（电力系统及其自动化专业论文）冰风暴灾害下输电线路故障概率预测及应急对策研究.pdf

f o r e c a s t i n gf o rf a i l u r ep r o b a b i li t ya n dr e s e a r c ho ne m e r g e n c y s t r a t e g yo ft r a n s m i s s i o nl i n e si ni c es t r o m b y w e n j u nx u b e ( c h a n gs h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g p o w e r s y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh o n g m i n gy a n g a p r i l ，2 0 l1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 镶文罨 日期：o 切f 年厂月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 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 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密豳。， ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者答名：镓支军嗍棚阵朋刀日 导师签名：t 劢j 管嗣目 日期：z ，f 年占月2 7 日 摘要 随着输电线路的大规模建设，冰风暴灾害对架空输电线路造成的灾害性破坏 时有发生。冰风暴期间，低温雨雪冰冻天气导致输电线路大范围覆冰，严重时可 使输电线路因断线倒塔而瘫痪，严重影响电力的安全可靠供应，给电力部门及相 关行业造成巨大的经济损失。为此，本文通过系统研究已有导线覆冰厚度和输电 杆塔受力计算模型，借助极值理论广义帕累托分布、极端学习机和c o p u l a 联接函 数研究了电力断线倒塔概率的预测，并针对冰风暴期间输电线路的覆冰情况，提 出了相应的防冰和融冰策略。 考虑造成输电线路断线倒塔的冰荷载和风荷载与气象条件密切相关，而冰风 暴期间气象条件具有随机性，因此基于极值理论p o t 模型，提出风速和冻雨量的 广义帕累托分布概率分布。在此基础上，结合电力覆冰厚度及电力线和输电铁塔 冰荷载与风荷载的计算，提出电力线和输电铁塔冰倚载和风荷载的概率分布模璀。 此外，考虑冰风暴期间气象因素实时变化对冰衙载和风荷载的概率分布的影响， 以气象条件为输入变量，通过e l m 网络训练学习，预测出随气象冈素实时变化 的电力线和输电铁塔冰荷载和风荷载的概率分布。结合实际历史数据进行算例分 析，结果表明，广义帕累托分布可准确刻画气象变量风速和冻雨量的分布。通过 e l m 网络的训练学习，能准确反映出气象因素实时变化对荷载概率分布参数的影 响，有效映射气象因素与荷载i f 态分布参数之间的非线性关系。 输电线路断线倒塔事故主要由冰荷载和风荷载造成，受相同气象条件的共同 作用，电力线和输电铁塔的冰倚载和风荷载存在一定的相关性，它们并不是相互 独立的概率事件，为此，借助c o p u l a 联接函数考虑冰荷载和风荷载的概率相关性， 提出冰风暴期间不同时刻冰风荷载的联合概率分布，从而实现考虑冰风荷载非对 称相关性的电力断线倒塔概率的准确预测。结合实际历史数据进行算例分析，结 果表明，c o p u l a 函数在一定程度上准确刻画出风荷载和冰荷载之间非对称的概率 相关性，从而有效分析冰风荷载对电力线、铁塔的共同作用，实现电力断线倒塔 概率的准确预测。 针对冰风暴造成的输电线路严重覆冰和电力断线倒塔事故，本文对输电线路 防冰和融冰技术进行研究，提出输电线路的应急策略，通过制定合理的应急方案， 有效保障冰风暴灾害下输电线路的安全可靠运行。 关键词：冰风暴；极值理论；极端学习机；c o p u l a 函数；联合概率分布；断线； 倒塔 a b s t r a c t s i n c et h el a r g e s c a l ec o n s t r u c t i o no fo v e r h e a dt r a n s m i s s i o nl i n e sa r o u n dt h ew o r l d ， t h ed a m a g eo ft r a n s m i s s i o nl i n e sa n dt o w e r sc a u s e db yi c es t o r m so c c u r sf r e q u e n t l y t h ei c i n gd i s a s t e ro ft r a n s m i s s i o nf a c i l i t i e sw i l lb eh a p p e n e de x t e n s i v e l yw h e nt h ei c e t h i c k n e s si