（电气工程专业论文）直流绝缘子的覆冰闪络特性研究.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 丑t 葺 乏彳住南嘭力身孝研赛l 苌南l 甄才小岛 刽乙学 聋彭叱 导师：多( 蚁 合肌也夭亏 a 即l 哆太 ，l 7 加攻 乃甸免虿 i 多1 厥是 l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金目垦王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：知f 魁 签字日期：2 , 4 t o 年丘月，厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金g 曼王些盔 兰差一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：渊韵雌 签字日期：b i 年￥月， 1 7 t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： ：曼 波心 v ， i 、 导师签名：此v 沁n 签字日期：护t o 年4 月，暨 电话： 邮编： 直流绝缘子的覆冰闪络特性研究 摘要 输电线路覆冰是一种严重的自然灾害，由其引发的事故严重危害电网的安 全运行。近几年我国输电线路重大冰灾事故不断出现。2 0 0 1 年2 月，河南省2 2 0 k v 输电线路发生大面积覆冰倒杆( 塔) 和绝缘子覆冰闪络事故，河南省电网几乎瓦 解；2 0 0 4 年12 月至2 0 0 5 年2 月之间，湖北、湖南、江西、河南、重庆、贵州等地 的电网设施出现严重覆冰现象，电网安全受到威胁，受灾损失严重。 为了防止类似重大覆冰事故的发生，进行覆冰绝缘子( 长) 串直流闪络特 性的试验研究和探索合理的防冰闪技术措施十分必要，将会对保证覆冰地区电 网的安全可靠运行具有重要的现实意义和工程价值，为应对覆冰事故提供重要 的参考依据和技术指导。 本文对绝缘子覆冰的形成原理以及影响直流绝缘子覆冰闪络的因素进行了 分析研究，并在实验室内对不同型式的绝缘子进行了覆冰试验，对污秽绝缘子 覆冰直流闪络特性、v 型绝缘子串覆冰直流闪络特性等进行了研究，提出了直 流绝缘子防止覆冰闪络的相应措施。 关键词：直流；绝缘子；覆冰；闪络； r e s e a r c ho nf l a s h o v e rm e c h a n i s mo fd ci n s u l a t o r u n d e ri c i n g l 一 - a b s t r a c t t r a n s m i s s i o nl i n ei c i n gi sas e r i o u sn a t u r a ld i s a s t e r s ，a c c i d e n t sc a u s e db y s e r i o u sh a r mt ot h es a f eo p e r a t i o no fp o w e rg r i d i nr e c e n ty e a r s ，am a jo rp o w e r t r a n s m i s s i o nl i n e si nc h i n ai c ed i s a s t e ri n c i d e n t sc o n t i n u et oe m e r g e i nf e b r u a r y 2 0 0 1 ，h e n a np r o v i n c e ，am a j o ra r e ao f2 2 0 k vt r a n s m i s s i o nl i n e s i c e dd o w nb a r ( t o w e r ) ，a n di c e c o v e r e di n s u l a t o rf l a s h o v e ra c c i d e n ti nh e n a np o w e rg r i dv i r t u a l l y c o l l a p s e d ；f r o md e c e m b e r2 0 0 4t of e b r u a r y2 0 0 5b e t w e e n ，h u b e i ，h u n a n ，j i a n g x i ， h e n a n ，c h o n g q i n g ，g u i z h o ua n do t h e rp l a c e so ft h eg r i di n f r a s t r u c t u r es e v e r ei c i n g p h e n o m e n o n ，g r i ds e c u r i t yi st h r