摘要：导线作为电能传输的载体，不仅可以确保电能的稳定输出，而且还可以满足线路安全稳定的运行。所以，输电线路对导线的选型设计一直是电网建设和发展的重点。架空输电线路导线的选型，不仅需要考虑导线的电传导性能，而且还需要满足架空线路的机械性能。而近年来架空输电线路电网覆冰严重影响电力系统的运行稳定性。本文作者从导线选型原则、总截面、电磁环境、导线线型技术等方面研究重冰区的架空输电线路导线选型，旨在提高线路抗冰能力。
关键词：重冰区；架空输电线路；导线选型
寒冬因为持续的雨雪天气，输电线路大多覆冰，导线不堪重负断线，电力设施遭到破坏，输送线路大范围中断。特别是重冰区海拔较高，而地形搞起起伏较大，加之气候变化频繁。所以，重冰区线路导线必须具有承受较大冰荷载的性能，重冰区电网建设的发展面临一定程度的挑战。针对重冰区的特点决定了导线截面和结构的选择除过满足系统输送容量的要求外，还要考虑冰、风荷载对机械强度的要求。为了提高线路的抗冰能力，确保重冰区输电的正常，该地区导线选型成为架空输电线路建设的一项重要内容。
1导线选型基础分析
1.1导线覆冰前提条件
架空输电线路导线覆冰需要具备以下几个条件：（1）要求外界环境具备能够使水滴冻结的环境温度，一般水滴的冻结温度在0℃以下就可以。实际情况下要求外界环境保持在-20-2℃，才能确保液滴在冻结的过程中释放处内部的潜热。（2）外界环境必须具备较高的湿度（5-8%以上），为覆冰提供水源。（3）外部环境具有能够凝结的水滴或者云雾，气候干燥地区缺乏水汽，导线覆冰问题很难出现。（4）外界具有较大的风速（1-10m/s），可确保过冷水滴发生相对运动，实现导线与水滴之间的碰撞，进而发生导线覆冰。但是风速过大或过小，即使温度满足导线仍然不会产生覆冰现象。水滴体积过大，温度过冷，碰撞率越高，周边环境会影响水滴潜热散发形成雨淞。
1.2导线选型主要原则
为了解决架空输电线路导线覆冰问题，通常高压线路导线采用四分裂小截面导线。然而重冰区线路因为冰荷载较大，若仍然采用四分裂小截面导线设计方案在一定程度上增加了铁塔带来的额外荷载。同时从经济角度分析也会增加工程造价。重冰区导线选择主要遵循以下原则：（1）能够满足线路对电量输送的最大输送容量；（2）具有相当的过度荷载能力以及机械强度；（3）在覆冰情况下有绝对足够的安全性；（4）经济合理性。
1.3导线总截面的选择
重冰区冰荷载比较大，而且在运输中电量消耗也比较大，选择不当可能影响运行、甚至是对安全造成威胁或者带来经济损失等，因此导线总截面的选择十分重要。选择截面时，要同时满足三大要求：（1）在遇到冰、雪、冰封等恶劣条件下，导线能承受的最低强度，不会出现断线的现象。（2）导线能够满足长时间负荷下正常工作最大电流的需要。（3）按照规定，导线的电压降不能超过允许电压降。
2 架空输电线路导线线型初选
2.1导线特性差异
针对重冰区病害的威胁，对不同导线进行计算，对比导线的弧垂性、杆塔塔头间隙设计的差异计算。主要内容包括以下几方面：
2.1.1计算悬挂点安全系数
导线断线点一般容易发生在线夹出口处和导线接头处等集中应力点，而悬挂点处则是一档线内应力最大的位置。所以，最直观的方法是计算出大覆冰、稀有覆冰导线在杆塔悬挂点处的最大综合应力，然后再对比各导线在悬挂点处的安全系数。
2.1.2不平衡张力计算
通过分析研究发现多数倒塌事故主要是因为杆塔前后产生纵向不平衡张力，而导线不均匀覆冰或断线均会产生纵向不平衡张力。断线事故的发生会导致停电，然而此时杆塔如果不能承受纵向不平衡张力，事故会进一步严重化，即发生横担弯折、倒塌。
2.1.3舞动时导线动态张力计算
导线舞动也容易导致断线、倒塌事故。导线舞动时的最大张力一般情况下是静态张力的2倍，本文将计算各种导线舞动时的最大张力，以比较各种导线的动态机械特性和对杆塔的影响。
2.1.4 导线弧垂特性
重冰区架空输电线路的一大特点就是在最大覆冰情况下弧垂大，加上重冰区架空输电线路通常在山地中穿过，弧垂过大对高跨森林树木设计较常规线路难度大，需要把杆塔升得更高，需耗费更多的钢材，基础根开占地面积更大，难以在安全、环保和节约之间取得平衡点。因此导线的弧垂特性在重冰区架空输电线路中显得较为重要。
2.2气象组合条件
鉴于本文是针对重冰区架空输电线路线路的导线选型。结合不同的计算需要，计算各种所需的气象组合条件如下（1）最大覆冰和稀有覆冰环境下导线应力需求应按照导线应力状态方程计算，应考虑最低气温、最大风速、最大覆冰等气象组合条件。（2）断线情况发生时，温度在零下5℃，风速为0，覆冰厚度为最大覆冰厚度。不均匀覆冰情况下，温度在零下5℃，风速为10m/s，覆冰厚度为最大覆冰厚度。