st h i c k e r ，c o n s e q u e n t l y , t h et r a n s m i s s i o ns y s t e m si ns o m ea r e a sl o s tt h e i r f u n c t i o n sc o m p l e t e l ya n ds e v e r e l yt h r e a tt op o w e rs y s t e ms e c u r i t y a sa r e s u l t ，h u g e f i n a n c i a ll o s s e sw e r ec a u s e d t h e r e f o r e ，i ti se s s e n t i a lt o s t u d yt h ea b i l i t yo f t r a n s m i s s i o nf a c i l i t i e st ow i t h s t a n dt h e i ri m p a c t s b a s e do ng e n e r a l i z e dp a r e t o d i s t r i b u t i o n s ( g p d ) o ft h ee x t r e m ev a l u et h e o r y ( e v t ) ，e x t r e m em a c h i n el e a r n i n ga n d t h ec o p u l af u n c t i o n s ，t h ep r o b a b i l i t i e sm o d e l so ft r a n s m i s s i o nl i n ed a m a g ea n dt o w e r c o l l a p s ea r ef i r s t l yd e r i v e d ，b a s e do nt h i s ，t h ea n t i - i c ya n di c em e l ts t r a t e g ya r e p r o p o s e dc o r r e s p o n d i n g l y i c el o a da n dw i n dl o a do ft r a n s m i s s i o nl i n e si si n t i m a t e l yr e l a t e dt om e t e o r o l o g i c a l c o n d i t i o n ，c o n s i d e r i n gt h er a n d o m n e s so fm e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n sd u r i n gi c es t o r m s ， t h ep r o b a b i l i t ym o d e l so ff r e e z i n gp r e c i p i t a t i o na n dw i n ds p e e da r ef i r s t l yd e r i v e d b a s e do nt h eg e n e r a l i z e dp a r e t od i s t r i b u t i o n s ( g p d ) o fe x t r e m ev a l u et h e o r y ( e v t ) t h e nt h ec a l c u l a t i o nm o d e l so fi c el o a da n dw i n dl o a do ft r a n s m i s s i o nl i n e sa r e e m p l o y e dt od e r i v et h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nb e t w e e nt h ei c el o a d sa n dw i n dl o a d s o nb o t h t r a n s m i s s i o nl i n e sa n dt o w e r s f u r t h e r m o r e ，b yt a k i n gi n t oa c c o u n tt h e i n f l u e n c eo fv a r y i n gm e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n so np r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no fi c el o a d s a n dw i n dl o a d s ，t h er e a l - t i m ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no fi c el o a d sa n dw i n dl o a d sa r e d e v e