雨凇,俗稱“樹掛”或“冰凌”,是冬季或早春時(shí)節(jié)一種獨(dú)特的自然景觀。然而,這種看似晶瑩剔透的美景,對(duì)輸電線路卻潛藏著巨大的災(zāi)害隱患——覆冰。雨凇是導(dǎo)致輸電線路嚴(yán)重覆冰災(zāi)害的主要元兇之一,其形成的冰層密度高、附著力強(qiáng),對(duì)電網(wǎng)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。
雨凇如何引發(fā)輸電線路覆冰災(zāi)害
雨凇的形成是特定氣象條件的產(chǎn)物:
氣象條件:- 過冷水滴: 高空存在溫度低于0°C但仍保持液態(tài)的“過冷水滴”。這是雨凇形成的關(guān)鍵。
- 近地低溫: 地面或物體表面溫度低于0°C。
- 降水形式: 過冷水滴以雨、毛毛雨或凍霧的形式降落到低于冰點(diǎn)的物體表面。
物理過程:- 當(dāng)過冷水滴撞擊到冰冷的導(dǎo)線、絕緣子、鐵塔等電力設(shè)施表面時(shí),會(huì)瞬間凍結(jié)。
- 凍結(jié)過程釋放潛熱,但物體表面溫度足夠低,能迅速帶走熱量,使凍結(jié)持續(xù)進(jìn)行。
- 后續(xù)降落的過冷水滴不斷撞擊并凍結(jié)在已形成的冰層上,冰層迅速增厚。
- 雨凇形成的冰層通常透明或半透明、質(zhì)地堅(jiān)硬、密度高(0.6-0.9 g/cm3)、附著力極強(qiáng)。
雨凇覆冰對(duì)輸電線路的主要災(zāi)害隱患
機(jī)械荷載過載(靜力破壞):
- 導(dǎo)線/地線覆冰: 冰層本身重量巨大。隨著冰層增厚,導(dǎo)線和地線的垂直荷載急劇增加,遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值。
- 鐵塔/桿塔覆冰: 塔架本身覆冰增加垂直荷載;導(dǎo)線/地線覆冰后產(chǎn)生的巨大垂直荷載和水平張力(弧垂增大,張力增大)也傳遞到塔架。
- 后果: 導(dǎo)線拉斷、金具損壞、絕緣子串?dāng)嗔选U塔扭曲變形甚至倒塌(尤其是耐張塔、轉(zhuǎn)角塔、終端塔)。
導(dǎo)線舞動(dòng)(動(dòng)力破壞):
- 原因: 覆冰改變了導(dǎo)線原本光滑的空氣動(dòng)力學(xué)截面,形成不規(guī)則形狀(如新月形、扇形)。當(dāng)有穩(wěn)定的橫向風(fēng)(通常4-8級(jí))吹過時(shí),會(huì)在導(dǎo)線上產(chǎn)生周期性變化的升力。
- 后果: 導(dǎo)線發(fā)生大幅值(可達(dá)十幾米)、低頻率(0.1-3Hz)的橢圓軌跡振動(dòng),稱為“舞動(dòng)”。舞動(dòng)會(huì)產(chǎn)生巨大的動(dòng)態(tài)沖擊荷載,極易導(dǎo)致金具疲勞損壞、導(dǎo)線斷股、相間閃絡(luò)、塔頭受損甚至倒塔。
絕緣子冰閃(電氣故障):
- 冰凌橋接: 絕緣子串(尤其是懸垂串)表面及傘裙間會(huì)積聚雨凇冰層。冰凌可能完全橋接傘裙間隙,形成連續(xù)的冰柱或冰簾。
- 融冰水膜: 當(dāng)氣溫回升至0°C以上或天氣轉(zhuǎn)晴日照時(shí),冰層表面開始融化,在絕緣子表面形成一層導(dǎo)電性良好的水膜(融冰水電導(dǎo)率較高)。
- 閃絡(luò)路徑: 水膜降低了絕緣子的有效爬電距離和絕緣強(qiáng)度。如果此時(shí)線路電壓足夠高(工作電壓或操作/雷電過電壓),就可能沿著被水膜覆蓋的絕緣子表面或冰凌橋接的路徑發(fā)生閃絡(luò),造成線路跳閘。
- 后果: 大面積、長(zhǎng)時(shí)間的停電事故,且往往在天氣轉(zhuǎn)好時(shí)(融冰期)發(fā)生,極具隱蔽性。
導(dǎo)地線間距不足:
- 覆冰導(dǎo)致導(dǎo)線弧垂顯著增大,地線弧垂也可能增大。
- 后果: 導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與地線之間的安全電氣距離被嚴(yán)重壓縮,可能導(dǎo)致相間短路或?qū)Ь€對(duì)地線放電。
輸電線路雨凇覆冰災(zāi)害的預(yù)防措施
針對(duì)雨凇覆冰災(zāi)害,電力部門采取“預(yù)防為主、防治結(jié)合”的綜合防御策略:
規(guī)劃設(shè)計(jì)階段:
- 差異化設(shè)計(jì): 根據(jù)線路路徑所處區(qū)域的氣象條件和歷史覆冰記錄,科學(xué)劃分冰區(qū)分布圖,對(duì)不同冰區(qū)等級(jí)的線路采取差異化的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(如提高設(shè)計(jì)覆冰厚度、增大導(dǎo)線安全系數(shù)、選用更高強(qiáng)度材料、加大塔頭尺寸、增加絕緣子片數(shù)或串長(zhǎng))。
- 路徑優(yōu)化: 盡量避開微地形微氣候(如風(fēng)口、埡口、迎風(fēng)坡、水體附近)等易覆冰重冰區(qū)。
- 抗冰塔型: 在重冰區(qū)采用承載力更強(qiáng)、結(jié)構(gòu)更穩(wěn)固的塔型(如拉線塔、鋼管塔、緊湊型塔)。