e a t e n e d ，v i c t i m ss u f f e r e ds e r i o u sl o s s e s i no r d e rt op r e v e n tas i m i l a ra c c i d e n tam a jo ri c i n gc o n d u c t e di c e di n s u l a t o r s ( 1 0 n g ) s t r i n go fd cf l a s h o v e rc h a r a c t e r i s t i c s o fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dt o e x p l o r er e a s o n a b l et e c h n i c a lm e a s u r e s t op r e v e n ti c ef l a s hi sn e c e s s a r y , w i l le n s u r e t h a tr e g i o n a lp o w e rg r i d i c i n gs a f e a n dr e l i a b l e o p e r a t i o nw i t ht h ei m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dv a l u eo ft h ew o r k s ，i nr e s p o n s et ot h ea c c i d e n ti c i n g p r o v i d ea ni m p o r t a n tf r a m eo fr e f e r e n c ea n dt e c h n i c a lg u i d a n c e i nt h i sp a p e r ，t h ef o r m a t i o no fi c e - c o v e r e di n s u l a t o ra n da f f e c tt h ep r i n c i p l e s o fd cf l a s h o v e ri n s u l a t o ri c i n gt h ef a c t o r sa n a l y z e d ，a n di nt h el a b o r a t o r yf o r d i f f e r e n tt y p e so fi n s u l a t o r si c i n gt e s t sc a r r i e do u to nt h ed i r t yi n s u l a t o rf l a s h o v e r c h a r a c t e r i s t i c so fi c e dd c ，vd ci c e di n s u l a t o rs t r i n gf l a s h o v e rc h a r a c t e r i s t i c sa r e s t u d i e da n d p u tf o r w a r d t o p r e v e n t t h ed ci n s u l a t o rf l a s h o v e ri c i n gt h e c o r r e s p o n d i n gm e a s u r e s k e y w o r d s ：d c ；i n s u l a t o r ；i c i n g ；f l a s h o v e r ； 致谢 在本篇论文完成之际，衷心感谢合肥工业大学吴红斌副教授的悉心指导， 感谢安徽省电力科学研究院直流绝缘子直流覆冰闪络特性研究项目研究小组各 位领导和同仁的大力帮助，感谢重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家 重点实验室的通力合作，感谢在整个项目中帮助过我的各位领导、同事和朋友， 感谢! 作者：刘景姝 2 0 1 0 年4 月 目录 第一章绪论1 1 1 项目研究的目的和意义1 1 2 本文主要内容概述1 第二章输电线路冰闪故障分析2 2 1 安徽省境内5 0 0 k v 直流龙政线冰闪情况2 2 2 湖南地区发生冰闪情况4 2 3 湖北地区发生冰闪情况4 2 4 输电线路冰闪特征5 2 5 覆冰类型介绍6 2 6 输电线路冰害的形式7 2 7 覆冰与气候变化的关系7 2 8 国内外对覆冰雪气候参数的研究9 2 8 1 风洞试验9 2 8 2 根据气象学模型预测冰载荷的验证方法1 0 2 8 3 影响冻雨和结冰的局部气象因素1 1 2 8 4 我国三峡地区线路覆冰与气象要素之间的关系1 1 第三章绝缘子冰闪特性的研究现状1 2 3 1 