输电线路覆冰的形成、危害及防治
0 引言
输电线路严重覆冰将会造成主网线路发生倒塔(杆)及断线事故，形成大面积停电、电网崩溃瓦解的重特大电网事故。因此，加强和改善输电线路的抗覆冰能力，有效降低输电线路事故，构造坚强电网，是我们电力企业义不容辞的责任。
1 输电线路覆冰的形成
1.1 导线覆冰的基本物理过程
当过冷却在0 ℃及其以下的云中或雾中水滴与输电线路导线表面碰撞并结冻时，覆冰现象产生。在冬季当温度低于0 ℃时，大气中的小水滴将发生过冷却；在高海拔或高空甚至在夏季水滴也会发生过冷却。处于过冷却水滴包围的输电线路导线与气流中过冷却水滴发生碰撞，并冻结在导线表面而形成覆冰。导线表面发生覆冰现象必须满足三个条件，即：①大气中必须有足够的过冷却水滴；②过冷却水滴被导线捕获；③过冷却水滴立即冻结或在离开表面前冻结。
1.2 导线覆冰的发展过程
严冬或初春季节，当气温下降至-5-0℃，风速为3-15m/s时，如遇大雾或毛毛雨，首先将在导线上形成雨凇；如气温升高，天气转晴，雨凇则开始融化，覆冰过程随温度升高终止；如天气骤然变冷，气温下降，出现雨雪天气，冻雨或雪则在黏结强度很高的雨凇冰面上迅速增长，形成密度大于0.6g/cm的较厚的冰层；如温度继续下降至-15--8℃，原有冰层外侧积覆雾凇。这种过程将导致导线表面形成雨凇-混合凇-雾凇的复合冰层。如在这种过程中，天气变化，出现多次晴-冷天气，则融化加强了冰的密度，如此往复发展将形成雾凇和雨凇交替重叠的混合冻结物，即混合凇。
导线覆冰首先在迎风面上生长，如风向不发生急剧变化，迎风面上覆冰厚度就会继续增加。当迎风面冰达到一定厚度，其重量足以使
导线扭转时，导线发生扭转现象；导线再扭转，覆冰就会继续成长变大，终于在导线上形成圆形或椭圆形覆冰。
3
1.3 导线覆冰的必要条件
导线覆冰的必要条件是：①具有足可冻结的气温，即0℃以下；②具有较高的湿度，即空气相对湿度一般在85%以上；③具有可使空气中水滴运动之风速，即大于1m/s的风速。
当空气相对湿度小或无风、风速很小时，即使空气温度在0℃以下，导线上基本不会发生覆冰现象。
1.4 导线覆冰的类型
表1 导线覆冰的类型
1.5 几种易覆冰的地形及地势
①垭口即绵延的山脉间所形成的低凹处，是气流集中加速之处。当送电线路处于垭口或横跨垭口时，由于风速加大，致使覆冰增加。
②高山分水岭即送电线路翻越两个水系或两条河流的分水岭，地势较高，空旷开阔，风冰负荷较重。
③水气增大型地势
在送电线路附近有较大的江、河、湖泊、水库等水体时，使水气增大而导致覆冰量加大。
④地形抬升型地势即在平坝地区拔地而起的突出山峰及盆地中一侧较低另一侧较高的台地及陡崖，由于盆地辐射冷却所形成的云雾，沿山坡上升到较高的台地或山顶，成云成冰，导致输电线路覆冰负荷增大。
线路设计时，应尽量避开以上地区。
2 输电线路覆冰的危害
2.1 输电线路覆冰造成的事故及故障
①因覆冰所增加的机械荷载超过设计允许值到一定程度时，造成断线、倒杆塔事故； ②上下或水平排列的导线，因导线覆冰脱落发生不同步跳跃舞动，造成上下或水平导线接近发生相间短路跳闸（下图为线路脱冰过程）；
图1 线路脱冰过程
③架空地线因无电流通过，温度低于导线，其覆冰厚度可能大于导线，而使其弧垂增大，缩小了与导线的距离，到一定程度时与导线之间会发生闪络（详见覆冰跳闸分析）；
④覆冰使导线、架空地线弧垂增大。由于线路各档内覆冰厚度不均匀，会使各档内导线弧垂变化相差很大，致使悬垂绝缘子串发生倾斜，导线弧垂过大造成对地面或交叉物的距离减小到危险的程度，甚至发生闪络；
⑤绝缘子串覆冰降低了绝缘子串的绝缘水平，如果覆冰、积雪贯穿整串绝缘子，则会引起绝缘子闪络。
