输电线路脱冰跳跃影响因素及防治措施

江博 张斌 罗成军 黄梦婷 韩柯明

（1.国网湖北省电力有限公司超高压公司，湖北宜昌 443000；2.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443002）

0.引言

输电线路覆冰问题是电力系统安全运行地重要威胁之一，对国民经济造成了巨大损失[1-4]。当导线覆冰层内部或者外部温度升高，或者受到外部风力及人为敲击等外部冲击荷载的时候会发生脱落，造成导线上线振动的现象，即脱冰跳跃[5-6]。

世界上最早被记录的输电线路覆冰事故发生在1932年[7-9]，国内第一起被记录的架空线覆冰事故则发生在1954年[10]，随着各国电网系统的建设以及媒体发展，国内外均出现了许多关于输电线路覆冰脱冰的报道。

1994年，美国东南部地区受到的严重的冰灾事故，最大覆冰厚度达到了125mm，对当地电网造成了严重破坏[11]。1998年，加拿大遭遇严重冻雨，魁北克、安大略省的输电线路由于脱冰跳跃和不均匀覆冰造成大量杆塔倒塌、导线断线，据估计，冰灾共计造成损失35亿美元[12-13]。

20世纪80年代，四川省西昌至乐山220kV输电线路南九线因穿越高海拔重冰区，每年均发生多次脱冰跳跃，造成绝缘子串损坏、线夹滑移、导线烧伤等事故[14]。2013年，浙江电网受冰灾影响，110kV及以上输电线路共计发生跳闸事故24条[15]。2008年，我国遭遇特大雪灾，输电线路发生大量铁塔倒塔事故，其中90%是由不均匀覆冰和脱冰跳跃产生的不平衡张力造成的，国家电网的直接经济损失达到了104.5亿元[16-18]。

分析输电线路脱冰跳跃资料可以发现，导线脱冰跳跃引起的危害主要有两个方面。在电气方面，导线相间、相地安全间隙不够发生闪络、跳闸；在力学方面，剧烈的导线张力变化以及脱冰引起的档间不平衡张力变化，会导致绝缘子串损坏、导线断线、线夹滑移、甚至倒塔等机械事故，严重威胁电力系统的安全运行。国内外科研人员对输电线路脱冰跳跃进行了许多研究，并取得了大量成果。本文对国内外输电线路脱冰跳跃的影响因素、防治手段及展望进行总结和分析。

1.脱冰跳跃的影响因素分析

影响脱冰跳跃的因素有很多，主要有脱冰厚度和脱冰率、脱冰方式、脱冰组合、高差、档距、风速、绝缘子串长等。

1.1 脱冰厚度和脱冰率

脱冰厚度和脱冰率对于脱冰跳跃的影响非常简单。当输电线路表面的冰层脱落后，导线覆冰状态的力学平衡被破坏从而开始向上跳跃，其实质就是将原来的弹性储能转化为动能和势能，所以，脱冰厚度越大、脱冰率越高，弹性能量释放越多，引起的跳跃高度也就越高。

1.2 均匀脱冰和非均匀脱冰

非均匀脱冰指导线某段有覆冰脱落现象，而均匀脱冰是指导线各点每一处都掉落等量的覆冰。根据经验，非均匀脱冰造成的导线脱冰跳跃高度要大于均匀脱冰。均匀脱冰时全档单位长度的脱冰量比较少，释放的弹性储能并不是最大；剩余覆冰又会导致导线刚度比无冰状态下导线刚度大，增大导线跳跃的难度。非均匀脱冰位置越接近档中，跳跃高度越大。在导线系统中，导线刚度在弧垂最低点最小，从档中向两端刚度逐渐增大。在复杂的线路中，因为存在档距组合、刚度变化等的影响，脱冰跳跃高度最大点的位置有一定随机性，有时会出现最大跳跃高度脱冰段不在正中间的情况。王黎明[19]等建立3自由度导线模型，发现50%非均匀脱冰跳跃达到最大跳跃高度时，脱冰段的中点在0.4档处。

