輸電線路類型凍害分析及預(yù)防措施

吳 闖

（國網(wǎng)呼倫貝爾供電公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021000）

由于我國地域廣、山丘較多，輸電線路冰雪災(zāi)害較為常見。以2008 年1 月南方電網(wǎng)冰雪災(zāi)害為例，華東、華中電網(wǎng)系統(tǒng)有多達(dá)幾十條500 kV 線路出現(xiàn)了倒塔現(xiàn)象，進(jìn)而引起輸電線路的解列和停運(yùn)，直接造成貴州境內(nèi)500 kV 的骨干網(wǎng)大面積癱瘓。

實(shí)際上，凍雪或凍雨覆冰主要直接引起輸電線路出現(xiàn)機(jī)械性或電氣性故障，進(jìn)而造成線路負(fù)荷過載、線路舞動(dòng)或斷線、絕緣子發(fā)生閃絡(luò)或倒塔等輸電事故，嚴(yán)重時(shí)會(huì)進(jìn)一步引起電力系統(tǒng)發(fā)生解列，由此對(duì)國民經(jīng)濟(jì)及社會(huì)生產(chǎn)造成的損失難以估量。因此，近年來，相關(guān)學(xué)者及現(xiàn)場技術(shù)人員提高線路防凍保護(hù)的意識(shí)，積極開展防凍研究，從技術(shù)、設(shè)備、維護(hù)措施等多方面進(jìn)行優(yōu)化或改進(jìn)以降低凍害造成的輸電故障損失。

鑒于此，本文開展輸電線路凍害分析，探討現(xiàn)有輸電線路凍害故障預(yù)防技術(shù)的優(yōu)勢及存在的問題，總結(jié)現(xiàn)有輸電線路凍害預(yù)防可行的運(yùn)維措施，有利于科學(xué)指導(dǎo)我國輸電網(wǎng)絡(luò)凍害的預(yù)防與處理，降低凍害所造成的影響，經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義重大。

1 輸電線路凍害類型劃分及成因

對(duì)于架空輸電線路而言，根據(jù)凍害發(fā)生位置及引發(fā)后果的特征差異，可將發(fā)生的凍害類型主要?jiǎng)澐譃闂U塔基礎(chǔ)凍害、接地體損傷凍害、耐張線夾和導(dǎo)線損害凍害、復(fù)合絕緣子凍害及線路附屬設(shè)施凍害等。而對(duì)于電纜線路而言，主要發(fā)生的是電纜線路的凍脹。

1.1 桿塔基礎(chǔ)凍害

土壤的高含水率、高有機(jī)質(zhì)含量、腐殖質(zhì)土及泥炭土等，由于較大的溫度變化及水分補(bǔ)給情況下的相對(duì)復(fù)雜凍特性的影響，造成突然與桿塔發(fā)生機(jī)械應(yīng)力的相互作用[1]。桿塔基礎(chǔ)凍害主要表型為桿塔傾斜、塔材彎曲、斷裂、基礎(chǔ)沉降、上拔和裂紋等。其中起直接作用的是凍土，根據(jù)其特點(diǎn)分為凍脹類凍土、融沉類凍土、流變與蠕變類凍土等類型[2]。

凍脹類凍土主要是指土壤在低溫凍結(jié)情況下發(fā)生內(nèi)部水分凍結(jié)的情況，這會(huì)引起土體體積出現(xiàn)膨脹。凍脹的危害主要在于輸電塔受土體膨脹力的作用出現(xiàn)基礎(chǔ)拔起的現(xiàn)象，且該影響日積月累地使得塔體基礎(chǔ)埋深逐漸減小，直至最終使其失去穩(wěn)定性導(dǎo)致發(fā)生基礎(chǔ)拔斷或者拉斷。融沉類凍土主要是指土壤下方的厚層地下冰以及高寒地區(qū)的冰量凍土層，由于該凍土層埋藏較淺、距離地面相對(duì)較近，在環(huán)境溫度升高或者人工活動(dòng)的干預(yù)影響下會(huì)出現(xiàn)融化現(xiàn)象，以蠕動(dòng)泥流或者熱融沉陷為主要體現(xiàn)的形式，其存在極易誘發(fā)鐵塔的傾斜、剪切變形或者發(fā)生其他的破壞。該類凍土由于其內(nèi)部存在冰包裹體、液態(tài)水、固體礦物顆粒及空氣和水蒸氣等成分比例并非均勻分布，因此凍土形變時(shí)存在各向異性，這會(huì)導(dǎo)致塔體不同塔退發(fā)生不均勻形變，最終致使塔體受力不均勻而發(fā)生傾斜。