2.2 忻州供电分公司历次覆冰造成的经济损失情况
①1986年11月23日，220kV神原线127#覆冰倒塔事故、220kV神匡线108#-109#覆冰断线事故经济损失情况：(停电10天)
②2000年11月9日，500kV神侯Ⅱ回线85#-86#覆冰掉闸故障经济损失情况：
③2003年4月18日220kV神匡线112-113#右边线上子线断线，导线断落地面造成永久
性接地故障经济损失情况：
④2007年2月28日-3月4日，500kV神忻Ⅰ、Ⅱ回线、神原Ⅰ、Ⅱ回线覆冰掉闸故障经济损失情况：
以上四次覆冰掉闸经济损失共计：3628.9739万元。
2.3 2000年11月9日500kV神侯Ⅱ回线85#-86#覆冰掉闸故障分析
2000年11月9日17时40分，500kV神侯Ⅱ回线双高频保护A相动作掉闸，重合复掉，18时20分试送成功。神头侧测距为：30km，侯村侧测距为130km，74距神头30.2m，84距侯村130m，经查发现该线85#-86#档内架空地线覆冰后，使其弧垂增大，缩小了与导线的距离造成单相接地短路眺闸。 2.3.1 线路简介
①设备概况
#
#
②导、地线技术参数
#
#
③南岭气象覆冰站（107-108之间）测取的气象资料
#
#
④故障档85-86相关数据：
图2 ZB4铁塔导线、地线相对位置图
由于h/L=10.5/361=2.9%＜10% 因此弧垂可用平抛物线公式计算 2.3.2 架空地线拉应力计算
思路：设导线相对地线静止不动，先设取地线覆冰厚度b→求g2→求g3→求地线覆冰后应力→求σ→求地线覆冰后故障点弧垂f→求地线无风及覆冰条件下故障点弧垂变量f△。
①、计算垂直比载 A、自重比载
g1=8.5192×10 kg/m·mm
式中：g1 -自重比载 查表为：8.5192kg/m·mm
B、冰重比载
设取b=10mm（b为覆冰厚度，单位mm）则 g2=2.83×[b×(d+b)]÷s×10式中：g2-冰重比载，kg/m·mm
d-架空地线的计算直径，mm，查表为11mm s-架空地线的计算截面积，mm，查表为72.19mm代入后得：g2=8.2324×10kg/m·mm
C、自重与冰重比载
g3=g1 +g2=(8.5192+8.2324)×10 =16.7516×10kg/m·mm②、计算应力 应用状态方程式：
-3
-3
2
-3
22
2
2
-3
2
-3
2
σ－[(lg)÷(24βσ)] =
σm－[(lgm)÷(24βσm)]－(σ÷β)×(t-tm) 式中：gm-初始比载，值取g1=8.5192kg/m·mm
σm-初始应力，平均气温、档距条件查得10.3kg/mmtm-初始温度，5℃
g-取g3=16.7516×10kg/m·mmt-－5℃（覆冰时温度）
α-架空地线的线膨胀系数，11.5×101/℃ β-架空地线的弹性模量，18500kg/mm
2
2
-6
-3
2
2
2
22
2
222
l-取l规=361m 代入各数值后求得σ=10.3068kg/mm ③、覆冰后弧垂变化情况计算
故障点距85、86塔距离为：l1=242m 、l2=194m，85-86档平均气温条件下故障点地线的弧垂为：
f平均 = (gl1l2) ÷(2σ)
式中：σ=9.81kg/mm，g=g1=8.5192×10kg/m·mm σ、g均为对应条件下的取值，代入数值后 f平均=20.5956m
85-86档10mm覆冰条件下故障点地线的弧垂为：
f覆冰=(gl1l2) ÷(2σ) 式中：g= g3
σ=10.3068kg/mm
2
#
#
2
-3
2