l o p e d b a s eo nd a t a s t r a i n i n g a n d l e a r n i n g o ft h ee l mn e t w o r k ，w h i c h m e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n s a st h ei n p u tv a r i a b l e s t h ev a l i d i t ya n da c c u r a c yo ft h e p r o p o s e dm o d e li sv e r i f i e db yc o m p a r i n gt h en u m e r i c a lr e s u l t sg i v e nb yt h em o d e l w i t ht h eh i s t o r i c a ld a t a ，w h i c hi n d i c a t e st h a tg p di sa na p p r o p r i a t ed i s t r i b u t i o n f u n c t i o nf o rm o d e l i n gf r e e z i n gp r e c i p i t a t i o na n dw i n ds p e e d ，t h ee l mb a s e dp r e d i c t o r c a n a p p r o p r i a t e l y m o d e lt h en o n l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m e t e o r o l o g i c a l v a r i a b l e sa n dt h ed i s t r i b u t i o np a r a m e t e r so fw i n dl o a da n di c el o a do ne l e c t r i c i t y t r a n s m i s s i o nf a c i l i t i e s t h ea c c i d e n t so ft r a n s m i s s i o nl i n eb r e a kd o w na n dt o w e rc o l l a p s ea r ec a u s e db yi c e l o a da n dw i n dl o a d ，i na ni c es t o r m ，t h ei c el o a da n dw i n dl o a do nt r a n s m i s s i o n f a c i l i t i e sa r ei n f l u e n c e db yi d e n t i c a lm e t e o r o l o g i c a lf a c t o r s ，t h e ya r et h u sc o r r e l a t e d t o a c c u r a t e l ye s t i m a t e t h e p r o b a b i l i t i e so ft r a n s m i s s i o nf a c i l i t yd a m a g e s ，i ti s i i n e c e s s a r yt oc o n s i d e rt h ej o i n tp r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no fi c el o a da n dw i n dl o a di n o u rm o d e l i nt h i sp a p e r , t h ec o p u l af u n c t i o n sa r ee m p l o y e dt om o d e lt h e i rc o r r e l a t i o n ， t h e r e b y , t h ep r o b a b i l i t yo fl i n e b r e a kd o w na n dt o w e rc o l l a p s ea r ea c c u r a t e l y c a l c u l a t e db yc o n s i d e r i n gt h eu n s y m m e t r i c a lc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ei c el o a da n d w i n dl o a d b a s e do nt h eh i s t o r i c a ld a t a ，t h en u m e r i c a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e u n s y m m e t r i c a lp r o b a b i l i s t i