直流绝缘子覆冰闪络特性1 2 3 1 1 覆冰类型对直流绝缘子串闪络特性的影响1 2 3 1 2 覆冰程度对绝缘子串闪络特性的影响1 2 3 1 3 污秽对覆冰绝缘子闪络电压的影响1 3 3 2 绝缘子型式及串长与布置方式对冰闪特性的影响1 4 3 2 1 绝缘子串长对覆冰绝缘子串闪络电压的影响1 4 3 2 2 绝缘子型式及串布置方式对覆冰绝缘子冰闪特性的影响1 5 3 3 输电线路防冰除冰技术1 6 3 3 1 热力除冰防冰1 6 3 3 2 机械除冰1 6 3 3 3 自然脱冰法1 7 第四章试验装置与试验方法1 9 4 1 试验装置19 4 1 1 人工气候室1 9 4 1 2 试验电源2 0 4 1 3 试验原理和测试系统2 l 4 2 试品：! l 4 3 试验方法2 2 4 3 1 覆冰前和覆冰过程中污秽模拟方法2 2 4 3 2 绝缘子人工覆冰方法2 3 4 3 3 覆冰绝缘子的特征量2 4 4 3 4 覆冰绝缘子直流闪络特性试验方法2 4 第五章直流绝缘子覆冰直流闪络特性的研究3 0 5 1 试验结果。3 0 5 2 污秽绝缘子覆冰直流闪络特性3 l 5 3v 型绝缘子串覆冰直流闪络特性3 3 6 1 总结3 7 6 2 下步工作展望3 8 参考文献3 9 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 插图清单 大型多功能人工气候试验室1 8 绝缘子覆冰状况1 9 可控硅双反馈倍压整流直流试验电源2 0 试验研究原理接线示意图2 0 试品绝缘子结构图2 1 监测覆冰厚度的旋转导体2 3 覆冰x z p 一21o 绝缘子串v 型布置3 2 直流冰闪电压与盐密的关系3 3 绝缘子串迎风面覆冰与四周均匀覆冰对比3 4 两种情况下直流冰闪电压与盐密的关系3 5 表格清单 表4 - 1 试品绝缘子参数和结构示意图2 l 表4 2 覆冰绝缘子电气特性试验方法2 4 表4 3 最大耐受电压试验方法2 7 表5 1 直流绝缘子融冰期5 0 冰闪电压试验结果2 9 表5 2 直流绝缘子融冰期5 0 冰闪电压试验结果3 0 表5 3 直流绝缘子融冰期5 0 冰闪电压试验结果3 0 表5 4v 型布置的覆冰x z p 2 10 绝缘子串直流5 0 闪络电压3 2 表5 - 5 由表5 - 4 试验结果按照式( 6 ) 拟合所得的系数和特征指数以及相关系数的 平方3 3 表5 - 616 片串x z p 3 0 0 绝缘子迎风面覆冰与四周均匀覆冰的直流冰闪电压3 4 第一章绪论 1 1 项目研究的目的和意义 输电线路覆冰是一种严重的自然灾害，由其引发的事故严重危害电网的安 全运行。近几年我国输电线路重大冰灾事故不断出现【卜8 1 。2 0 0 1 年2 月，河南 省2 2 0 k v 输电线路发生大面积覆冰倒杆( 塔) 和绝缘子覆冰闪络事故，河南省电 网几乎瓦解；2 0 0 4 年1 2 月至2 0 0 5 年2 月之间，湖北、湖南、江西、河南、重 庆、贵州等地的电网设施出现严重覆冰现象，电网安全受到威胁，受灾损失严 重。 为了防止类似重大覆冰事故的发生，进行覆冰绝缘子( 长) 串直流闪络特 性的试验研究和探索合理的防冰闪技术措施十分必要，将会对保证覆冰地区电 网的安全可靠运行具有重要的现实意义和工程价值，为应对覆冰事故提供重要 的参考依据和技术指导。 1 2 本文主要内容概述 本文的工作是对绝缘子覆冰闪络的特性进行研究，主要包括以下几个方面- 首先，对我国发生覆冰闪络故障的相关实例进行调研，分析绝缘子覆冰闪 络的主要原因，并对绝缘子覆冰闪络的原理及影响因素进行分析研究。 其次，在实验室内对目前使用较为普遍的直流绝缘子覆冰闪络特性进行研 究，包括污秽对绝缘子覆冰闪络的影响，串形对绝缘子覆冰闪络电压的影响等。 最后是全文工作的总结和下步工作的展望。 第二章输电线路冰闪故障分析 2 1 安徽省境内5 0 0 k v 直流龙政线冰闪情况 2 0 0 5 年2 月1 1 日清晨5 时4 3 分，5 0 0 k v 龙政线极i i 跳闸。2 月1 2 日中午1 2 时0 3 分，5 0 0 k v 龙政线极i i 又发生跳闸。2 月1 4 日凌晨l ：5 l 和3 ：o o ，5 0 0 k v 龙政线极i 、1 1 分别发生跳闸。2 月1 3 日下午，查线人员发现0 9 7 7 号、0 9 7 8 号杆 塔极i i 横担侧第一片绝缘子有明显烧伤痕迹，整串绝缘子在迎风面被冰覆盖， 烧伤点亦在有冰的一侧。2 月14 日下午，巡线员发现1 113 号杆塔极i i 以及1 11 4 号杆塔极i 绝缘子有闪络的痕迹，故障塔的横担侧第一片绝缘子均有明显烧伤 痕迹。 0 9 7 7 号杆塔外绝缘配置为单串3 2 片3 0 1 1 屯大连产x z p 3 0 0 瓷质绝缘子，0 9 7 8 号杆塔外绝缘配置为双串2 9 片3 0 吨大连产x z p 3 0 0 瓷质绝缘子。