǎng)的直接經(jīng)濟損失達到了104.5億元[16-18]。

分析輸電線路脫冰跳躍資料可以發(fā)現(xiàn)，導線脫冰跳躍引起的危害主要有兩個方面。在電氣方面，導線相間、相地安全間隙不夠發(fā)生閃絡、跳閘；在力學方面，劇烈的導線張力變化以及脫冰引起的檔間不平衡張力變化，會導致絕緣子串損壞、導線斷線、線夾滑移、甚至倒塔等機械事故，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。國內(nèi)外科研人員對輸電線路脫冰跳躍進行了許多研究，并取得了大量成果。本文對國內(nèi)外輸電線路脫冰跳躍的影響因素、防治手段及展望進行總結和分析。

1.脫冰跳躍的影響因素分析

影響脫冰跳躍的因素有很多，主要有脫冰厚度和脫冰率、脫冰方式、脫冰組合、高差、檔距、風速、絕緣子串長等。

1.1 脫冰厚度和脫冰率

脫冰厚度和脫冰率對于脫冰跳躍的影響非常簡單。當輸電線路表面的冰層脫落后，導線覆冰狀態(tài)的力學平衡被破壞從而開始向上跳躍，其實質(zhì)就是將原來的彈性儲能轉(zhuǎn)化為動能和勢能，所以，脫冰厚度越大、脫冰率越高，彈性能量釋放越多，引起的跳躍高度也就越高。

1.2 均勻脫冰和非均勻脫冰

非均勻脫冰指導線某段有覆冰脫落現(xiàn)象，而均勻脫冰是指導線各點每一處都掉落等量的覆冰。根據(jù)經(jīng)驗，非均勻脫冰造成的導線脫冰跳躍高度要大于均勻脫冰。均勻脫冰時全檔單位長度的脫冰量比較少，釋放的彈性儲能并不是最大；剩余覆冰又會導致導線剛度比無冰狀態(tài)下導線剛度大，增大導線跳躍的難度。非均勻脫冰位置越接近檔中，跳躍高度越大。在導線系統(tǒng)中，導線剛度在弧垂最低點最小，從檔中向兩端剛度逐漸增大。在復雜的線路中，因為存在檔距組合、剛度變化等的影響，脫冰跳躍高度最大點的位置有一定隨機性，有時會出現(xiàn)最大跳躍高度脫冰段不在正中間的情況。王黎明[19]等建立3自由度導線模型，發(fā)現(xiàn)50%非均勻脫冰跳躍達到最大跳躍高度時，脫冰段的中點在0.4檔處。

1.3 脫冰組合

輸電線路中某一檔單獨脫冰導線跳躍的高度要遠遠大于多檔同時脫冰的跳躍高度，也要大于孤立檔脫冰的情況。當一檔發(fā)生脫冰時，未脫冰檔張力比脫冰檔導線張力更大，所以，兩檔之間出現(xiàn)不平衡張力，絕緣子串擺向未脫冰檔，此時懸掛點會產(chǎn)生豎直向上的位移分量，也增大了檔中的最大跳躍高度；相鄰的未脫冰檔等效檔距減小，而線長未變，所以馳度增大，重力勢能減小，彈性勢能減小，較小的勢能均通過絕緣子串擺動轉(zhuǎn)移到了脫冰檔上，加大了脫冰檔導線跳躍的最大高度。連續(xù)檔單獨一檔脫冰和相鄰檔之間存在耦合作用，會不斷通過絕緣子向脫冰檔傳遞能量，而孤立檔不存在檔間耦合，只有檔內(nèi)的彈性儲能轉(zhuǎn)化。

1.4 高差

輸電導線存在兩側(cè)懸掛點有高差的情況，有高差線路的脫冰跳躍高度要比無高差線路更小。因為當線路存在高差時，脫冰檔中點的跳躍方向不僅有豎直向上的位移量，也有沿線方向的位移量，即斜向上跳起，并且其運動軌跡近乎為一條與該檔線路相垂直的直線。該直線和無高差時的直線長度接近，但由于無高差線路中點在理想狀態(tài)下不存在沿線位移分量，所以豎直方向的跳躍高度比之有高差時要更大，并且相差數(shù)值和高差角有關，當高差較小時，高差對脫冰跳躍的影響也小。