cc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ei c el o a da n dw i n dl o a d o n t r a n s m i s s i o nf a c i l i t i e s i s a p p r o p r i a t e l y m o d e l e dw i t ht h e c o p u l af u n c t i o n ， c o n s e q u e n t l y ，t h ec o m b i n e dl o a d si m p a c to f t r a n s m i s s i o nl i n e sa n dt o w e r sb yi c el o a d a n dw i n dl o a dc a nb ee f f e c t i v e l ya n a l y z e d ，t h ep r o b a b i l i t yo fl i n eb r e a kd o w na n d t o w e rc o l l a p s ea r ea c c u r a t e l yp r e d i c t e d c o n s i d e r i n gt h es e v e r ei c i n ga n dl i n eb r e a kd o w na n dt o w e rc o l l a p s ea c c i d e n t sa r e o c c a s i o n e db yi c es t o r m ，i nt h i sp a p e r , s o m er e s e a r c h e so nt h ea n t i i c ya n di c em e l to f t r a n s m i s s i o nl i n e sa r ed i s c u s s e d ，a n de m e r g e n c ys t r a t e g yo fc l a d d i n gi c et r a n s m i s s i o n l i n e sa r ep r e s e n t e d ，s e q u e n t i a l l y , r e a s o n a b l ec o n t i n g e n c yp l a n sc a nb ef o r m u l a t e da n d i m p l e m e n e dt oe n s u r et h es a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no f t h ep o w e rt r a n s m i s s i o nl i n e s d u r i n gi c es t o r m k e yw o r d s ：i c es t o r m ；e x t r e m ev a l u et h e o r y ；e x t r e m el e a r n i n gm a c h i n e ；c o p u l a f u n c t i o n ；j o i n tp r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n ；t r a n s m i s s i o nl i n ed a m a g e ； t o w e rc o l l a p s e 1 1 1 目录 摘j i 要i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 课题研究背景3 1 2 电力系统冰风暴灾害4 1 3 输电线路冰风暴灾害研究现状5 1 3 1 电力覆冰研究现状5 1 3 2 输电线路断线倒塔研究现状一7 1 3 3 电力系统应对策略研究现状一8 1 4 本文研究的主要内容1 0 第二章输电线路覆冰厚度预测 2 1 输电线路覆冰1 1 2 1 1 输电线路覆冰种类1 l 2 1 2 电力覆冰影响因素1 2 2 2 风速和冻雨量概率预测1 2 2 2 1g p d 理论概述一1 3 2 2 2g p d 参数估计1 4 2 2 3 风速和冻雨量的g p d 模型一1 5 2 3 覆冰厚度概率预测l6 2 3 1 覆冰厚度预测1 7 2 3 2 覆冰厚度概率模型1 8 2 4 算例分析一1 9 2 5 本章小结2 2 第三章输电线路冰荷载和风荷载概率计算 3 1 输电线路冰荷载和风荷载概率预测2 3 3 1 1 电力线冰倚载和风衙载的概率模型2 3 3 1 2 输电杆塔冰荷载和风荷载的概率模璎一2 4 3 1 3 算例分析2 5 3 2 基于极端学习机实时冰荷载和风荷载概率预测2 7 3 2 1 极端学习机理论2 7 3 2 2 输电线路实时冰荷载和风荷载概率预测2 9 3 2 3 算例分析3 2 3 3 本章小结3 3 第四章输电线路故障概率预测 4 1c o p u l a 联接函数一3 4 4 1 1c o p u l a 联接函数特性3 4 4 1 2c o