1.3 脱冰组合

输电线路中某一档单独脱冰导线跳跃的高度要远远大于多档同时脱冰的跳跃高度，也要大于孤立档脱冰的情况。当一档发生脱冰时，未脱冰档张力比脱冰档导线张力更大，所以，两档之间出现不平衡张力，绝缘子串摆向未脱冰档，此时悬挂点会产生竖直向上的位移分量，也增大了档中的最大跳跃高度；相邻的未脱冰档等效档距减小，而线长未变，所以驰度增大，重力势能减小，弹性势能减小，较小的势能均通过绝缘子串摆动转移到了脱冰档上，加大了脱冰档导线跳跃的最大高度。连续档单独一档脱冰和相邻档之间存在耦合作用，会不断通过绝缘子向脱冰档传递能量，而孤立档不存在档间耦合，只有档内的弹性储能转化。

1.4 高差

输电导线存在两侧悬挂点有高差的情况，有高差线路的脱冰跳跃高度要比无高差线路更小。因为当线路存在高差时，脱冰档中点的跳跃方向不仅有竖直向上的位移量，也有沿线方向的位移量，即斜向上跳起，并且其运动轨迹近乎为一条与该档线路相垂直的直线。该直线和无高差时的直线长度接近，但由于无高差线路中点在理想状态下不存在沿线位移分量，所以竖直方向的跳跃高度比之有高差时要更大，并且相差数值和高差角有关，当高差较小时，高差对脱冰跳跃的影响也小。

1.5 档距

档距较小时，随着档距的增大，脱冰跳跃的高度呈线性增加；档距比较大时，脱冰跳跃高度增加量减小，呈现饱和趋势；档距继续增加，脱冰跳跃的高度反而开始慢慢减小，脱冰跳跃的高度随档距增大有一个峰值。造成这一现象的原因是档距较小时，导线整体刚度较大，导线基本平行于地面，随着档距逐渐增加，导线驰度也在逐渐增加，因此，导线跳跃高度跟着增加，越来越接近存在的峰值。当档距超过一定限定值后，驰度非常大，导线张力的垂直分量比小档距时增长显著，甚至起到了妨碍导线跳跃的作用，造成了导线跳跃高度反而开始降低的局面。

1.6 风速

线路在风荷载的作用下，不同风速会使导线发生不同水平的横向摆幅。因此，脱冰跳跃前后的静态位置时离地面高度都要比无风时要高，当输电线路在风中脱冰时，导线竖向的跳跃高度要比无风时略有减小，并且风速越大跳跃高度越小，但是总体而言差距并不大，可以认为风速对脱冰跳跃的影响很小，造成这一现象的原因是风荷载作用在导线上造成导线风偏会增大导线的刚度。不同于跳跃高度，风速大小对脱冰造成的横向摆幅影响很大，风速越快横向摆幅越大，并且脱冰时机对横向摆幅的影响也非常大。李黎[20]等分析了导线处于不同风偏距离下发生脱冰的各种状况，结果表明当脱冰档达到最大风偏时再发生脱冰能造成最大横向摆幅。

1.7 脱冰速度

研究脱冰速度就是采用所谓的“unzipping”开拉链式脱冰方式，现有的脱冰方案有3种：中间向两侧脱冰、两侧向中间脱冰和从一侧向另一侧脱冰，其中从中间向两边脱冰的动力响应最强，在进行人工除冰时，应该避开从中间开始除冰，最好按照两边向中间除冰。三者都是脱冰速度越快，脱冰跳跃的高度越高，导线动态张力变化幅值越大，脱冰速度越慢，导线跳跃高度越低，导线动态张力变化越平缓，当脱冰速度极大时，跳跃高度和动态张力变化的时程曲线和整档同时脱冰基本一致。原因是虽然脱冰速度不同，但是最终的平衡位置是相同的，脱冰速度越慢越接近静力卸载。