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#
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#
代入后求得：f覆冰=38.152m
导线在平均气温条件下故障点的弧垂为： f平均=(gl1l2) ÷(2σ)
式中：g取g1=3.3256×10kg/m·mm
σ=3.62kg/mm 代入数值后求得：f平均=21.56m 所以地线弧垂增加值为：
fΔ=f覆冰－f平均=38.152－20.5956=17.5564m 平均气温条件下故障点导地线间的垂直距离为： 21.56+5+6－38.152=－5.59m ④结论
A、－5.59m表明地线低于导线
B、地线与导线水平距离为：2.25-0.225=2.025m （0.225为导线分裂间距0.45m的1/2） C、架空地线覆冰后，使其弧垂增大，缩小了与导线的距离是造成短路眺闸的主要原因。
2
-3
2
3 输电线路防止覆冰的措施
3.1 提高工程设计标准，把好设计和施工质量关
线路设计选线时，尽量避开重冰区，如无法避让可采取：
①在风速和覆冰厚度上要研究，设计条件要至少按30年一遇的强冰雪天气进行设计； ②导线、绝缘子及金具使用加强型的，铁塔要选用呼称高低而且受力较大的； ③减小档距，多设耐张段，多采用耐张塔，尽量减少事故时的影响面积，防止事故扩张； ④注意导线、绝缘子、金具、杆塔、拉线的质量，确保达到设计的应力要求； ⑤塔基的浇筑、导线弧垂要严格按设计施工。
3.2 加强日常维护管理，搞好线路通道内障碍物的清理（树木、灌、乔木、配电线路等）
进入覆冰季节前，运行单位及时组织线路巡线员对所辖输电线路进行巡视，仔细检查电力线路可能存在的问题：如拉线的松紧，导线绝缘子的完好，线路通道内树木的生长高度、输电线与配电线的交叉距离等，及时发现及时处理，避免发生覆冰后导线与交叉跨越限距不足的跳闸故障、倒塔、倒杆及断线事故。
3.3 采取辅助可行的防导、地线覆冰措施
①沿导、地线每隔一定间隔装设一个特制的隔冰塑料环，以阻止冰雪沿导线绞合方向逐渐发展成连续的圆筒状冰柱。当冰雪发展到环处被阻挡，使冰继续增厚，直至脱落；
②沿导、地线每隔一定间隔加装带有力臂的防冰球。主要作用是限制导、地线发生继续扭转覆冰。当迎风面覆冰后，由于受到防冰球给导线一个反向扭力的作用，覆冰达到一定厚度时导、地线也不会很快发生扭转，由于受覆冰自身重量和风力的作用，将会发生覆冰自行脱落，避免发生导、地线上形成圆形或椭圆形覆冰。
③采用具有防覆冰功能的新型的改性硅溶胶- 苯丙乳液为基料,吸光性能良好的过渡金属复合氧化物为颜料的疏水防冰涂料，有一定的防覆冰效果，是输电线路防覆冰的一种简便易行的防范措施。
3.4 导线覆冰后采取机械除冰
魁北克电力试验研究院（IREQ）研制开发了遥控破冰机器人。破冰机器人可将两铁塔之间线路上的覆冰剪碎，进行除冰，其不受线路金具影响，可以翻越线路上蓝球大小的障碍，物遥控破冰机器人使用蓄电池，在线路停电状态下进行工作（遥控破冰机器人除了清除线路覆冰，还可以检查、清扫架空地线、线路和线路金具）。
4 结束语
我国是世界上输电线路严重覆冰的地区之一, 因此, 覆冰技术的研究和探讨无疑对提高我们日常输电线路的安全运行及解决高湿、高海拔、微地形微气象地区输电线路覆冰问题都将是有积极意义的。
输电线路覆冰的形成、危害及防治
0 引言
输电线路严重覆冰将会造成主网线路发生倒塔(杆)及断线事故，形成大面积停电、电网崩溃瓦解的重特大电网事故。因此，加强和改善输电线路的抗覆冰能力，有效降低输电线路事故，构造坚强电网，是我们电力企业义不容辞的责任。