0 9 7 7 、0 9 7 8 两 基杆塔均为直线塔，位于覆冰严重的海拔约5 0 0 米左右的山区，0 9 7 7 号杆塔处于 山脊上，0 9 7 8 号杆塔立于陡峭山崖风口处，与相邻的0 9 7 9 号耐张塔高差较大， 四周空旷。1 11 3 号杆塔外绝缘配置为单串2 9 片3 0 吨大连产x z p 3 0 0 瓷质绝缘子， l1 1 4 号杆塔外绝缘配置为双串2 9 片3 0 1 1 屯大连产x z p 3 0 0 瓷质绝缘子。1 113 、1 11 4 两基杆塔同样为直线塔，位于覆冰严重的海拔约5 0 0 米左右的山区，且均处于风 口，与相邻的1 1 1 5 号耐张塔高差较大。该4 基杆塔均处于大别山区，所处污秽等 级为i i i 级，基本为轻度污染区，而且0 9 7 8 、1 11 4 号两基杆塔在2 0 0 4 年1 1 月 底及2 0 0 5 年1 月底进行过两次清扫。 根据当地群众以及气象部门提供的气象资料，安徽省境内的大别山区自2 月8 日开始普降雨雪，气温突降，持续多天出现了雨夹雪、下冻雨天气，气温为 一3 o 之间，并伴有东北风，该雨雪天气为近十多年来未遇。恶劣的天气使 得高海拔地区的绝缘子串及铁塔有严重的覆冰现象，杆塔的覆冰厚度为2 0 - 4 0 m m 、横担下平面冰凌长度达2 0 0 - - 4 5 0 m m 、地线覆冰厚度一般为5 1 0 m m ， 最严重的达1 5 m m ，杆塔的绝缘子串已桥接或被冰包裹，迎风面侧结冰较重。 在查找故障点过程中，发现山区的其他杆塔多处也有严重的覆冰，但绝缘 子没有有闪络的痕迹，特别是合成绝缘子有覆冰的现象，但没有发生冰闪。从 龙政线的跳闸时间看，有3 次发生在凌晨1 时至5 时期间，另外一次为中午，可以 认为此次的冰闪至少有3 次为覆冰时闪络。 2 0 0 6 年1 月2 3 日1 0 ：4 2 ，龙政线极i 、极i i 同时跳闸，行波测距为：极i 距 离龙泉站4 6 5 7 k m ，距离政平站3 9 4 6 k m ，极i i 为离龙泉站4 6 5 7 k m ，距离政平 站3 9 4 1 k m 。跳闸前的运行电压：双极均全压运行，跳闸后极i 全压重启成功， 极i i 降压至3 5 0 k v 重启成功。 根据行波测距结果，初步判断故障点在1 11 3 号与1 11 4 号杆塔之间。据11 1 3 号杆塔附近老乡介绍，在2 3 日上午10 点多，在不到1 分钟的时间内连续听到4 、5 2 声的爆响声，查巡人员立即把1 1 1 3 号杆塔作为查线的重点塔位。经登杆检查发 现，1 1 1 3 号杆塔极i 横担侧第6 片绝缘子有较为明显的灼伤痕迹，第7 、8 、9 片 绝缘子有轻微的灼伤痕迹，极i i 横担侧第l 片绝缘子有很明显的灼伤痕迹。该基 铁塔极i i 整串绝缘子的上半部分在迎风面被冰覆盖，灼伤点亦在有冰的一侧， 极i 绝缘子并无冰雪覆盖，但地面随处可见覆冰融化时落下的冰雪碎片。 故障塔l l1 3 号位于金寨县与霍山县交接处的霍山县桃源河乡境内，坐落在 海拔约5 0 0 米左右的山区( 故障前该地区覆冰严重) ，处于风口处。双极外绝缘 配置为单串2 9 片3 0 吨大连产x z p 3 0 0 瓷质绝缘子，其中极i i 绝缘子于2 0 0 5 年4 y 已更换为在地面喷涂p r t v i i 的瓷绝缘子( 极i 绝缘子未更换) 。通过调查了 解到该区段6 天前开始下雪，后来又下了小雨，在塔上看到有许多冰凌挂下来， 虽然天晴了有3 、4 天，但山上北坡的冰雪依然严重。2 4 日中午11 点3 5 分，极i i 的左前侧靠近横担有5 、6 片瓷瓶上挂着薄冰，在杆下还能找到从瓷瓶上掉下的 成块的冰块。 根据线路巡视和故障点观测到的情况，此次故障有以下特点： ( 1 ) 、故障塔位集中在覆冰严重的高海拔山区，1 11 3 号杆塔坐落在两山间 的马鞍上，处于金寨县与霍山县的交界处，地势险要，为该区域线路塔位最高 海拔，约5 0 0 多米：另外极i i 南边的山比塔位要高出约2 0 0 米，极i 南边的山包 只比塔位高出3 0 4 0 米，线路前进方向的左前方即是山口，使该塔处于山脊上风 口处，四周空旷，气象条件为冻雨、雪，东北风，气温3 , - - , 0 。 ( 2 ) 、绝缘子在查线的时段，覆冰厚度为5 m m 左右。虽然在查线时已天晴 两天，极i 覆冰已融化，但极i i 的绝缘子串上半部分仍呈冰凌桥接状态，由此 基本可以推断出在未解冻时该串绝缘子应是全部被冰覆盖的，而且故障后白天 日照较好，覆冰融化的速度较快。 ( 3 ) 、故障绝缘子串都是横担侧第一片或附近的绝缘子外表面和钢帽有闪 络灼伤的痕迹，且均为瓷质绝缘子。 ( 4 ) 、极i i 虽喷涂过p r t v i i ，但受覆冰的影响并不比具有相同地理和气 象条件的极i 小，喷涂过p r t v i i 的绝缘子上的覆冰融化速度比未喷涂过 p r t v i i 的绝缘子相对来说还要慢一些，闪络的灼伤程度也要严重一些。 根据以上情况，我们分析认为引起线路跳闸的主要原因为安徽省境内，尤 其是大别山区自1 月l8 2 1 日开始普降雨雪，气温突降；高海拔地区的冻雨、雪， 气温为3 0 ，并伴有东北风，使绝缘子串被冰凌桥接，当温度回升、冰凌 融化后的污秽，引起绝缘子表面电压分布的畸变，绝缘性能下降，发生闪络跳 闸。我们对极i 绝缘子上脱落的冰片进行了电导率测量，结果冰水电导率为5 8 l as c m ，比正常的自来水的电导率还偏低，冰水清洁。 2 2 湖南地区发生冰闪情况 2 0 0 4 年1 2 月2 2 日以来，冷空气南下，湖南省境内气温急剧下降，受恶劣 天气影响，大量输电线路严重覆冰，电网遭受罕见的冰冻灾害，遭遇了有史以 来最大的冰冻威胁。至1 2 月31 日止，湖南省5 0 0 k v 线路6 条2 1 次跳闸，5 条次停运。其中，5 0 0 k v 直流江城线跳闸7 次，停运1 次：5 0 0 k v 复沙i i 线跳 闸6 次；5 0 0 k v 岗复线跳闸1 次；5 0 0 k v 五民线跳闸2 次，停运1 次；5 0 0 k v 岗云线跳闸3 次，停运2 次；5 0 0 k v 复沙i 线跳闸2 次，停运1 次。大部分故 障点的覆冰都很严重，部分绝缘子间已被冰凌桥接，靠近横担第一片绝缘子或 杆塔接地引下线有明显的放电痕迹。发生冰闪的杆塔所均处在海拔2 0 0 米以上， 其所在的污区等级均为i 级，测量冰闪绝缘子覆冰冰水电导率在1 7 6 5us c m 之间，离子色谱分析结果显示冰水中杂质比澧水、湘江等自然水体还好，以硫 酸根为主，说明所覆冰污秽较轻。 湖南省发生的冰闪事故期间，全省除湘北外，其它地区都出现了输电线路 严重覆冰的情况，发生冰闪的5 0 0 k v 线路集中在湖南中、西部。覆冰严重段的 输电线路沿山区走线，发生冰闪的杆塔位于山脊上，四周空旷，处于风口地区。 根据湖南省气象局提供的十二月下旬天气实况资料：湖南全省气温特低， 旬雨量大部地区偏多或特多，为2 0 - - 4 0 m m ，其中湘中以南部分地区为5 0 - - 9 3 m m 。本句受北方南下冷空气影响，气温逐渐降低，2 2 日至2 5 日冰冻范围逐 渐扩大并向南压，先后有2 7 站多次出现冰冻，2 8 - - 3 0 日湘中以南部分地区又 出现冰冻天气；2 3 日湘北开始转雪，2 7 日湘中以南转雨雪天气。覆冰严重和冰 闪处的杆塔周围环境为：大部分最低环境温度为一1 一2 ，天气为雨夹雪， 分向为北风，风速为3 - - 4 级，相对湿度在8 0 1 0 0 ，导线覆冰厚度在1 0 3 0 m m 不等，线路杆塔的绝缘子覆冰，迎风面多，背风面少，绝缘子串的上下 片间逐步被冰柱“桥接 ，甚至整串绝缘子被包裹。 2 3 湖北地区发生冰闪情况 湖北地区的冰闪主要分为两个阶段：第一阶段为2 0 0 4 年1 2 月2 0 - - 2 8 日， 集中在荆门和宜昌地区，因受恶劣天气影响该地区12 月2 0 日开始气温突降， 气温在o c 至一6 之间，事故时出现雨淞，并伴有较强的偏北风。气象资料反 映，湖北荆门市和三峡地区自2 0 日下午18 时开始一直延续到2 3 日为冻雨天气 为主，偏北风3 4 级，最大风速1o m s ，气温维持在零度以下；2 4 日2 7 日为 小到中雪，2 8 日大部分地区转晴。在这样的恶劣气候下，导致6 条5 0 0 k v 交、 直流线路跳闸9 条次。第二阶段为2 0 0 5 年2 月7 日l9 日，主要在湖北鄂东 南和中部地区，从2 月6 日开始，华中地区受南支槽东移和东路冷空气入侵影 响，气温不断下降，气温从l 7 下降到全天0 以下，出现雨雪和冰冻天 气。湘西南和鄂东南等地区甚至出现了严重的雾淞和雨淞。在恶劣气候下，导 4 致9 条5 0 0 k v 交、直流线路跳闸2 8 条次。湖北地区的输电线路冰闪跳闸9 0 发生在融冰期，发生冰闪的杆塔所处的污区等级基本为i i ，年底基本都进 行了清扫。主要气象特征表现为：低温一3 o 。c ；相对湿度9 0 左右；弱风 和冻雨且持续时间长。 从查找到的故障点看，发生覆冰和冰闪的杆塔的高程基本都较高，如5 0 0 k v 龙斗三回3 0 号杆塔处于全线的最高点，且处在风口区，覆冰相当严重；5 0 0 k v 孝邵线l l1 号1 1 8 号处于湖北段内海拔最高的地段，5 0 0 k v 凤梦线故障点也 是处于山区。据湖北输变电运检公司反映，海拔高度大于4 0 0 米时，线路、杆 塔的覆冰就比较严重。 2 4 输电线路冰闪特征 输电线路发生覆冰是冰闪的前提和先决的条件。