1.8 绝缘子串长

绝缘子串长对脱冰跳跃的高度有两个方面的影响：一是导线脱冰跳跃过程中，脱冰档与未脱冰档之间出现张力差，绝缘子摆动过程中挂点向上抬升，增加导线的跳跃高度，长绝缘子串比短绝缘子串转动更小的角度就可以让两档的张力重新达到平衡。二是绝缘子摆动的过程中，脱冰档等效档距增大，弛度减小，因此串长对等效档距的影响非常明显。串长过短时，悬挂点接近固定点悬挂，和邻档之间耦合小，接近孤立档脱冰，所以跳跃高度不高。在档距不变前提下，随着串长的增加，脱冰跳跃的高度也慢慢增加，当串长达到一定长度时，脱冰跳跃高度会趋于饱和。袁光辉[21]对绝缘子串长影响进行了数值仿真，结果是无绝缘子串时跳跃高度峰值为2.89m，串长3m时高度为17.51m，串长6m时高度基本没变为17.61m。研究中发现当档距不大时，串长对脱冰高度基本上没有影响；当档距较大，串长大的绝缘子串跳跃高度略有增加：800m档距时，串长10m的导线跳跃高度12.62m，串长15m导线跳跃高度为13.55m，串长20m跳跃高度为14m。

1.9 其他因素

除上述影响因素外，脱冰跳跃还和许许多多的因素有关。例如，导线截面积越大，脱冰跳跃的高度越低。因为大截面积导线比之小截面积导线刚度更大，因此脱冰跳跃的高度更小。连续档线路中档脱冰时，由于线路之间的耦合作用所以跳跃的高度随档数增加而增加，但是，当档数达到5～7档时，跳跃高度饱和，档数继续增加跳高基本不增加。子导线分裂数量对脱冰跳跃基本上没有影响等。需要注意的是，上述所有分析结果都是在保证讨论因素外的均保持一致而得到的，在实际线路中需要将所有影响因素综合考量。

2.脱冰跳跃的防治措施

脱冰跳跃会在电气和力学两个方面对输电线路造成严重的危害，脱冰跳跃的防治措施研究从来没有停止。脱冰跳跃的防治可以从两个角度展开：未建设的线路规划设计防范、已有线路的治理。

2.1 线路设计规划

在输电线路设计规划阶段，脱冰跳跃的防治手段主要有两种：一是避开覆冰区域，从根本上避免脱冰跳跃发生的可能性；二是改变输电线路设计，提高杆塔强度，使脱冰跳跃不会造成线路断线倒塔和闪络。

避开覆冰区。影响输电线路覆冰的因素有很多，例如，温度，导线温度低于0℃；空气湿度，空气相对湿度需要高于85%；风速，观察和研究表明，无风和风速很低时，导线也不会发生覆冰。在条件可以的情况下，输电线路应该避开高海拔山峰、垭口等容易覆冰的地区。

改变线路设计。在力学方面，根据2008年冰灾事故调查报告分析，大档距、大小档、大高差的线路发生脱冰跳跃时最容易产生不平衡张力而引起断线倒塔。杆塔位置设计时，应当尽量设计成均匀档距，大档距、大高差大小档线路不平衡张力大小需要进行严格计算；可以适当放松导线，提高过载荷能力；加强杆塔等。

在电气方面，脱冰跳跃会导致导线碰线和相间距离过近，发生闪络、保护装置动作跳闸等事故。输电线路导线排列方式和位置需要严格设计，发生脱冰跳跃时能够保留足够的电气间隙。

2.2 线路脱冰治理办法

2.2.1 防冰环

防冰环是一种结构简单的环状防脱冰跳跃装置，在电线周围卡接防冰环形成凸起，当覆冰较薄时，导线只会在相邻两个防冰环之间出现一段冰层无法使整档线路形成长段覆冰；覆冰较厚掩盖防冰环时，也可以使导地线上的冰层分段脱冰，避免整档同时脱冰造成的剧烈张力变化和跳跃高度。

