劉曉亮，魯海鵬，茍方杰，姚生奎

(國網(wǎng)甘肅省電力公司蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

架空輸電線路作為電能遠(yuǎn)距離傳輸?shù)闹饕ǖ?，其正常運(yùn)行是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)。架空輸電線路大多分布在野外，處于高海拔、覆冰、大風(fēng)等復(fù)雜環(huán)境。復(fù)雜地形環(huán)境引起的微地形和微氣象條件使得架空輸電線路無法完全避讓覆冰區(qū)域，極易造成輸電線路舞動(dòng)、短路、絕緣子閃絡(luò)、斷線等，不利于線路運(yùn)行和維護(hù)工作的開展，甚至可能造成倒塔等重大事故。

為提高輸電線路應(yīng)對覆冰災(zāi)害的能力，保障電網(wǎng)可靠供電，下面對輸電線路覆冰類型及危害進(jìn)行分析，系統(tǒng)總結(jié)當(dāng)前幾種覆冰防治措施的特點(diǎn)及存在問題，并提出輸電線路覆冰防治的新方向。

1 輸電線路覆冰類型及危害

1.1 覆冰類型分析

輸電線路常見的覆冰災(zāi)害類型有雨凇、混合凇、軟霧凇及白霜四種，其各自特點(diǎn)如下。

1) 雨凇。雨凇是混合凇覆冰的一種初級形式，主要發(fā)生在低海拔地區(qū)的凍雨期，當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，空氣中的水分在輸電線路表面聚集并凝結(jié)成冰。不過相對于冰而言，雨凇密度較低、持續(xù)時(shí)間較短。

2) 混合凇。在滿足雨凇發(fā)生條件的基礎(chǔ)上，如果空氣中的水分含量較高且空氣流速較快，就易形成混合凇?；旌馅〉拿芏容^高，并且覆冰發(fā)展速度較快，對導(dǎo)線的危害更為嚴(yán)重。

3) 軟霧凇。軟霧凇的形成同樣與空氣中的水分含量及空氣流速有關(guān)，如果低層云中有著較多的過冷水滴，當(dāng)溫度降低時(shí)就易形成軟霧凇。與其他幾種覆冰類型相比，軟霧凇的密度較低，對導(dǎo)地線的附著性不強(qiáng)，但極易在導(dǎo)地線上形成不均勻覆冰，從而導(dǎo)致輸電線路舞動(dòng)現(xiàn)象。

4) 白霜。當(dāng)外界環(huán)境溫度降到零度以下時(shí)，空氣中的水分在線路表面凝結(jié)白霜，但很難附著在線路表面，對輸電線路運(yùn)行影響較小。

1.2 覆冰危害性分析

根據(jù)輸電線路覆冰災(zāi)害影響的分析，可將影響輸電線路運(yùn)行的載荷分為靜態(tài)載荷和動(dòng)態(tài)載荷。

靜態(tài)載荷包含因覆冰附著而導(dǎo)致塔身、絕緣子及導(dǎo)地線增加的重力荷載；因塔身迎風(fēng)面增大而增加的風(fēng)載荷；以及因桿塔高度不同而導(dǎo)致相鄰兩檔導(dǎo)線沿線路方向產(chǎn)生的不均勻荷載。隨著覆冰厚度的增加，輸電線路承受的重力荷載及風(fēng)荷載也隨之增加，當(dāng)覆冰厚度超出其自身承載極限時(shí)，會(huì)導(dǎo)致塔線體系桿件應(yīng)力及變形超出設(shè)計(jì)值而遭受破壞。

動(dòng)態(tài)載荷是指因?qū)Ь€覆冰舞動(dòng)或?qū)Ь€脫冰跳躍而引發(fā)的沖擊荷載、除冰裝置持續(xù)產(chǎn)生的變化載荷等，其中沖擊載荷的作用時(shí)間短，載荷變化劇烈，對塔線體系危害嚴(yán)重。此外，由于輸電線路覆冰自然脫落以及因除冰措施使用而脫落的位置難以準(zhǔn)確定位，且覆冰導(dǎo)致輸電線路結(jié)構(gòu)破壞的薄弱位置相對隨機(jī)，因而覆冰脫落所產(chǎn)生的沖擊載荷會(huì)不可避免地導(dǎo)致輸電塔線體系的動(dòng)力響應(yīng)發(fā)生變化，進(jìn)而誘發(fā)線路其他位置的覆冰脫落，引起輸電塔線體系更劇烈、更復(fù)雜的動(dòng)力響應(yīng)過程，由此對輸電塔線體系結(jié)構(gòu)造成的危害相對于靜態(tài)載荷更為嚴(yán)重。