输电线路的覆冰主要取决 于所处的地理位置和气象条件，而影响输电线路发生冰闪的因素包括：绝缘子的 串型、绝缘子的材质、是否涂有涂料、大气的污染状况、绝缘子本身的污秽程 度。 一般来说，东西走向山脉的迎风坡在冬季覆冰较背风坡严重，如山脊、山 腰处；分水岭、风口处线路覆冰较其他地形严重；就一个条件相同的地区来说， 一般海拔高程越高，越容易覆冰，覆冰也越厚，且多为雾淞，从安徽省、湖南 省、湖北省反映的情况看，高程大于海拔2 0 0 米的时候，覆冰就开始严重。 覆冰必要的气象条件为：具有足可冻结的气温，即在o c 以下，一般在一5 0 ；具有较高的湿度，一般空气相对湿度在8 0 以上；具有可使空气中 水滴运动的风速，一般风速都是大于1 m s 。 从三省发生冰闪的情况看，在覆冰期和融冰期闪络的情况都有。由于覆冰 短接了绝缘子的部分爬电距离，改变了绝缘子串的电场，加剧了电压分布的不 均匀性，闪络电压比其干闪电压、湿闪电压都有所降低，而且绝缘子表面已有 污秽物或杆塔横担上的污秽下沉以及大气中悬浮的细小尘埃随凝结的水滴沉降 于绝缘子表面，由于“晶释效应”使得冻结时水中的杂质排释在冰晶体的外表 面，从而使绝缘子表面的电阻降低，泄漏电流增大，闪络电压更低。从冰闪杆 塔处所在的污区等级以及通过对发生冰闪绝缘子串的冰块取样看，较轻的污秽 都会使绝缘子闪络电压下降，最终发生闪络。 融冰期的闪络主要是随着环境温度的升高和泄漏电流的通过，冰雪开始融 化，在冰层和冰柱表面逐渐形成导电水膜，并沿桥路下滴构成导电通道，此时 冰闪电压也会出现最低值，发生沿面闪络，而且绝缘子表面的污秽将沿水膜一 起下滴，更容易造成闪络。 2 5 覆冰类型介绍 覆冰按形成条件分为雨凇覆冰、混合凇、雾凇凹，。 雨凇覆冰，是在冻雨期发生于低海拔地区的覆冰，持续时间一般较短，环 境温度接近冰点，风相当大，积冰透明，在导线上的粘合力很强，冰的密度很 高，约为0 9 0 9 2 9 c m 3 。雨凇覆冰时，气温在2 + 2 之间，由于风速大，实 际导线表面的温度在5 0 之间，这就是有些文献里提到的雨凇覆冰出现在0 以上气温的原因。天气预报的气温是未加风时的气温，即使在观冰站，有时 也测得导线下方温度高于0 ，但由于导线所处位置较高，风速大，因而实际 导线表面温度在0 或o 以下。雨凇覆冰是混合凇覆冰的初级阶段，由于冻雨 持续期一般较短，因此，导线覆冰为纯粹雨凇覆冰的情况相对较少。 混合凇是当温度在冰点以下时，风比较猛时易形成。在混合凇覆冰条件下， 水滴冻结比较弱，积冰有时透明，有时不透明，冰在导线上的粘合力很强。混 合凇的密度较高，约为0 6 0 9 9 c m 3 。导线长期暴露于湿气之中，便形成混合 凇。混合凇是一个复合覆冰的过程，首先是雨凇，然后是雾凇，是一种交替冰 的形式，生长速度快，对导线危害特别严重。 雾凇是由于山区地层云中含有的过冷却水滴在极低温度和风速较小情况下 形成的。在第二个水滴到来之前，第一个水滴已冻结在导线上。这种积冰呈白 色、不透明、晶状结构，密度小于0 6 9 c m 3 ，在导线上附着力相当弱，最初的 结冰是单向的，由于导线机械失横，逐渐围绕导线均匀分布，在次情况下，这 种冰对导线一般不构成威胁。雾凇是冬季高寒高海拔山区输电线路最常见的一 种覆冰形式，其颜色为白色，显微镜下呈颗粒状结构，软雾凇密度小于0 1 9 c m 3 。 硬雾凇密度为0 1 o 5g c m 3 。 白霜：空气中湿气与o 以下的冷物体接触时，湿气在冷物表面凝华形成 白霜。白霜的形成不需要有过冷却小水滴的存在，其基本特征是“针状”或“树 枝状”晶体，形成时风速通常相当小，白霜在导线上的粘结力十分微弱，即使 是轻轻的振动，也可使白霜脱离所粘结导线的表面，与其他类型覆冰相比，白 霜几乎不对导线构成严重危害。 当过冷却水在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 冻结时，导线覆冰现象产生。在冬季当温度低于0 时，大气中的小水滴将发 生过冷却：在高空甚至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 表面发生覆冰的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导线 表面前冻结。其中必要条件( 1 ) 取决与气象条件，时气象学问题，必要条件( 2 ) 时流体的力学问题，有流体力学定律来决定；必要条件( 3 ) 时热力学问题。导 线覆冰的必要气象条件是：( 1 ) 具有足可冻结的气温，即在0 以下，一般在 6 一5 0 ；( 2 ) 具有较高的湿度，一般空气相对湿度在8 0 以上；( 3 ) 具有 可使空气中水滴运动的风速，一般风速都是大于1 m s 。 2 6 输电线路冰害的形式 输电线路发生冰害的形式主要有以下几种： ( 1 ) 、过负载，即导线覆冰超过设计抗冰厚度( 覆冰后质量、风压面积增加) 而导致的事故。