1.5 檔距

檔距較小時，隨著檔距的增大，脫冰跳躍的高度呈線性增加；檔距比較大時，脫冰跳躍高度增加量減小，呈現(xiàn)飽和趨勢；檔距繼續(xù)增加，脫冰跳躍的高度反而開始慢慢減小，脫冰跳躍的高度隨檔距增大有一個峰值。造成這一現(xiàn)象的原因是檔距較小時，導線整體剛度較大，導線基本平行于地面，隨著檔距逐漸增加，導線馳度也在逐漸增加，因此，導線跳躍高度跟著增加，越來越接近存在的峰值。當檔距超過一定限定值后，馳度非常大，導線張力的垂直分量比小檔距時增長顯著，甚至起到了妨礙導線跳躍的作用，造成了導線跳躍高度反而開始降低的局面。

1.6 風速

線路在風荷載的作用下，不同風速會使導線發(fā)生不同水平的橫向擺幅。因此，脫冰跳躍前后的靜態(tài)位置時離地面高度都要比無風時要高，當輸電線路在風中脫冰時，導線豎向的跳躍高度要比無風時略有減小，并且風速越大跳躍高度越小，但是總體而言差距并不大，可以認為風速對脫冰跳躍的影響很小，造成這一現(xiàn)象的原因是風荷載作用在導線上造成導線風偏會增大導線的剛度。不同于跳躍高度，風速大小對脫冰造成的橫向擺幅影響很大，風速越快橫向擺幅越大，并且脫冰時機對橫向擺幅的影響也非常大。李黎[20]等分析了導線處于不同風偏距離下發(fā)生脫冰的各種狀況，結果表明當脫冰檔達到最大風偏時再發(fā)生脫冰能造成最大橫向擺幅。

1.7 脫冰速度

研究脫冰速度就是采用所謂的“unzipping”開拉鏈式脫冰方式，現(xiàn)有的脫冰方案有3種：中間向兩側(cè)脫冰、兩側(cè)向中間脫冰和從一側(cè)向另一側(cè)脫冰，其中從中間向兩邊脫冰的動力響應最強，在進行人工除冰時，應該避開從中間開始除冰，最好按照兩邊向中間除冰。三者都是脫冰速度越快，脫冰跳躍的高度越高，導線動態(tài)張力變化幅值越大，脫冰速度越慢，導線跳躍高度越低，導線動態(tài)張力變化越平緩，當脫冰速度極大時，跳躍高度和動態(tài)張力變化的時程曲線和整檔同時脫冰基本一致。原因是雖然脫冰速度不同，但是最終的平衡位置是相同的，脫冰速度越慢越接近靜力卸載。

1.8 絕緣子串長

絕緣子串長對脫冰跳躍的高度有兩個方面的影響：一是導線脫冰跳躍過程中，脫冰檔與未脫冰檔之間出現(xiàn)張力差，絕緣子擺動過程中掛點向上抬升，增加導線的跳躍高度，長絕緣子串比短絕緣子串轉(zhuǎn)動更小的角度就可以讓兩檔的張力重新達到平衡。二是絕緣子擺動的過程中，脫冰檔等效檔距增大，弛度減小，因此串長對等效檔距的影響非常明顯。串長過短時，懸掛點接近固定點懸掛，和鄰檔之間耦合小，接近孤立檔脫冰，所以跳躍高度不高。在檔距不變前提下，隨著串長的增加，脫冰跳躍的高度也慢慢增加，當串長達到一定長度時，脫冰跳躍高度會趨于飽和。袁光輝[21]對絕緣子串長影響進行了數(shù)值仿真，結果是無絕緣子串時跳躍高度峰值為2.89m，串長3m時高度為17.51m，串長6m時高度基本沒變?yōu)?7.61m。研究中發(fā)現(xiàn)當檔距不大時，串長對脫冰高度基本上沒有影響；當檔距較大，串長大的絕緣子串跳躍高度略有增加：800m檔距時，串長10m的導線跳躍高度12.62m，串長15m導線跳躍高度為13.55m，串長20m跳躍高度為14m。