1.2 接地體損傷凍害

桿塔接地裝置是防止雷電危害不可或缺的措施之一，由于受外力破壞或電化學(xué)腐蝕等因素影響，接地體容易發(fā)生損傷和斷裂故障。接地體損傷凍害主要表現(xiàn)為接地網(wǎng)斷裂、接地模塊斷裂、接地引線斷裂。柳貢強(qiáng)等對(duì)于凍土區(qū)域輸電線路接地故障機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究與分析，研究結(jié)果表明：①凍土區(qū)域線路運(yùn)行年限越長，接地體故障幾率越大，該類故障極易發(fā)生于焊接點(diǎn)、連接處等薄弱位置；②凍融的頻繁發(fā)生也會(huì)降低桿塔基礎(chǔ)的抗拔力，致使其出現(xiàn)上拔現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致接地體出現(xiàn)破壞性損傷。

1.3 耐張線夾和導(dǎo)線損害凍害

1.3.1 耐張線夾

接續(xù)管壓接和耐張線夾是保證特高壓輸電線路超遠(yuǎn)距離不間斷輸電的重要手段。耐張線夾凍害主要表現(xiàn)為變形、裂紋、斷裂等。吳坤祥等[3]針對(duì)某±800 kV 線路的耐張線夾未壓區(qū)出現(xiàn)的膨脹開裂缺陷進(jìn)行系統(tǒng)研究，通過采用宏觀檢查、解剖及滲水試驗(yàn)等方法，最終揭示了現(xiàn)場耐張線夾出現(xiàn)膨脹開裂的具體原因，即線路上的金具串基本呈倒掛狀態(tài)，將子導(dǎo)線壓接后會(huì)有縫隙存在于鋁股線之間，雨雪天氣液態(tài)水會(huì)通過該縫隙進(jìn)入倒掛的耐張線夾，積累的水多次結(jié)冰膨脹產(chǎn)生的累積效應(yīng)最終會(huì)致使耐張線夾開裂、銹蝕鋼芯，威脅線路輸電安全。

1.3.2 導(dǎo)線

輸配電線路大多直接暴露于自然環(huán)境，雨雪天氣的存在會(huì)致使線路上附著冰雪或者水滴凝結(jié)成冰，即導(dǎo)線覆冰現(xiàn)象[4]。倘若低溫天氣持續(xù)，則導(dǎo)線上的覆冰將持續(xù)累積，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生線路凍害故障。實(shí)際上，線路導(dǎo)線覆冰現(xiàn)象的出現(xiàn)需要3 個(gè)必備條件：一是線路周邊空氣的濕度必須足夠大，水分含量滿足凝結(jié)條件；二是存在附冰物，如導(dǎo)線；三是低溫環(huán)境持續(xù)時(shí)間必須充足以保證導(dǎo)線上冰晶的充分凝結(jié)。

在設(shè)計(jì)輸配電工程中線路的過程中，設(shè)計(jì)人員也會(huì)充分考慮線路覆冰情況，然而，由于同時(shí)兼顧施工難度、成本等因素，線路覆冰設(shè)計(jì)裕度無法從根本上完全抑制覆冰故障的發(fā)生。導(dǎo)線覆冰損害發(fā)生的主要原因就是因?yàn)閷?dǎo)線實(shí)際覆冰的厚度大于設(shè)計(jì)閾值，這會(huì)致使線路承受超過其耐受負(fù)荷的應(yīng)力、出現(xiàn)導(dǎo)線斷裂、桿塔折損等事故。與此同時(shí)，倘如導(dǎo)線覆冰并非均勻發(fā)生，當(dāng)部分線路張力不足時(shí)還會(huì)使桿塔發(fā)生傾斜。此外，線路覆冰也會(huì)導(dǎo)致線路外絕緣層的加速老化或絕緣層的凍裂，這些都會(huì)導(dǎo)致停電故障的發(fā)生。