机械方面包括金具损坏、导线断股、杆塔损折、绝缘子串翻转、 撞裂等；电气事故则是指覆冰使线路弧垂增大，从而造成闪络和烧伤、烧断导 线等。2 0 0 5 年初，湖南处于海拔18 0 , - - , 3 5 0 m 之间的电网设施出现严重覆冰现象， 先后有岗云、复沙和血民3 条5 0 0 k v 线路出现倒塔事故，共倒塔2 4 基，变形3 基。2 0 0 8 年途径我省的5 0 0 k v 直流宜华线倒塔4 基。湖南、广东则更大范围的 输电线路发生倒塔。 ( 2 ) 、不均匀覆冰或不同期脱冰事故。相邻档的不均匀覆冰或线路不同期脱 冰会产生张力差，导致导线缩颈或断裂、绝缘子损伤或破裂、杆塔横担扭转或 变形、导线和绝缘子闪络及导线电气问隙减少而发生闪络等。 ( 3 ) 、覆冰导线舞动事故。导线有覆冰且为非对称覆冰( 迎风侧厚，背风侧 薄) 时，线路易发生舞动：大截面导线比小截面导线易舞动，分裂导线比单导线 易于舞动；0 时导线张力低至2 0 - - 8 0 n m m 2 易于发生舞动。导线舞动的运动 轨迹顺线路方向看近似椭圆形，由于舞动的幅度大，持续时问长，轻则引起相 问闪络，损坏地线、导线、金具等部件，重则导致线路跳闸停电、断线倒塔等 严重事故。2 0 0 8 年江西省发生了多起2 2 0 k v 及以上输电线路舞动事故。 ( 4 ) 、绝缘子冰闪事故。覆冰可以看成一种特殊的污秽，覆冰的存在改变了 绝缘子的电场分布，冰中含有污秽等导电杂质时更易造成冰闪。1 9 6 3 年11 月 美国西海岸一条3 4 5 k v 线路发生绝缘子串覆冰闪络，在恢复送电3 一- - 4 m i n 内， 覆冰绝缘子由微弱放电迅速发展到全面闪络。19 8 8 年加拿大魁北克省安那迪变 电站连续发生6 次绝缘子闪络事故，造成该省大部分地区停电。 2 7 覆冰与气候变化的关系 全球气候变暖是罪魁祸首。全球气候变暖加速已成为不争的事实。在过去 的1 0 0 年里，全球平均气温已经升高了0 6 摄氏度。中国从19 8 7 年至2 0 0 4 年 连续1 8 年平均气温高于历史气温平均值。气候变暖的直接结果是： ( 1 ) 、气候变暖改变了大洋冷流和暖流循环交换的速度和程度。全球气候 变暖使海水温度升，冰川融化，冲淡了北大西洋海水的含盐量，从而改变了大 洋冷流和暖流循环交换的速度，使北大西洋深层洋流向南运动的动力减弱，同 时从大西洋环流中分出的那股暖流也缺乏向北运动的动力。据专家现场测量比 较，北大西洋深层水流的流速已比正常情况下减弱了3 0 ( 当然影响我国气候 7 的西太平洋也存在由北太平洋到赤道附近的环流改变问题) ，由此导致热的地方 更热，冷的地方更冷，出现极端寒冷和极端炎热的恶劣气候。 1 ) 、冷的地方更冷。2 0 0 5 年1 月2 4 日，席卷美国东北部的暴风雪使纽约 最繁华的曼哈顿积雪厚度有3 0 0 毫米左右，而马萨诸塞州，有些地方的降雪量 达到了创纪录的9 6 0 毫米，也就是将近1 米。有两万多居民因为大雪失去了电 力供应。2 0 0 5 年1 1 月2 5 日夜到2 6 日上午，法国从南部的比利牛斯至北部的 诺曼底间的广大区域都遭遇了暴雪。法国旺代省部分地区的降雪厚度高达3 0 0 毫米，冰雪使大约有1 7 万户居民电力供应中断。2 0 0 5 年1 1 月2 5 日至2 6 日， 德国西北部与荷兰交界处遭遇了百年不遇的大雪。在人口最多的北莱茵一威斯 特伐利亚州( 北威州) ，落在高压电线上的厚厚冰雪将部分地段的电线压断，造 成电线触地短路，导致该州2 5 个县中的2 5 万居民供电中断。2 0 0 5 年1 2 月2 1 日至2 2 日，日本降下罕见大雪，其中日本中部岐阜县白川村的积雪甚至已经达 到1 9 4 米，比一个人还要高，降雪量破纪录。积雪导致输电线路舞动和线路相 碰短路使1 0 0 多万用户居民无电力供应。2 0 0 6 年1 月1 6 日至18 日，罕见的零 下4 0 摄氏度的寒流导致俄罗斯出现能源供给危机。严寒导致莫斯科市仅1 月 1 8 日就耗电1 4 6 亿千瓦时，创下近1 5 年来最高纪录。莫斯科著名的波特金斯 卡娅医院在16 日寒流抵达当天就遭遇了一次2 个小时的停电。1 7 日晚到18 日早晨莫斯科有多处电车电线断裂。 2 ) 、冷热反常。2 0 0 5 年7 月2 4 日，美国加州热浪持续1 9 天进入紧急状 态，加州地区的气温连破历史纪录，在斯多克顿地区7 月2 3 日气温高达4 6 摄 氏度，政府采取分地区断电的强制措施以缓解电力供应紧张状况。同时美国加 利福尼亚州政府2 4 日也宣布该州进入高温紧急状态，要求政府部门、企业和居 民严格限制用电，以应对持续了1 9 天并已造成至少两人死亡的高温天气。持续 多日的高温造成美国洛杉矶部分地区2 0 0 6 年7 月2 3 日停电，1 4 万多家庭和企 业受到影响。