p u l a 联接函数分类3 5 4 2 输电线路断线概率预测3 5 4 2 1 电力线冰风荷载联合概率模型3 5 4 2 2 电力线断线概率模氆一3 7 4 3 输电线路倒塔概率预测3 7 4 3 1 输电杆塔冰风倚载联合概率模型3 8 4 3 2 输电杆塔倒塔概率模型3 9 4 4 算例分析一4 0 4 5 本章小结4 4 第五章冰风暴灾害下输电线路应急对策 5 1 输电线路的保护措施4 5 5 1 1 覆冰线路的防舞动保护4 5 5 1 2 覆冰绝缘子防冰闪4 6 5 2 输电线路的防冰对策4 7 5 2 1 输电线路防冰电流4 7 5 2 2 输电线路防冰对策一4 7 5 3 输电线路融冰对策4 8 5 3 1 输电线路融冰电流4 9 5 3 2 输电线路融冰对策一4 9 5 4 冰风暴灾害下电力系统的调度对策5 2 5 5 本章小结5 3 结论5 4 参考文献5 6 致谢6l 附录a 攻读学位期间发表论文及专利目录6 2 附录b 攻读硕士学位期间参加的相关课题6 4 1 1 课题研究背景 第一章绪论 近年来随着城市和工业的不断发展，电力需求急剧增加，而水力、火力、和 原子能等大规模发电设备都远离城市，特别在中国“西电东送”、“北电南送 的 格局下，高电压、大容鼍输电线建设成已成为输电网络发展的必然趋势。随着电 力基础设施的不断建设，输电线路规模不断扩大，输电线路电压等级也越来越高， 并己形成了5 0 0 k v 级主干电网。为进一步实现经济持续发展、能源合理配置和保 护生态环境的发展战略，高压甚至超高压的远距离电力输送正在逐步建设【l l 。为 实现2 0 2 0 年“全国联网、西电东送、南北互供”的目标，南北方向将会构建多回 百万级特高压输电线路大通道。特高压输电塔在荷载上远大于现有输电塔， 1 0 0 0 k v 输电铁塔和电力线结构上也将发生本质变化。 目前，输电线路按电压等级町分为高压、超高压和特高压线路。3 5 2 2 0 k v 为 高压线路，在各省市输电网络中基本都有电压等级为2 2 0 k v 的输电线路，不超过 1 1 0 k v 输电线路主要为城市、工矿区以及农村等配电网。超高压线路主要是 3 3 0 7 5 0 k v 电压的远距离输电线路，7 5 0 k v 以上为特高压线路。随着输送电能容 量增大，输电线路采用的电压等级越高。目前我国输电线路的电压等级主要有 3 5 k v 、ll o k v 、2 2 0 k v 、3 3 0 k v 、5 0 0 k v 、7 5 0 k v 、1 0 0 0 k v 等【2 1 。 输电线路的架设方式主要有架空和电缆敷设两类。架空输电线路将导线固定 在杆塔上，由于结构简单、施j 【和检修维护方便得到了广泛应用；电缆线路一般 敷设于地下廊道内，受外界环境因素影响较小，但由于其敷设费用高，施工及检 修困难，目前多在城市居民稠密区和跨海输电等情况下使用。 输电线路按电流输送性质分为交流线路和直流线路，直流输电线路导线功率 损耗较低，投资较少；线路走廊宽度较小，作为电力系统之间的联络线，可方便 快捷的改变电流传送方向。输电线路按杆塔上的回路数可分为单回路、双回路和 多 口l 路线路。除架空地线外，单回路杆塔上仅有一回三相导线，双回路杆塔上有 两回三相导线，多回路杆塔上有三回以上的三相导线1 3 j 。 输电线路作为各发电厂、变电站之间的联络线，实现电力系统互联并输送电 能，成为电力系统的重要组成部分。输电线路塔线体系结构主要由导线和各个输 电杆塔连接而成，其输电塔高度由几十米到数百米，电力线跨度由几百米到上千 米【4 l 。在地形复杂地区，电力线跨过深谷和江河，塔高和输电线档距还要显著增 大。随着输送电压等级的不断提高，输电杆塔的高度不断提高，输电线路的架设 难度逐渐加大。由于架空输电线路长期暴露在自然环境中，易受各种气象灾害如 风灾、冰灾、洪涝灾害等的侵袭，易造成输电线路故障，因此输电线路的安全可 靠供电成为整个电力输送系统运行与维护的主要目标。 1 2 电力系统冰风暴灾害 输电线路作为电能的输送通道，它的安全性和可靠性受到社会的日益关注， 在输电线建设中，由于部分地段交通运输困难，同时为减少架空输电线路的建设 费用，因此输电铁塔构件等需尽可能轻简，以便运输和安装，并不断优化铁塔结 构尽量减少铁塔重量，造成铁塔的结构变得比较柔，易于受冰荷载和风倚载的作 用发生静力和动力响应，从而影响输电线路的安全运行。 随着电压等级不断提高，输电线路塔架的高度和档距不断增加，输电铁塔和 电力线所受到的冰荷载和风倚载越来越大。对输电铁塔而言，一般为高架钢铁塔， 属高耸、柔性结构，除自重及导地线荷载之外，冰荷载和风荷载以及所联接导线 产生的不平衡张力是构件承受的藿要外荷载，尤其对直线塔而言，所占比重更大。 对电力线而言，造成电力断线的主要原因是所承受的冰荷载和风荷载严重过载【2 1 。 作为重要生命线工程，输电线路的安全直接影响人民的生产建设和生活秩序，由 各种荷载引起的输电线路故障给经济建设和人民生活造成了严重的影响。 近几年来，电力系统的冰灾事故在世界各地都有不同程度的发生。如：1 9 9 8 年1 月，加拿冰灾持续1 周，造成输电线路最大覆冰厚度达7 5m m ，导致l l6 条 高压输电线路破坏和1 3 0 0 基输电塔倒塌。