2 輸電線路覆冰防治措施分析

目前，輸電線路覆冰災(zāi)害的防治措施主要有防冰和除冰兩類。防冰措施是指在線路建設(shè)中盡量避免途徑覆冰多發(fā)區(qū)域，但受氣候和地形因素的影響，實(shí)際線路途徑區(qū)域很難完全避開覆冰區(qū)域。對于覆冰多發(fā)區(qū)域的輸電線路，往往采取適當(dāng)提高線路設(shè)計(jì)參數(shù)的方式來抵抗覆冰，但同時(shí)造成了投入成本顯著增加。而當(dāng)覆冰災(zāi)害發(fā)生后，最常用的除冰措施主要有直流融冰和機(jī)械振動(dòng)除冰兩類。

2.1 直流融冰

直流融冰是目前消除輸電線路覆冰災(zāi)害比較成熟的技術(shù)之一，通過輸電線路外接直流裝置使線路短路的方式產(chǎn)生幾百甚至上千安培的短路電流以達(dá)到快速融化線路覆冰的目的；此外，也可通過調(diào)整功率潮流、降低線路容抗、降低線路功率因數(shù)等方式使線路電流滿足融冰要求。直流融冰技術(shù)雖然在一定程度上能解決線路覆冰問題，但也存在著一定的局限性。

1) 直流融冰裝置造價(jià)昂貴，有時(shí)會(huì)涉及線路改造以致操作不便，而且融冰裝置工作的準(zhǔn)備時(shí)間較長，在線路覆冰厚度快速發(fā)展時(shí)，會(huì)出現(xiàn)融冰速度跟不上覆冰增長的情況。

2) 直流融冰的基礎(chǔ)條件較高，如果覆冰已導(dǎo)致線路斷線、斷股，則無法采取直流融冰方式。

3) 對于穿越微地形或微氣象區(qū)域的輸電線路，可能會(huì)出現(xiàn)某一條線路的個(gè)別區(qū)段發(fā)生快速大量覆冰，而其他區(qū)段未覆冰或覆冰較輕的情況，此時(shí)如果采取全線路直流融冰方式，會(huì)導(dǎo)致這些區(qū)域的導(dǎo)地線過熱甚至燒斷，進(jìn)而誘發(fā)產(chǎn)生二次事故。

2.2 機(jī)械振動(dòng)除冰

機(jī)械振動(dòng)除冰是指覆冰在導(dǎo)線振動(dòng)過程中軸向拉伸和橫向彎曲的共同作用下，其正應(yīng)力大于其最大正應(yīng)力值時(shí)就會(huì)立即從架空線上脫落。機(jī)械沖擊振動(dòng)除冰裝置是一種可通過人工完全在地面進(jìn)行除冰操作的機(jī)械裝置，當(dāng)線路需要除冰時(shí)，可通過該裝置對覆冰線路施加足以使冰層破裂的高應(yīng)力沖擊荷載，沖擊載荷在導(dǎo)線中產(chǎn)生橫波和縱波并迅速向覆冰導(dǎo)線兩端擴(kuò)散從而使覆冰脫落。但是，該方法的融冰效率較低，只適用于輸電線路高度較低且覆冰范圍較小的情況。

其他除冰方法還有基于沖擊波的電脈沖除冰、電動(dòng)機(jī)械裝置除冰、機(jī)器人除冰等，其中電脈沖除冰法能夠?qū)崿F(xiàn)的除冰長度有限，電動(dòng)機(jī)械裝置及機(jī)器人除冰裝置夾持電纜、防滑、越障等能力不足且控制設(shè)計(jì)十分復(fù)雜。