1 输电线路覆冰的形成
1.1 导线覆冰的基本物理过程
当过冷却在0 ℃及其以下的云中或雾中水滴与输电线路导线表面碰撞并结冻时，覆冰现象产生。在冬季当温度低于0 ℃时，大气中的小水滴将发生过冷却；在高海拔或高空甚至在夏季水滴也会发生过冷却。处于过冷却水滴包围的输电线路导线与气流中过冷却水滴发生碰撞，并冻结在导线表面而形成覆冰。导线表面发生覆冰现象必须满足三个条件，即：①大气中必须有足够的过冷却水滴；②过冷却水滴被导线捕获；③过冷却水滴立即冻结或在离开表面前冻结。
1.2 导线覆冰的发展过程
严冬或初春季节，当气温下降至-5-0℃，风速为3-15m/s时，如遇大雾或毛毛雨，首先将在导线上形成雨凇；如气温升高，天气转晴，雨凇则开始融化，覆冰过程随温度升高终止；如天气骤然变冷，气温下降，出现雨雪天气，冻雨或雪则在黏结强度很高的雨凇冰面上迅速增长，形成密度大于0.6g/cm的较厚的冰层；如温度继续下降至-15--8℃，原有冰层外侧积覆雾凇。这种过程将导致导线表面形成雨凇-混合凇-雾凇的复合冰层。如在这种过程中，天气变化，出现多次晴-冷天气，则融化加强了冰的密度，如此往复发展将形成雾凇和雨凇交替重叠的混合冻结物，即混合凇。
导线覆冰首先在迎风面上生长，如风向不发生急剧变化，迎风面上覆冰厚度就会继续增加。当迎风面冰达到一定厚度，其重量足以使
导线扭转时，导线发生扭转现象；导线再扭转，覆冰就会继续成长变大，终于在导线上形成圆形或椭圆形覆冰。
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1.3 导线覆冰的必要条件
导线覆冰的必要条件是：①具有足可冻结的气温，即0℃以下；②具有较高的湿度，即空气相对湿度一般在85%以上；③具有可使空气中水滴运动之风速，即大于1m/s的风速。
当空气相对湿度小或无风、风速很小时，即使空气温度在0℃以下，导线上基本不会发生覆冰现象。
1.4 导线覆冰的类型
表1 导线覆冰的类型
1.5 几种易覆冰的地形及地势
①垭口即绵延的山脉间所形成的低凹处，是气流集中加速之处。当送电线路处于垭口或横跨垭口时，由于风速加大，致使覆冰增加。
②高山分水岭即送电线路翻越两个水系或两条河流的分水岭，地势较高，空旷开阔，风冰负荷较重。
③水气增大型地势
在送电线路附近有较大的江、河、湖泊、水库等水体时，使水气增大而导致覆冰量加大。
④地形抬升型地势即在平坝地区拔地而起的突出山峰及盆地中一侧较低另一侧较高的台地及陡崖，由于盆地辐射冷却所形成的云雾，沿山坡上升到较高的台地或山顶，成云成冰，导致输电线路覆冰负荷增大。
线路设计时，应尽量避开以上地区。
2 输电线路覆冰的危害
2.1 输电线路覆冰造成的事故及故障
①因覆冰所增加的机械荷载超过设计允许值到一定程度时，造成断线、倒杆塔事故； ②上下或水平排列的导线，因导线覆冰脱落发生不同步跳跃舞动，造成上下或水平导线接近发生相间短路跳闸（下图为线路脱冰过程）；
图1 线路脱冰过程
③架空地线因无电流通过，温度低于导线，其覆冰厚度可能大于导线，而使其弧垂增大，缩小了与导线的距离，到一定程度时与导线之间会发生闪络（详见覆冰跳闸分析）；
④覆冰使导线、架空地线弧垂增大。由于线路各档内覆冰厚度不均匀，会使各档内导线弧垂变化相差很大，致使悬垂绝缘子串发生倾斜，导线弧垂过大造成对地面或交叉物的距离减小到危险的程度，甚至发生闪络；
⑤绝缘子串覆冰降低了绝缘子串的绝缘水平，如果覆冰、积雪贯穿整串绝缘子，则会引起绝缘子闪络。
2.2 忻州供电分公司历次覆冰造成的经济损失情况