防冰环的原理可以从导线振动和受力分析两个方面来理解：线路振动时，会形成无数的波腹和波节，而波节处在会反复受到曲折的动态应力影响，覆冰处导线刚度较大波节处会因为曲折动态应力导致覆冰破裂；波腹处受到的惯性力最大，而导线和冰层的刚度不同。冰层粘结在导线表面，冰层与相邻两个防冰环之间的摩擦力与防冰环外侧冰受到的相互作用剪切力等于冰的重力。当摩擦力小于防冰环外的冰层最大剪切破坏力时，两个防冰环之间的覆冰将会脱落。

2.2.2 粘弹铅芯阻尼器

粘弹铅芯阻尼器由钢板、高分子粘弹性材料和铅芯组成。粘弹铅芯阻尼器依靠粘弹性材料和在铁塔发生较强振动时能够通过铅和粘弹性材料的剪切滞回变形耗能机制耗散能量，达到降低振动幅值的能力。

李黎[22]等安装粘弹铅芯阻尼器进行了多种脱冰工况的数值仿真，结果表明粘弹性铅芯阻尼器的减震效果显著，减震率达到28.8%以上。减震率计算公式定义为：

式中，α为减震率，x0为未安装阻尼器时的位移量，x1为安装阻尼器后位移量。

2.2.3 相间间隔棒

相间间隔棒安装于线路两相导线之间，可以有效控制相间距离。若三相从上向下排列，最下相可以采用绝缘子加拉线的方式与大地相连，这样当线路发生脱冰跳跃时也可以使导地线之间保持安全距离。

王黎明[23]等模拟了不同组合的相间间隔棒安装组合，结果表明脱冰过程中相间距离能有效保持安全距离并且间隔棒和金具的受力能力完全能满足使用。

2.2.4 加强悬垂线夹紧固螺栓

《GB/T 2314-2008电力金具通用技术条件》规定各种冰区导线型号的不平衡张力与导线拉断力占比规范。如果脱冰跳跃产生的不平衡张力使导致导线在线夹内发生滑移，说明设计规格不能满足事故线路的运行条件，此时可以考虑将悬垂线夹适当加强，更换紧固螺栓，同时，施工时保证达到紧固力要求。

2.2.5 其他办法

除上述办法外，脱冰问题的治理措施还有很多种：（1）加密子导线间隔棒。对于分裂导线比常规线路安装了更多的间隔棒，子导线脱冰时影响更小。（2）直线塔改耐张塔。耐张塔可以有效地减小脱冰跳跃对导地线、绝缘子金具串等影响。（3）I串改V串。据相关资料，一定条件下，重冰区采用悬垂V串，导线脱冰跳跃时稳定性好。（4）加装重锤片。加装重锤片减小绝缘子串的摆动幅度，防止动态张力对绝缘子串和金具的损坏等。

3.存在问题及未来研究方向

本节希望可以对输电线路脱冰跳跃的影响因素及防治措施进行了分析，给出存在的问题和未来发展方向，旨在更好地对输电线路脱冰问题进行防范和治理。

设计线路路径有很大局限性，因此有必要加强线路覆冰状态的监测，特别是脱冰跳跃受灾高发区，使用传感器技术和信息技术、人工除冰等手段把灾害消灭在萌芽中。

虽然目前对于脱冰跳跃灾害的治理手段有很多，但每一种都存在着一定的缺陷。现有的粘弹铅芯阻尼器尺寸较小，提供的阻尼力非常有限；相间间隔棒的组合安装方式需要经过严格的模拟计算，安装位置不好会使防治效果很差，并且可能会增加舞动和次档距振荡的风险等。治理工具的最佳使用场景需要进一步研究，并且继续研发高效、经济的脱冰治理用具和手段。

4.结语

国内外对脱冰跳跃的研究表明：影响脱冰跳跃的因素很多，需要结合实际情况分析；脱冰灾害的防治措施研究需要从未建设的线路规划设计防范、已有线路的治理两个方面入手。目前，脱冰跳跃防治手段均存在局限性，新的治理手段和用具需要进一步研究。