3 輸電線路覆冰防治新方向

由于上述除冰措施均存在一定的應(yīng)用缺陷，因此，需在輸電線路覆冰災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警方面下功夫以提升輸電線路覆冰災(zāi)害應(yīng)對能力。

現(xiàn)場可采用輸電線路覆冰圖像監(jiān)測技術(shù)獲取輸電線路導(dǎo)地線照片，并通過模糊化、圖像分割、邊緣檢測和徑向距離計(jì)算等方法進(jìn)行一系列處理得到導(dǎo)地線覆冰厚度。

與人員巡視線路相比，該方法可更加準(zhǔn)確直觀地反映輸電線路的實(shí)時(shí)覆冰情況，但無法做到有效預(yù)警，且在實(shí)際工程應(yīng)用中受制于輸電線路覆冰的不均勻現(xiàn)象，通過有限拍攝角度采集得到的圖像難以真實(shí)反映輸電線路的覆冰情況；在單跨檔距過長或者現(xiàn)場可視度很低時(shí)，攝像頭、鏡頭表面起霧結(jié)冰，也會(huì)造成圖像分辨率急劇下降甚至無法采集到輸電線實(shí)時(shí)圖像的情況。

為有效解決這些問題，可通過稱重法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)覆冰厚度的有效監(jiān)測。當(dāng)輸電線路覆冰時(shí)，整個(gè)塔線體系受到的荷載就會(huì)增大，絕緣子串順線路傾角、導(dǎo)地線張力、風(fēng)偏角、弧垂、應(yīng)力、導(dǎo)線傾角、桿塔傾斜度等幾何、力學(xué)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，稱重法就是利用拉力傳感器、角度傳感器等量具測量各個(gè)參數(shù)，再結(jié)合氣象傳感器測得的氣象數(shù)據(jù)，通過輸電線路力學(xué)狀態(tài)方程進(jìn)行綜合分析，利用輸電線路覆冰厚度模型計(jì)算出導(dǎo)地線等值覆冰厚度。

式中：F為懸掛點(diǎn)處的軸向應(yīng)力；為風(fēng)偏平面內(nèi)導(dǎo)線和絕緣子串單位長度覆冰重力；為風(fēng)偏平面內(nèi)導(dǎo)線單位長度自重和覆冰重力之和；為風(fēng)偏平面內(nèi)導(dǎo)線單位長度自重力；為風(fēng)偏平面內(nèi)耐張絕緣子串單位長度自重力；b為等值覆冰厚度；D為導(dǎo)線直徑；L為導(dǎo)線線長；ρ為標(biāo)準(zhǔn)覆冰密度；L'為風(fēng)偏平面內(nèi)的導(dǎo)線線長；β'為風(fēng)偏平面內(nèi)高差角；θ為導(dǎo)線軸向與水平線的夾角；h'為風(fēng)偏平面內(nèi)高差；λ為絕緣子串長度。

此外，還可在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上對輸電線路所在地區(qū)覆冰發(fā)展情況與外界環(huán)境變化情況進(jìn)行匯總，并通過深度學(xué)習(xí)算法研究覆冰條件下溫度、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等氣象因素對導(dǎo)地線覆冰厚度變化的影響規(guī)律，建立覆冰條件下導(dǎo)地線覆冰的多因素預(yù)測模型，對導(dǎo)地線覆冰的發(fā)展情況進(jìn)行預(yù)測，以預(yù)測得到的導(dǎo)地線覆冰發(fā)展情況為依據(jù)，通過多目標(biāo)優(yōu)化算法，建立多目標(biāo)優(yōu)化的除冰決策模型(見圖1)，進(jìn)而基于經(jīng)濟(jì)性或時(shí)效性等目標(biāo)選擇最優(yōu)的除冰措施。

圖1 線路覆冰監(jiān)測及除冰決策模型

4 結(jié)束語

針對輸電線路覆冰災(zāi)害的主要類型及其對線路產(chǎn)生的影響，分析現(xiàn)有的幾種輸電線路覆冰防治措施，并在此基礎(chǔ)上提出了輸電線路覆冰防治準(zhǔn)確監(jiān)測、有效預(yù)測以及科學(xué)選擇除冰方法的發(fā)展方向，有望提升輸電線路覆冰災(zāi)害預(yù)警和應(yīng)對能力。