1.9 其他因素

除上述影響因素外，脫冰跳躍還和許許多多的因素有關。例如，導線截面積越大，脫冰跳躍的高度越低。因為大截面積導線比之小截面積導線剛度更大，因此脫冰跳躍的高度更小。連續(xù)檔線路中檔脫冰時，由于線路之間的耦合作用所以跳躍的高度隨檔數(shù)增加而增加，但是，當檔數(shù)達到5～7檔時，跳躍高度飽和，檔數(shù)繼續(xù)增加跳高基本不增加。子導線分裂數(shù)量對脫冰跳躍基本上沒有影響等。需要注意的是，上述所有分析結果都是在保證討論因素外的均保持一致而得到的，在實際線路中需要將所有影響因素綜合考量。

2.脫冰跳躍的防治措施

脫冰跳躍會在電氣和力學兩個方面對輸電線路造成嚴重的危害，脫冰跳躍的防治措施研究從來沒有停止。脫冰跳躍的防治可以從兩個角度展開：未建設的線路規(guī)劃設計防范、已有線路的治理。

2.1 線路設計規(guī)劃

在輸電線路設計規(guī)劃階段，脫冰跳躍的防治手段主要有兩種：一是避開覆冰區(qū)域，從根本上避免脫冰跳躍發(fā)生的可能性；二是改變輸電線路設計，提高桿塔強度，使脫冰跳躍不會造成線路斷線倒塔和閃絡。

避開覆冰區(qū)。影響輸電線路覆冰的因素有很多，例如，溫度，導線溫度低于0℃；空氣濕度，空氣相對濕度需要高于85%；風速，觀察和研究表明，無風和風速很低時，導線也不會發(fā)生覆冰。在條件可以的情況下，輸電線路應該避開高海拔山峰、埡口等容易覆冰的地區(qū)。

改變線路設計。在力學方面，根據(jù)2008年冰災事故調(diào)查報告分析，大檔距、大小檔、大高差的線路發(fā)生脫冰跳躍時最容易產(chǎn)生不平衡張力而引起斷線倒塔。桿塔位置設計時，應當盡量設計成均勻檔距，大檔距、大高差大小檔線路不平衡張力大小需要進行嚴格計算；可以適當放松導線，提高過載荷能力；加強桿塔等。

在電氣方面，脫冰跳躍會導致導線碰線和相間距離過近，發(fā)生閃絡、保護裝置動作跳閘等事故。輸電線路導線排列方式和位置需要嚴格設計，發(fā)生脫冰跳躍時能夠保留足夠的電氣間隙。

2.2 線路脫冰治理辦法

2.2.1 防冰環(huán)

防冰環(huán)是一種結構簡單的環(huán)狀防脫冰跳躍裝置，在電線周圍卡接防冰環(huán)形成凸起，當覆冰較薄時，導線只會在相鄰兩個防冰環(huán)之間出現(xiàn)一段冰層無法使整檔線路形成長段覆冰；覆冰較厚掩蓋防冰環(huán)時，也可以使導地線上的冰層分段脫冰，避免整檔同時脫冰造成的劇烈張力變化和跳躍高度。

防冰環(huán)的原理可以從導線振動和受力分析兩個方面來理解：線路振動時，會形成無數(shù)的波腹和波節(jié)，而波節(jié)處在會反復受到曲折的動態(tài)應力影響，覆冰處導線剛度較大波節(jié)處會因為曲折動態(tài)應力導致覆冰破裂；波腹處受到的慣性力最大，而導線和冰層的剛度不同。冰層粘結在導線表面，冰層與相鄰兩個防冰環(huán)之間的摩擦力與防冰環(huán)外側(cè)冰受到的相互作用剪切力等于冰的重力。當摩擦力小于防冰環(huán)外的冰層最大剪切破壞力時，兩個防冰環(huán)之間的覆冰將會脫落。