- 導(dǎo)線選擇: 考慮使用低居里點(diǎn)合金導(dǎo)線(在特定溫度下電阻劇增,便于融冰)或復(fù)合導(dǎo)線(強(qiáng)度高、重量輕、弧垂小)。避免使用易舞動(dòng)的分裂導(dǎo)線(或采取抗舞措施)。
運(yùn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)警:
- 覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng): 在重點(diǎn)線路和易覆冰區(qū)段安裝在線監(jiān)測(cè)裝置,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)線拉力/傾角、絕緣子泄漏電流、氣象參數(shù)(溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、降水)、現(xiàn)場(chǎng)圖像/視頻等,估算覆冰厚度和狀態(tài)。
- 氣象預(yù)警: 與氣象部門緊密合作,利用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)回波等技術(shù),對(duì)可能發(fā)生的雨凇天氣過程進(jìn)行短期和臨近預(yù)警。
- 人工觀冰: 在惡劣天氣時(shí),組織人員對(duì)關(guān)鍵區(qū)段進(jìn)行人工巡視和觀冰,核實(shí)覆冰情況。
主動(dòng)除冰/融冰技術(shù):
- 直流融冰: 最主流、最有效的方法。 利用移動(dòng)式或固定式直流融冰裝置,在覆冰線路一端施加直流大電流(利用焦耳熱效應(yīng))。由于趨膚效應(yīng),電流主要在導(dǎo)線表面流動(dòng),加熱效率高,能快速融化冰層。需短時(shí)停電操作。
- 交流短路融冰: 將線路末端三相短路,在線路首端投入變壓器施加較低電壓,利用短路電流加熱導(dǎo)線融冰。操作復(fù)雜,對(duì)系統(tǒng)有擾動(dòng)。
- 機(jī)械除冰:
- 人工/機(jī)器人除冰: 使用絕緣棒敲打、滑輪刮刀、或搭載除冰裝置的機(jī)器人/無人機(jī)沿導(dǎo)線行走除冰。適用于局部或輕中度覆冰,效率較低,有安全風(fēng)險(xiǎn)。
- 除冰振動(dòng)器: 在導(dǎo)線上安裝裝置產(chǎn)生特定頻率振動(dòng),使冰層疲勞脫落。
- 其他方法: 熱力法(如包裹發(fā)熱電纜)、被動(dòng)法(如防冰涂料)等,應(yīng)用相對(duì)有限。
提高絕緣配置:
- 增加絕緣子串長(zhǎng): 在易覆冰區(qū),增加絕緣子片數(shù)或采用更長(zhǎng)串,提高冰閃電壓。
- 選用大傘徑、大爬距絕緣子: 如大盤徑絕緣子、防覆冰絕緣子(傘形特殊設(shè)計(jì),不易被完全橋接)、復(fù)合絕緣子(憎水性好,但需注意老化后憎水性喪失)。
- V型串/倒V型串: 改變絕緣子串懸掛方式,使其傾斜角度更大,不易被冰凌完全橋接,且融冰水不易形成連續(xù)水膜。
抗舞動(dòng)措施:
- 失諧擺/相間間隔棒: 在導(dǎo)線上安裝阻尼裝置(如失諧擺)或相間間隔棒,改變系統(tǒng)的動(dòng)力特性,抑制舞動(dòng)發(fā)生或減小舞動(dòng)幅值。
- 雙擺防舞器: 利用其特殊的動(dòng)力學(xué)特性消耗舞動(dòng)能量。
應(yīng)急管理與調(diào)度:
- 制定完善的覆冰災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案。
- 在覆冰預(yù)警期間或覆冰發(fā)展期,根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè),調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式(如轉(zhuǎn)移負(fù)荷、降低重要線路潮流),減輕覆冰線路負(fù)擔(dān),提高系統(tǒng)抗風(fēng)險(xiǎn)能力。
- 做好應(yīng)急搶修隊(duì)伍和物資準(zhǔn)備,一旦發(fā)生故障能快速響應(yīng)恢復(fù)。
總結(jié)
雨凇形成的覆冰,以其高密度、強(qiáng)附著力和對(duì)電氣性能的破壞性,是威脅輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的重大自然災(zāi)害。防范雨凇覆冰災(zāi)害是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,需要從科學(xué)規(guī)劃、強(qiáng)化設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)預(yù)警、發(fā)展高效除融冰技術(shù)、優(yōu)化絕緣配置、抑制舞動(dòng)、加強(qiáng)應(yīng)急管理等多方面入手,構(gòu)建“監(jiān)測(cè)-預(yù)警-預(yù)防-處置”的綜合防御體系,才能最大限度地減輕災(zāi)害損失,保障電網(wǎng)在嚴(yán)寒冰雪天氣下的安全可靠運(yùn)行。