2 0 0 4 年7 月15 日前后，欧洲南部的希腊热浪滚滚，大部分地区 的气温已经高达4 0 摄氏度，电力供发极度紧张。而在北欧的德国，却上演了7 月飞雪的反常一幕。2 0 0 4 年7 月1 1 日，在德国巴伐利亚山区，暴风雨转变成 了大雪，德国海拔最高的山峰很快就变成了覆盖厚厚积雪的雪山，气温也急剧 下降到了零下6 摄氏度。而2 0 0 6 年7 月，美国和欧洲却遭受持续高温热浪袭击， 最高气温达51 6 摄氏度，人们纷纷开启空调制冷，导致电网不堪负重而发生跳 闸断电事故，数十万居民在停电酷热中煎熬。美欧共有10 0 多人被热死，其中 法国就热死4 0 人，2 0 0 3 年夏季仅法国就有1 5 万人死于酷热。千百年来欧洲 冬天不冷和夏天不热的正常气候已经一去不复返了。 ( 2 ) 、全球气候变暖还改变了正常的大气环流和气候变化规律。全球变暖导 致海面温度上升后，已形成高空冷气流与海面热气流、高空冷气流与地面暖气 流以及大陆冷气流与海洋暖气流之间的强对流关系，从而诱发了更多的热带风 8 暴、强台风或飓风、雷雨大风强对流天气、冰雹、龙卷风、持续浓雾寒流、持 续高温酷热、长时间干旱、极端寒冷、持续出现湿雪和冻雨、强降雪或强冰暴、 沙尘暴、局部强降雨和洪灾等极端灾害性天气和极端灾害性气候的发生。由于 海洋面积占地球面积的7 0 左右，陆地面积只占3 0 左右，海水环流及其温度 的变化对陆地大气环流和气候的影响正在日益深化和扩大。 ( 3 ) 、全球气候变暖导致大面积气候紊乱 全球气候变暖，使全球大面积气候处于紊乱状态，或冷的地方更冷和热的 地方更热，或暖冬和冷冬交替出现，或冷的地方变暖和暖的地方变冷，使局地 气候发生较大改变。中国东北地区原本冬天是干冷气候，下干雪不粘输电线路， 而现在也下起了湿雪或雨夹雪并导致电网覆冰。中国的贵州、广东等南部省份 原本是亚热带地区，冬季很少下雪的，现在也下起了湿雪、冻雨和冰暴，贵州 和广东北部山区电网近年来连续发生覆冰断电灾害。特别是气候迅速变暖带来 的冷暖不确定性对气象专家的判断和天气预报也造成极大困扰。2 0 0 4 年冬季当 气象专家刚刚说这个冬季是“暖冬 的时候，1 2 月份就出现了横扫中国北部、 中部和南部地区的多年罕见的暴风雪、冻雨和超低温寒流气候，使华北、华中、 南方三大区域电网出现或局部或大面积覆冰跳闸和倒杆( 塔) 断线断电等严重灾 害。新西兰2 0 0 6 年6 月发生罕见规模的暴风雪并导致大面积和长时间停电。美 国南部数省在2 0 0 6 年1 1 月中旬还发生龙卷风和强降雨灾害也导致大面积停电。 澳大利亚在2 0 0 6 年1 1 月16 日和1 7 日适逢盛夏却发生大面积暴风雪，温度降 到零摄氏度以下，人们纷纷开启空调，导致电力供应紧张。而全球气候变暖是 人类过度使用煤炭和石油等化石燃料的直接结果。因为大规模使用化石燃料， 并超过大气承载能力地排放二氧化碳、甲烷、氮氧化合物等温室气体，从而隔 断了地球所吸收的太阳热量的有效释放，使整个地球变成一个温室。而当今世 界人类还没有掌握大规模逮捕和储存二氧化碳等温室气体的能力和技术。 2 8 国内外对覆冰雪气候参数的研究 2 8 1 风洞试验 气象参数对电力线路覆冰雪有着决定性的影响，但如何定量分析是此项研 究的瓶颈。日本在一个风洞设施开展试验研究，监测单位时间内围绕导线的雪 花分量( 分布) 、风速、湿度、温度、雪花中的液态水含量、单位长度导线积雪 分量、导线旋转角度、试验持续时问以及运行导线表面温度等参量，并分析了 各种气象参数对冰雪的影响n0 1 。 ( 1 ) 、冰雪密度。对风洞试验的结果进行多重回归分析，得到积雪密度和气 象数据之间的关系见式( 2 1 ) ： p s = 0 0 6 7 1 v 一0 0 1 0 2 v 1 1 + 0 0 5 7 4 t = - 0 0 1 0 7 p 一0 0 4 8 ( 2 1 ) 式中：p s 一积雪密度，g c m 3 ； 9 v 一一风速，m s ； t 一环境温度，； p 。一单位时间围绕导线通过的雪量，g ( c m 2 h ) 。 分析结果表明当环境温度在o 3 之问时风速对冰雪密度影响最大。 ( 2 ) 、积雪效率。围绕电线通过的雪花般会与接触面碰撞而断裂，这样仅 一部分雪花堆积在导线上，其余则被风吹走。人工积雪试验中，积雪是以柱状 雪筒状存在，根据积雪密度和单位长度上的积雪分量可以推导出积雪效率，关 系式见式( 2 - 2 ) ： a = 0 0 6 2 4 e x p 一0 0 8 6 5 ( t - 3 2 7 ) 2 】e x p ( 0 6 2 1 v - 0 0 7 4 4 ) ( 2 - 2 ) 式中：a - - 积雪效率，g e m 3 s ； v - 一风速，m s ； t - 环境温度，； p n - - 单位时间围绕导线通过的雪量，g ( e r a 2 h )