1.4 復(fù)合絕緣子凍害

復(fù)合絕緣子凍害主要表現(xiàn)為絕緣子材料耐久性和絕緣性能降低，出現(xiàn)橡膠老化、變硬、開裂和芯棒脆斷等現(xiàn)象。當(dāng)線路絕緣子串覆冰或者出現(xiàn)冰凌橋接的現(xiàn)象后，絕緣泄露距離嚴(yán)重縮短，局部沿面絕緣電阻顯著下降，極易發(fā)生沿閃事故，具體表現(xiàn)為絕緣子串表面出現(xiàn)電弧灼傷；與此同時(shí)，絕緣子串易出現(xiàn)不均勻覆冰或不同期脫冰現(xiàn)象，相鄰檔張力差導(dǎo)致直線桿塔承受張力差，使懸垂絕緣子串偏移，碰撞橫擔(dān)，造成絕緣子損傷或破裂[5]。此外，盤形瓷絕緣子在極低溫度環(huán)境下會(huì)由于內(nèi)部溫差的影響導(dǎo)致不同位置“隱患應(yīng)力”。經(jīng)過多次循環(huán)，造成應(yīng)力逐漸增大，最終導(dǎo)致絕緣子劣化[6]。

1.5 電纜線路的凍脹

電纜線路凍漲的成因主要有二：一種是因?yàn)殡娎|隧道積水、本體絕緣性能降低、附屬設(shè)施損壞；另一種原因是電纜隧道在地表以下，夏季持續(xù)性降雨、暴雨或地表以下反水導(dǎo)致電纜溝積水，冬季積水冰凍，導(dǎo)致電纜隧道內(nèi)部發(fā)生故障。

1.6 線路附屬設(shè)施凍害

線路附屬設(shè)施凍害主要表現(xiàn)為在線監(jiān)測系統(tǒng)壽命縮短、電池老化、本體損壞等。

2 輸電線路凍害故障預(yù)防技術(shù)

2.1 桿塔基礎(chǔ)凍害預(yù)防技術(shù)

根據(jù)輸電線路基礎(chǔ)凍害發(fā)生的主要原因，可采用以下幾種技術(shù)措施預(yù)防輸電線路基礎(chǔ)凍害的發(fā)生。

2.1.1 換填根據(jù)前文梳理的桿塔基礎(chǔ)凍害發(fā)生的原理可知，桿塔基礎(chǔ)凍害發(fā)生的關(guān)鍵因素仍在于塔基附近土質(zhì)的多樣性及其凍融特性的差異性，鑒于此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以通過換填法來降低桿塔凍害的發(fā)生，但換填物的選擇、換填比例、換填方式等均需具體情況具體分析。與此同時(shí)，在換填施工過程中，需要注意桿塔塔基周圍土體的含水量不能過高[7]。然而，值得注意的是，換填法施工相對(duì)復(fù)雜，且施工方案設(shè)計(jì)不合理時(shí)會(huì)出現(xiàn)桿塔失穩(wěn)及地的擾動(dòng)等情況，造價(jià)也相對(duì)較高。鑒于此，在實(shí)際工程應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮選用換填法的合理性并兼顧工程造價(jià)。

2.1.2 隔排水

水是凍害現(xiàn)象發(fā)生的先決條件，因此當(dāng)塔基建設(shè)在地下水位較高且凍害容易發(fā)生的地區(qū)時(shí)，可以從隔水和排水2 個(gè)角度分別對(duì)桿塔基礎(chǔ)凍害進(jìn)行控制[8]。例如，在施工過程中，可以采用隔水土工布，利用其將桿塔基礎(chǔ)周圍的土體與高含水率土地相互隔離，這可以顯著減少土體水分遷移，抑制桿塔基礎(chǔ)的凍脹。與此同時(shí)，對(duì)于透水性能較好的基礎(chǔ)土體而言，可以通過增加砂礫石反濾層來進(jìn)行排水，即將礫石反濾層設(shè)置于桿塔基礎(chǔ)側(cè)面。隔排水的方法在預(yù)防桿塔基礎(chǔ)凍害上的原理與換填法的原理較為類似，且施工成本和復(fù)雜度同樣相對(duì)較高，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)需進(jìn)一步考量施工合理性。