配电线路破坏3 5 0 条，杆塔倒塌1 6 0 0 0 基，造成l 0 0 万户用户停电，停电受影响人口占加拿大人口总数的1 0 。 1 9 9 8 年1 月5 日开始，美国东北部和加拿大东南部发生持续冻雨天气，造成 输电线路严重覆冰，大量输电铁塔倒塌，电力供应中断。据统计，h y d r o q u e b e c 所辖输电线路超过3 0 0 0 k m 受到冰风暴灾害的影响，造成1 0 0 0 座高压输电杆塔、 3 0 0 0 0 座配电杆塔倒塌，4 0 0 0 台变压器需修复，h y d r o q u e b e c 和o n t a r i oh y d r o 电力系统所需维修费用高达1 0 亿加元。 2 0 0 8 年1 月，中国大部分地区遭遇历史上罕见的冰风暴灾害性天气，电力基 础设施遭到大面积的严重破坏。据统计，截至2 月1 2 日，冰风暴灾害造成全国输 电线路停运3 5 9 6 8 条，停运变电站1 7 3 l 座，1 1 0 - 5 0 0 k v 线路倒塔8 7 0 9 基。截至 2 月2 7 日，造成南方电网1 0 k v 及以上线路7 5 4 1 条被迫停运，3 5 k v 及以上变电 站8 5 9 座被迫停运，1 0 k v 及以上线路倒杆倒塔及损坏1 2 6 2 4 7 基；其中，造成贵 州5 0 0 k v 电网基本瘫痪，华中、华东电网几十条5 0 0 k v 线路倒塔、倒杆、解列和 停运，最大电力缺口接近4 0 0 0 万k w ；造成湖南省电力系统2 9 条5 0 0k v 线路共 2 发生故障跳闸1 2 6 次。停电给铁路、交通运输造成严重影响，给国民经济发展和 人民生活带来巨大损失。 冰风暴灾害造成的输电线路故障主要有3 种形式：( 1 ) 覆冰使导线和杆塔荷载 过重形成倒塔断线事故；( 2 ) 覆冰绝缘子在运行电压下发生闪络；( 3 ) 导地线不均匀 覆冰后，在风的激励下产生低频率、大振幅自激振动，导致导线、金具及杆塔损 坏。冰风暴灾害除容易造成断线倒塔及闪络故障之外，对电力设备如断路器，隔 离开关，接地刀闸，电流互感器，电压互感器，电容器等也将造成较大损坏。与 此同时，由于严莺的断线倒塔等电力事故，加上燃煤供应紧缺，给电厂的可靠发 电带来严重影响，从而影响电力的持续供应，威胁电力用户的可靠用电，造成电 网负荷不断变化。如2 0 0 8 年1 月儿日2 月2 日，湖南电网的统调负荷从1 月l6 日的1 2 1 9 0 m w 下降到1 月2 2 日的7 4 3 9 m w 。1 月2 3 日至1 月2 7 日，电网统调 负荷维持在8 0 0 0 m w 左右的水平1 月2 8 日开始统调负荷进一步下降，并且在冰 雪灾害最严重的1 月2 9 日，统调负荷降至4 8 9 6 m w 。2 月1 日之后，电网供电负 荷开始逐步恢复到7 5 0 0 m w 的负荷水平。 1 3 输电线路冰风暴灾害研究现状 1 3 1 电力覆冰研究现状 自2 0 世纪输电线路开始大规模建设以来，输电塔线体系在风、冰等气象条 件因素的作用下发生了各种灾害性破坏。冰荷载和风荷载对输电线路的威胁主要 是造成覆冰导线杆塔过负载；覆冰导线舞动；覆冰脱落跳跃等方面。冰风暴作为 不常见的极端气象事件，其灾害严重程度主要由持续时间，作用范围，冻雨量和 风速大小决定。针对冰风暴造成的灾害事故，d c b r a g g 收集历史冰风暴灾害造 成的损失数据，通过分析冰风暴的发生频率和持续时间，判断冰风暴造成的灾害 强度【5 】。针对冰风暴灾害对输电线路的影响，已开展了冰风暴气象条件和覆冰厚 度的模拟等研究。 谢运华针对气象因素风速和冻雨量对冰风暴灾害的影响，研究了三峡地区电 力线覆冰与气象要素之间的关系，分析气温、相对湿度、降水量、风向风速等对 冰密度和冰重存在的影响，指出对国内外导线覆冰形成的气象条件进行比较时发 现，中低海拔地区覆冰形成的气象条件与国外的基本相同【6 】。 e l i nb r o s t r 6 m 和j e s p e ra h l b e r g 通过分析冰风暴气象条件，考虑冰风暴气象 的空间分布特性，构建出风速和冻雨量的空间气象模型，该模型考虑气象风速和 冻雨量的窄间分布形状，通过各区域不同的坐标位置估算出相应的风速和冻雨量 】。s gk r i s h n a s a m y 针对气象风速对覆冰导线造成的荷载作用，通过分析风速 3 的分布规律，构建了风速的g u m b e l 概率分布模型p j 。 导线覆冰过程常分为干增长和湿增长两种过程：g o o d w i n 认为覆冰过程属于 干增长，从而提出了单位长度导线的覆冰率模型，该模型假设了导线上的覆冰为 均匀圆筒形冰，且导线的水滴收集系数为l ，但该模型在计算中需要液滴的下落 速度，而，d 的准确值很难确定【9 1 ；c h a i n e 同样认为覆冰为干增长过程，但覆冰 形状为不均匀椭圆形，通过引入截面形状修正系数修正电力线的覆冰当量径向厚 度。m a k k o n e n 在分析导线覆冰湿增长过程中发现，覆冰湿增长时导线上未冻结 的液体在导线的底部长成冰柱，为此，基于数值计算分析，将导线半径、气象条 件及覆冰时间等作为输入量，提出了考虑冰柱的覆冰模型并进行分析和计算【9 1 。 