2.3舞动时气象组合条件
舞动通常发生在导线覆冰厚度为2.5-48mm的导线上，导线覆冰一般为非对称覆冰，即迎风侧厚，背风侧薄，舞动发生中多为导线中等覆冰，易发生舞动的风速多为10m/s。
2.4架空导线线型
目前架空导线一般选用同心绞导线，即在一根线芯周围螺旋绞上一层或多层单线组成的导线，其相邻层绞向相反，而常用的可供选择的导线型号较多，另外还有曾用于减少高压线路电晕和无线电干扰的扩径导线，用于防止导线微风震动的自阻尼型导线等较少用的导线形式。考虑到重冰区架空送电线路的特点，应首选机械强度及弧垂特性好的导线。
2.5导线选型实践
以500kV输电线路重冰区导线为例，就如何进行选型和注意的相关事项进行阐述，通过科学选型，确保工程质量。（1）按系统要求：线路的最大输送功率为2700ＭＷ，正常运行输送功率为1300ＭＷ，系统推荐的导线截面为4×500mm2。（2）设计气象条件：沿线多为高山大岭，海拔较高，均有覆冰。（3）根据以上沿线覆冰线路建设要求，，综合考虑建议采用四分裂方案，选取强度大、铝股受力好的钢芯铝合金绞线，并提高导线安全系数，降低铝股应力，提高线夹握力均匀性。
3 抗覆冰技术
输电线路的安全稳定运行直接关系到国民经济的发展和人民群众的正常生活，因此面对冰雪灾害，对于广大电力工作者来讲，进一步深入了解线路覆冰的机理和防范措施，在线路设计、施工、维护等环节，尽最大努力减小线路覆冰，是现阶段需要解决的问题。2008年，我国电网遭受了历史罕见的大范围持续低温、强雨雪冰冻灾害袭击，华中、华东地区电网严重受损，送电线路倒塔、断线、跳闸事故频发，电网设施损毁严重。此次冰灾影响范围之广、持续时间之长、受灾程度之重为近50年罕见。
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电网运行与气象条件息息相关，尤其一些极端天气更进一步会对电网的安全构成巨大的威胁，其中覆冰跳跃、覆冰冰闪、不同时间脱冰引起的线路摆动是输电线路的主要灾害。输电线路上覆冰种类较多，常见的有雨淞、雾淞、混合淞、湿雪、冻雨覆冰和冻雾覆冰等，影响导线覆冰的主要的气象因素有气温、空气湿度和风。一般来说最易覆冰的温度为0℃左右。若气温太低，比如在-20～-15℃或更低时，水滴将变成雪花而不易于形成覆冰。当有了足够冻结的温度后，覆冰的形成还必须有较高的空气湿度，一般要求空气湿度达到90%以上。
3.1 构建抗覆冰预警系统
目前，公司运维区段内覆冰区线路信息反馈基本依靠恶劣天气下提前巡视值守，人工巡线时间长，耗费人力大，评断较为主观，尤其是对夜间的线路观测受自然条件和光线影响难以判断，且提供信息不及时，为采取下一步的防范措施提供现场数据支持较少。
覆冰预警系统是在采用导线张力测量、线路图像实时监视和小型气象站相结合的综合监测的基础上，率先引入气象因子“锋区位置”，构建了覆冰成灾模型和危害程度模型，实现了输电线路覆冰形成全过程的监测和预警，有效提高了线路覆冰情况预报的准确性。针对不同等级的线路覆冰情况，系统将发出“红、橙、黄、蓝”不同等级的预警信号，分别代表着“严重、较严重、较轻和轻微”的覆冰影响程度，“严重”级别为最高级。利用该系统，能提前监测线路覆冰情况，在“蓝色”轻微等级覆冰时就能及时采取措施，监控覆冰增长，防止覆冰走向“严重”等级，保证线路的安全运行。
经了解，该系统在某省经推广使用后，效果较好。利用摄相头传输气象数据，运用覆冰成灾模型等对数据进行精确分析，提高了预报的客观性和准确性。系统并已实现远程监控，对线路易覆冰区段设置监测点，各线路覆冰情况实时呈现在防灾减灾指挥系统的GIS（地理信息系统）上。这意味着，技术人员足不出户就可以掌握线路覆冰情况，为公司下一步决策和采取措施提供强有力的数据支持。
3.2 新技术、新方法引进与设计要求
对于新建线路来讲，需要严格按照国家电网公司的技术标准进行设计，采取优化线路路径、优化杆塔布置、加强杆塔结构、选用覆冰过载能力强的导地线等方法，保证线路具有较高的抗覆冰能力。近几年在某省试行推广的复合瓷绝缘子的结构合理、绝缘性能可靠、有效寿命长，结合了瓷绝缘子和复合绝缘子的优点，能够节省RTV多次复涂的费用，有效减少停电作业更换复合绝缘子串造成的经济损失，且具有易清洗、免维护的优良特性，受到了广泛的青睐。当前，复合瓷绝缘子在中重冰区（污区）的防污治理效果明显，尤其是高盐密地区。根据某省公司在±800千伏和±500千伏等7条线路上安装的211946片复合瓷绝缘子来看，从憎水性、机械性能、电气性能等方面进行了挂网复合瓷绝缘子抽取试验检测，各项性能良好，大大提高了绝缘子的抗冰闪能力。