①1986年11月23日，220kV神原线127#覆冰倒塔事故、220kV神匡线108#-109#覆冰断线事故经济损失情况：(停电10天)
②2000年11月9日，500kV神侯Ⅱ回线85#-86#覆冰掉闸故障经济损失情况：
③2003年4月18日220kV神匡线112-113#右边线上子线断线，导线断落地面造成永久
性接地故障经济损失情况：
④2007年2月28日-3月4日，500kV神忻Ⅰ、Ⅱ回线、神原Ⅰ、Ⅱ回线覆冰掉闸故障经济损失情况：
以上四次覆冰掉闸经济损失共计：3628.9739万元。
2.3 2000年11月9日500kV神侯Ⅱ回线85#-86#覆冰掉闸故障分析
2000年11月9日17时40分，500kV神侯Ⅱ回线双高频保护A相动作掉闸，重合复掉，18时20分试送成功。神头侧测距为：30km，侯村侧测距为130km，74距神头30.2m，84距侯村130m，经查发现该线85#-86#档内架空地线覆冰后，使其弧垂增大，缩小了与导线的距离造成单相接地短路眺闸。 2.3.1 线路简介
①设备概况
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②导、地线技术参数
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③南岭气象覆冰站（107-108之间）测取的气象资料
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④故障档85-86相关数据：
图2 ZB4铁塔导线、地线相对位置图
由于h/L=10.5/361=2.9%＜10% 因此弧垂可用平抛物线公式计算 2.3.2 架空地线拉应力计算
思路：设导线相对地线静止不动，先设取地线覆冰厚度b→求g2→求g3→求地线覆冰后应力→求σ→求地线覆冰后故障点弧垂f→求地线无风及覆冰条件下故障点弧垂变量f△。
①、计算垂直比载 A、自重比载
g1=8.5192×10 kg/m·mm
式中：g1 -自重比载 查表为：8.5192kg/m·mm
B、冰重比载
设取b=10mm（b为覆冰厚度，单位mm）则 g2=2.83×[b×(d+b)]÷s×10式中：g2-冰重比载，kg/m·mm
d-架空地线的计算直径，mm，查表为11mm s-架空地线的计算截面积，mm，查表为72.19mm代入后得：g2=8.2324×10kg/m·mm
C、自重与冰重比载
g3=g1 +g2=(8.5192+8.2324)×10 =16.7516×10kg/m·mm②、计算应力 应用状态方程式：
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σ－[(lg)÷(24βσ)] =
σm－[(lgm)÷(24βσm)]－(σ÷β)×(t-tm) 式中：gm-初始比载，值取g1=8.5192kg/m·mm
σm-初始应力，平均气温、档距条件查得10.3kg/mmtm-初始温度，5℃
g-取g3=16.7516×10kg/m·mmt-－5℃（覆冰时温度）
α-架空地线的线膨胀系数，11.5×101/℃ β-架空地线的弹性模量，18500kg/mm
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l-取l规=361m 代入各数值后求得σ=10.3068kg/mm ③、覆冰后弧垂变化情况计算
故障点距85、86塔距离为：l1=242m 、l2=194m，85-86档平均气温条件下故障点地线的弧垂为：
f平均 = (gl1l2) ÷(2σ)