2.1.3 隔熱

對(duì)于存在較多年限的高緯度、高海拔地區(qū)的凍土層而言，由于該類凍土層的穩(wěn)定性及機(jī)械性能相對(duì)較差，在其上方開展桿塔建設(shè)施工的過程中，極易發(fā)生多年凍土層融化、退化的現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致桿塔塔基的下沉；與此同時(shí)，建設(shè)完成后由于該區(qū)域的嚴(yán)寒天氣循環(huán)交替，又極易發(fā)生桿塔塔基凍拔現(xiàn)象，這極易造成桿塔塔基的損壞[9]。鑒于該情況，本文建議首先可以在桿塔基礎(chǔ)周圍鋪設(shè)隔熱板，其可以減少施工過程中熱量向凍土層的傳播，以此來減少外界施工對(duì)凍土層溫度場現(xiàn)有分布的破壞，同時(shí)還可以縮小桿塔基礎(chǔ)周圍環(huán)境溫度的差異，減小塔基循環(huán)凍融的發(fā)生程度，抑制嚴(yán)重凍脹現(xiàn)象的發(fā)生。劉萬福等[10]通過仿真計(jì)算論證了上述隔熱板的存在確實(shí)可以有效減少施工對(duì)于地下凍土層溫度場分布的破壞。然而，值得注意的是，本文所提的措施目前只適用于新建設(shè)的桿塔，這是由于早期建設(shè)的桿塔施工較為復(fù)雜，難以施行所提的建議，操作難度大。

2.1.4 反壓

為了降低桿塔凍害發(fā)生時(shí)凍拔現(xiàn)象發(fā)生的嚴(yán)重程度，在一定條件下可以通過增加桿塔自重來與凍拔力進(jìn)行一定的對(duì)抗或抵消，與此同時(shí)，還可以通過增加拉伸等方式進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)桿塔的空間約束，抑制凍拔的發(fā)生。

2.2 接地體損傷凍害預(yù)防技術(shù)

為了保證線路防雷接地的效果，同時(shí)減少因塔基凍害上拔導(dǎo)致接地體的損壞，本文建議采取以下措施：一是輸電塔基設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能避開沼澤地、河灘等冰凍土富含的地區(qū)以降低桿塔上拔的影響，倘若無法避開該類區(qū)域，利用置換土的方式。二是提高焊接工藝、減少接地結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域、提高接地結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性。三是適當(dāng)采用柔性接地方式來緩和塔基上拔時(shí)給接地體帶來的應(yīng)力，抑制接地體破壞性損傷的發(fā)生。

2.3 耐張線夾和導(dǎo)線凍害預(yù)防運(yùn)維措施

2.3.1 耐張線夾

針對(duì)耐張線夾的凍害預(yù)防，本文提出建議的運(yùn)維措施如下：一是加強(qiáng)施工過程的監(jiān)管，確保施工人員在進(jìn)行導(dǎo)地線壓接前應(yīng)清潔壓接位置，且均勻涂抹電力復(fù)合脂，并在壓接時(shí)采取防松線股的相關(guān)措施。二是需要改進(jìn)壓接管，確保壓接管的未壓接區(qū)域增加鋁質(zhì)襯管或者填充電力脂，從根本上避免雨水滲入到耐張線夾的發(fā)生，避免耐張線夾因積水的凍脹而發(fā)生開裂。三是增加運(yùn)維頻次或監(jiān)測設(shè)備，持續(xù)關(guān)注耐張線夾的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在隱患并進(jìn)行針對(duì)性處理。四是通過采用無人機(jī)或直升機(jī)巡視等先進(jìn)運(yùn)維手段提高巡檢的效果。五是適時(shí)開展耐張線夾鼓脹的消缺，對(duì)退役的鼓脹線夾開展機(jī)械拉伸實(shí)驗(yàn)以累計(jì)運(yùn)維數(shù)據(jù)、輔助運(yùn)維策略的制定。此外，還需加強(qiáng)現(xiàn)場缺陷辨識(shí)，并對(duì)未壓區(qū)膨脹開裂的耐張線夾進(jìn)行及時(shí)更換。

2.3.2 導(dǎo)線

針對(duì)架空線的凍害預(yù)防運(yùn)維，本文建議如下：首先，在電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)維過程中，運(yùn)維人員可以將部分監(jiān)視或保證系統(tǒng)安裝于線路上，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)線路狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)督，便于及時(shí)采取有效措施預(yù)防導(dǎo)線覆冰的發(fā)生，同時(shí)提高運(yùn)維人員的防范意識(shí)，定期現(xiàn)場或視頻巡視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在導(dǎo)線覆冰隱患。其次，我國地域東西跨度和南北跨度均較大，不同地區(qū)的氣候千差萬別，在此情況下，針對(duì)不同運(yùn)行工況下的導(dǎo)線采取相同的覆冰設(shè)計(jì)值顯然存在不合理性。鑒于此，十分有必要針對(duì)不同地區(qū)的線路覆冰情況及氣象信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，據(jù)此合理劃分冰區(qū)，針對(duì)導(dǎo)線冰凍極易發(fā)生的地區(qū)，覆冰設(shè)計(jì)余量應(yīng)相對(duì)提高。此外，根據(jù)需要還可適當(dāng)建設(shè)冰情監(jiān)測站以加強(qiáng)導(dǎo)線覆冰的預(yù)防和監(jiān)管。