此外，在一些比较常出现覆冰灾害的山区地区，比较典型的是处于河南新密尖山区段500千伏某线，微气候区域特征较为突出，自2006年投运以来，因大面积覆冰舞动导致线路故障跳闸高达12条次，严重威胁线路的安全稳定运行和主网的安全。因此在设计阶段应严格收集线路途经区域的气候气象信息数据，合理避开风口区、垭口区和重覆冰区，对无法避免的的微气象区域要按照提高一个设计标准进行设计，同时应避免采用紧凑型线路杆塔的设计方案。同时2008年冰灾后，某省在线路恢复重建时按照提高抗冰能力的新标准进行技改，增强抵御严重自然灾害的能力。
在覆冰舞动预防方面，根据覆冰舞动图和运维经验，对处于易覆冰舞动的区段，应逐步实现全塔防松措施。
3.3 建立应急预案
电力部门就可以启动应急预案，确保人民群众生产生活安全。重建线路是一项耗费时间长、成本高的工程，而且一般抗冰灾的时间较为紧迫。因此应当树立优化互补的理念，分析导致电网塔倒塌的真正原因，通过局部增加加强型耐张塔、改造直线塔、更换导地线、更换金具等手段，消除短板，达到整体线路优化补强的目的，使运行线路的抗冰能力达到更高水平。
在一些比较常出现覆冰灾害的山区地区，制定一定的处置雨雪灾害事件的方案。这种方案可以根据灾害的程度分为三个等级，首先是因为雨雪冰冻灾害引起的2条以上的输电线路出现断线、倒塔的现象为最严重的程度；其次是省级电网出现输、变、配设施设备较大范围覆冰，重要输电线路断面覆冰达到设计标准的60%；电网设施设备损毁危及电气化铁路、政府机关、军事设施、交通等重要用户供电；因雨雪冰冻灾害导致个别地区电网大面积停电，减供负荷达事故前总负荷的20%及以上、40%以下的任一情况就进入预案最轻级III 级事件。
3.4 机械抗冰除冰法
机械抗冰除冰法主要有，“ADHOC”法以及滑轮铲刮法和强力振动法。
（1）“ADHOC”法就是利用起重机或者是绝缘作业工作，又或者是采取带电直接作业方式机械除冰，有时也会采用手工除冰或者是直升机飞机除冰法，这种方法的能量消耗低，且价格低廉，操作也比较困难，而且安全性能也相对较低。
（2）滑轮铲刮法是一种由地面的相关操作员，通过拉动一个可以在线路上行走的滑轮，从而达到铲除导线覆冰的方法，这种方法是当前位移得到实际应用的机械方法，但是这种方法的波动性比较强，防冰效果不强，且工作强度较大，还很容易受到地形的限制。
（3）强力振动法主要是采用电脉冲或者是电磁力等使导线产生强烈且又在控制范围内的振动来除冰，但对雨凇的效果比较有限，且除冰的效果也不佳。而由于机械除冰法在输电电路上使用时，操作较空难，且安全性能不完善，所以在我国的输电线路中应用较少。
进行定期的维修和检查
高压输送线路对于整个地区的电力输送是十分重要的，因此应综合考虑线路的年度综合检修工作，对处于覆冰舞动区域的线路，避免长时间不检修带来的杆塔螺栓松动、电气部分金具缺失等缺陷。同时在覆冰舞动或其他恶劣天气过后，运维单位应及时安排对受灾区域的线路进行检查，对杆塔螺栓进行紧固，利用无人机对电气金具部分开展全面的巡检，及时消除缺陷。
4 结语
通过以上研究总结出重冰区导线选择建议，具体包括以下几方面：（1）四分裂大截面导线不仅符合导线选型的四大主要原则，尤其在经济性上具有很大的优势。（2）根据电磁环境计算结果表明，四分裂大截面导线设计方案的干扰值小。（3）在输电线路机械性能上，四分裂小截面导线具有良好的承重承压性能，且在最大设计冰厚下，垂直荷载、水平荷载和纵向张力荷载都小，有利于减少费用支出，同时具有较强的抗冰能力。
综上所述，重冰区架空输电线路导线选型电力企业应给予重视。只有真正意义上做好重冰区线路导线合理选型，才可提高重冰区架空输电线路的抗冰能力，确保重冰区电网的安全运行，减少由于冰灾造成的的断线、掉串、导线舞动引起跳闸等事故。
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论文作者:刘平平
论文发表刊物:《基层建设》2019年第26期
论文发表时间:2019/12/18
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