2.2.2 粘彈鉛芯阻尼器

粘彈鉛芯阻尼器由鋼板、高分子粘彈性材料和鉛芯組成。粘彈鉛芯阻尼器依靠粘彈性材料和在鐵塔發(fā)生較強振動時能夠通過鉛和粘彈性材料的剪切滯回變形耗能機制耗散能量，達到降低振動幅值的能力。

李黎[22]等安裝粘彈鉛芯阻尼器進行了多種脫冰工況的數(shù)值仿真，結果表明粘彈性鉛芯阻尼器的減震效果顯著，減震率達到28.8%以上。減震率計算公式定義為：

式中，α為減震率，x0為未安裝阻尼器時的位移量，x1為安裝阻尼器后位移量。

2.2.3 相間間隔棒

相間間隔棒安裝于線路兩相導線之間，可以有效控制相間距離。若三相從上向下排列，最下相可以采用絕緣子加拉線的方式與大地相連，這樣當線路發(fā)生脫冰跳躍時也可以使導地線之間保持安全距離。

王黎明[23]等模擬了不同組合的相間間隔棒安裝組合，結果表明脫冰過程中相間距離能有效保持安全距離并且間隔棒和金具的受力能力完全能滿足使用。

2.2.4 加強懸垂線夾緊固螺栓

《GB/T 2314-2008電力金具通用技術條件》規(guī)定各種冰區(qū)導線型號的不平衡張力與導線拉斷力占比規(guī)范。如果脫冰跳躍產(chǎn)生的不平衡張力使導致導線在線夾內(nèi)發(fā)生滑移，說明設計規(guī)格不能滿足事故線路的運行條件，此時可以考慮將懸垂線夾適當加強，更換緊固螺栓，同時，施工時保證達到緊固力要求。

2.2.5 其他辦法

除上述辦法外，脫冰問題的治理措施還有很多種：（1）加密子導線間隔棒。對于分裂導線比常規(guī)線路安裝了更多的間隔棒，子導線脫冰時影響更小。（2）直線塔改耐張塔。耐張塔可以有效地減小脫冰跳躍對導地線、絕緣子金具串等影響。（3）I串改V串。據(jù)相關資料，一定條件下，重冰區(qū)采用懸垂V串，導線脫冰跳躍時穩(wěn)定性好。（4）加裝重錘片。加裝重錘片減小絕緣子串的擺動幅度，防止動態(tài)張力對絕緣子串和金具的損壞等。

3.存在問題及未來研究方向

本節(jié)希望可以對輸電線路脫冰跳躍的影響因素及防治措施進行了分析，給出存在的問題和未來發(fā)展方向，旨在更好地對輸電線路脫冰問題進行防范和治理。

設計線路路徑有很大局限性，因此有必要加強線路覆冰狀態(tài)的監(jiān)測，特別是脫冰跳躍受災高發(fā)區(qū)，使用傳感器技術和信息技術、人工除冰等手段把災害消滅在萌芽中。

雖然目前對于脫冰跳躍災害的治理手段有很多，但每一種都存在著一定的缺陷?，F(xiàn)有的粘彈鉛芯阻尼器尺寸較小，提供的阻尼力非常有限；相間間隔棒的組合安裝方式需要經(jīng)過嚴格的模擬計算，安裝位置不好會使防治效果很差，并且可能會增加舞動和次檔距振蕩的風險等。治理工具的最佳使用場景需要進一步研究，并且繼續(xù)研發(fā)高效、經(jīng)濟的脫冰治理用具和手段。

4.結語

國內(nèi)外對脫冰跳躍的研究表明：影響脫冰跳躍的因素很多，需要結合實際情況分析；脫冰災害的防治措施研究需要從未建設的線路規(guī)劃設計防范、已有線路的治理兩個方面入手。目前，脫冰跳躍防治手段均存在局限性，新的治理手段和用具需要進一步研究。