2.4 復(fù)合絕緣子凍害預(yù)防技術(shù)

其一是從復(fù)合絕緣子制備過程，通過優(yōu)化、改進(jìn)原料和生產(chǎn)工藝制造出可以降低由于溫度變化造成復(fù)合絕緣子組成元件所產(chǎn)生應(yīng)力的復(fù)合絕緣子，據(jù)此減緩其絕緣老化速度。

其二是可以從防冰和除冰的角度出發(fā)，采用加熱除冰或者新材料涂層防冰技術(shù)。文獻(xiàn)[11]借鑒“荷葉效應(yīng)”制備出了一種可以實(shí)現(xiàn)超疏水的涂層，該涂層的存在可有效降低絕緣子的覆冰量。文獻(xiàn)[12]進(jìn)一步研究了絕緣子疏水涂層對(duì)于線路覆冰過程的影響，揭示了帶有疏水涂層絕緣子覆冰延緩的機(jī)制。然而，盡管涂層可以降低覆冰的嚴(yán)重程度，但一且絕緣子表面出現(xiàn)覆冰，則同樣容易出現(xiàn)故障，鑒于此，專家考慮進(jìn)一步從融冰的角度采取可行措施。例如，將可調(diào)電阻涂料添加至硅橡膠涂料研制了可兼顧電熱效應(yīng)的防冰涂層，這在一定程度上抑制冰層覆蓋于絕緣子表面現(xiàn)象的發(fā)生。然而，該類復(fù)合型的涂層材料目前的研究仍然主要以防冰為主、融冰效果相對(duì)較差，這主要是因?yàn)樵擃愲姛嵬繉又腥诒煞痔砑由远嗉磿?huì)引起絕緣子沿面泄露電流的增大，容易引起線路沿面閃絡(luò)的發(fā)生，降低絕緣子的性能、威脅電網(wǎng)運(yùn)行安全。此外，也有學(xué)者嘗試在憎水涂層中添加可以吸收光的材料，其可以將吸收的太陽能轉(zhuǎn)換成融冰的熱能，以此提升線路復(fù)合絕緣子的抗冰、融冰性能，例如張宇等[13]研制出了光熱型涂料用于附著復(fù)合絕緣子表面，并隨即開展了太陽光照強(qiáng)度和實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度等因素對(duì)于復(fù)合絕緣子帶電融冰過程的影響，研究發(fā)現(xiàn)所研制的涂層具有較好的融冰能力，且太陽光照強(qiáng)度的增大或者環(huán)境溫度的升高均會(huì)增強(qiáng)絕緣子表面的融冰效果。

2.5 電纜線路的凍脹預(yù)防運(yùn)維措施

通過采用覆冰監(jiān)測、微氣象監(jiān)測、導(dǎo)線溫度監(jiān)測和視頻圖像監(jiān)測等手段，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或定期監(jiān)視輸電線路溫濕度、拉力、覆冰等狀態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)值及其變化情況，據(jù)此及時(shí)制定措施以抑制線路凍害的發(fā)生。

2.6 線路附屬設(shè)施凍害預(yù)防技術(shù)

針對(duì)線路附屬設(shè)施凍害的防護(hù)，可以從提高設(shè)備生產(chǎn)質(zhì)量、提升電池制備工藝及防凍保護(hù)等方面開展研究工作，以抑制線路附屬設(shè)施凍害的發(fā)生。

3 結(jié)束語

我國輸配電工程中線路存在覆蓋范圍廣、跨度大、密度高的特點(diǎn)，在長期運(yùn)行過程中，線路凍害較為常見，極易誘發(fā)輸電故障，威脅電網(wǎng)運(yùn)行安全。本文系統(tǒng)地梳理了輸電線路的凍害發(fā)生類型及其特點(diǎn)，針對(duì)各種輸電線路凍害提出了切實(shí)可行的運(yùn)維和預(yù)防措施，有利于科學(xué)指導(dǎo)我國輸電網(wǎng)絡(luò)凍害的預(yù)防與處理工作。