式中：σ=9.81kg/mm，g=g1=8.5192×10kg/m·mm σ、g均为对应条件下的取值，代入数值后 f平均=20.5956m
85-86档10mm覆冰条件下故障点地线的弧垂为：
f覆冰=(gl1l2) ÷(2σ) 式中：g= g3
σ=10.3068kg/mm
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代入后求得：f覆冰=38.152m
导线在平均气温条件下故障点的弧垂为： f平均=(gl1l2) ÷(2σ)
式中：g取g1=3.3256×10kg/m·mm
σ=3.62kg/mm 代入数值后求得：f平均=21.56m 所以地线弧垂增加值为：
fΔ=f覆冰－f平均=38.152－20.5956=17.5564m 平均气温条件下故障点导地线间的垂直距离为： 21.56+5+6－38.152=－5.59m ④结论
A、－5.59m表明地线低于导线
B、地线与导线水平距离为：2.25-0.225=2.025m （0.225为导线分裂间距0.45m的1/2） C、架空地线覆冰后，使其弧垂增大，缩小了与导线的距离是造成短路眺闸的主要原因。
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3 输电线路防止覆冰的措施
3.1 提高工程设计标准，把好设计和施工质量关
线路设计选线时，尽量避开重冰区，如无法避让可采取：
①在风速和覆冰厚度上要研究，设计条件要至少按30年一遇的强冰雪天气进行设计； ②导线、绝缘子及金具使用加强型的，铁塔要选用呼称高低而且受力较大的； ③减小档距，多设耐张段，多采用耐张塔，尽量减少事故时的影响面积，防止事故扩张； ④注意导线、绝缘子、金具、杆塔、拉线的质量，确保达到设计的应力要求； ⑤塔基的浇筑、导线弧垂要严格按设计施工。
3.2 加强日常维护管理，搞好线路通道内障碍物的清理（树木、灌、乔木、配电线路等）
进入覆冰季节前，运行单位及时组织线路巡线员对所辖输电线路进行巡视，仔细检查电力线路可能存在的问题：如拉线的松紧，导线绝缘子的完好，线路通道内树木的生长高度、输电线与配电线的交叉距离等，及时发现及时处理，避免发生覆冰后导线与交叉跨越限距不足的跳闸故障、倒塔、倒杆及断线事故。
3.3 采取辅助可行的防导、地线覆冰措施
①沿导、地线每隔一定间隔装设一个特制的隔冰塑料环，以阻止冰雪沿导线绞合方向逐渐发展成连续的圆筒状冰柱。当冰雪发展到环处被阻挡，使冰继续增厚，直至脱落；
②沿导、地线每隔一定间隔加装带有力臂的防冰球。主要作用是限制导、地线发生继续扭转覆冰。当迎风面覆冰后，由于受到防冰球给导线一个反向扭力的作用，覆冰达到一定厚度时导、地线也不会很快发生扭转，由于受覆冰自身重量和风力的作用，将会发生覆冰自行脱落，避免发生导、地线上形成圆形或椭圆形覆冰。
③采用具有防覆冰功能的新型的改性硅溶胶- 苯丙乳液为基料,吸光性能良好的过渡金属复合氧化物为颜料的疏水防冰涂料，有一定的防覆冰效果，是输电线路防覆冰的一种简便易行的防范措施。
3.4 导线覆冰后采取机械除冰
魁北克电力试验研究院（IREQ）研制开发了遥控破冰机器人。破冰机器人可将两铁塔之间线路上的覆冰剪碎，进行除冰，其不受线路金具影响，可以翻越线路上蓝球大小的障碍，物遥控破冰机器人使用蓄电池，在线路停电状态下进行工作（遥控破冰机器人除了清除线路覆冰，还可以检查、清扫架空地线、线路和线路金具）。
4 结束语
我国是世界上输电线路严重覆冰的地区之一, 因此, 覆冰技术的研究和探讨无疑对提高我们日常输电线路的安全运行及解决高湿、高海拔、微地形微气象地区输电线路覆冰问题都将是有积极意义的。