i m a i 分析导线覆冰时认为覆冰强度t 要由导线表面的热传递控制，属于湿增长过 程，因此单位时间内电力线l 的覆冰量与空气温度成正比，与降雨强度无关【9 】。 g u yf o r t i n 、j e a n l o u i sl a f o r t e 等通过分析探讨认为覆冰是液态过冷却水滴释 放潜热固化的物理过程，与热量交换和传递密切相关，导线覆冰量、冰厚和冰密 度都取决于覆冰表面的热平衡状态，但覆冰表面的热量传递受表面粗糙度及蒸发 冷却影响，热传递量很难准确确定，因此基于热传递机理建立的输电线路覆冰厚 度模型具有一定的局限性【1 0 。1 。 l e n h a r d 基于历史气象条件及对应的覆冰厚度，提出了单位长度导线的冰重 计算模型，但该模型忽略了风速、气温、湿度等气象条件对电力覆冰的影响，认 为覆冰量仅与降水量有关1 9 】。然而，实际的冻雨降水只有在一定气象条件下才会 变为导线覆冰。基于此，m a s o u df a r z a n e h 和k o n s t a n t i ns a v a d j i e v 通过研究气象 条件对电力覆冰的影响，针对历史覆冰数据，构建了温度、降雨率和风速与覆冰 厚度之间的函数关系，从而可根据不同时刻的气象条件计算出相应的覆冰厚度 【1 2 1 0 刘和云和周迪对现有主要的导线雨淞覆冰模型进行分析研究发现，同一气象 条件下的覆冰预测值差别较大，为此，在分析冻雨降水产生覆冰的物理过程后， 提出了一个相对简单的覆冰预测模型，并将此模型的预测结果与其他复杂模型的 预测结果进行了比较，发现简单模型的预测结果更加准确【9 】。 k a t h l e e nf j o n e s 针对风速和冻阿的实时变化，通过分析电力覆冰的物理过 程，提出了覆冰厚度的一种简单预测模型，同时基于该模型还分析了冻雨量不同 的冰风暴条件下，覆冰厚度与风速之间存在的非线性关系d 3 1 。考虑海拔高度的影 响，谢运华基于覆冰厚度预测模型，通过覆冰高度修正系数，对电力覆冰厚度模 型进行相应的修i e t l 4 】。 冻雨量作为影响输电线路覆冰的重要因素之一，也有必要对其进行预测。考 虑输电线路所在地理位置及地形地势的差异，上述输电线路覆冰厚度预测模型中 4 经验参数的取值较难把握，同一覆冰条件下模型计算出的输电线路覆冰厚度结果 差别较大，因此理论模型还有待改进才能基本满足实际工程应用需求。 1 3 2 输电线路断线倒塔研究现状 输电塔线体系由输电线和输电塔连接而成，其输电塔高度由几十米到数百 米，输电线跨度由几百米到上千米。当输电线路冰荷载和风衙载的应力强度超过 设计值较多时，会导致架空输电线路机械和电气方面的事故。冰荷载和风荷载过 大会增加所有支持结构和金具的垂直负载，使架空线弧垂超过导线弧垂，地线垂 到导线中间，而引起短路事故，同时导致导线张力及地线张力将按比例增加，造 成铁塔扭转、弯曲、基础下沉、倾斜，甚至发生折断。 覆冰作为输电线路的外荷载形式之一，导线覆冰本身会增加导线的内力，覆 冰的脱落会破坏导线的稳定平衡而引起导线的振动，使导线产生内力增量；在风 荷载的作用下，会诱发导线产生低频、大振幅自激振动的导线舞动。舞动可引起 相间短路和接地短路等，可造成电弧杀伤、断线、倒塔、金具破坏等损失。考虑 塔线体系结构的级联效应，还可能发生塔线耦合振动及严重的串倒。 为此，s gk r i s h n a s a m y 针对导线覆冰产生的冰荷载和风荷载，基于气象风 速的g u m b e l 极值分布，提出了覆冰电力线的冰荷载和风荷载及其概率分布计算 模型1 8j 。然而，这些研究都忽略了冰风暴期间气象因素的实时变化对冰风倚载概 率分布的影响，考虑这种不确定性影响的荷载概率分布预测尚待进一步研究。 a n t a n a sk u d z y s 考虑冰风暴灾害风速对覆冰杆塔的影响，从力学角度分析了 单基覆冰杆塔的风荷载水平，并由此计算出杆塔的可靠概率【l 钉。针对断线后铁塔 的受力情况，j k a m i n s k 、j d r i e r a 、r c r d em e n e z e s 分析了电力线断裂对铁 塔的影响，给出杆塔可靠性指标的计算模璎【l 引。 刘庆丰考虑电力线不均匀覆冰给输电杆塔造成的不平衡张力，建立了输电杆 塔所受不平衡张力的力学模型，从而可有效分析悬垂绝缘子串偏移和两侧导线应 力之间的力学关系，对杆塔所受的不平衡张力进行分析计算，并通过实例分析计 算的结果和实际情况比较，验证了模型的准确性i l 。 朱宽军，刘超群，任西春考虑风荷载作用小覆冰导线的舞动，基于输电线路 舞动造成的闪络跳闸、电弧烧伤、金具和绝缘子损坏和倒塔等破坏，分析线路舞 动时导线动态张力及其变化规律，提出了导线张力变化的估算方法，同时分析舞 动时导线张力变化对金具、绝缘子等受力构件的影响，提出了提高架空输电线路 机械强度的防舞动方法i l 引。 胡毅针对5 0 0k v 输电线路冰闪跳闸、导线舞动和倒塔断线事故进行分析，指 出冰中存在一定污秽和覆冰过厚减小爬距足冰闪的主要原因，分析了覆冰过重对 5 铁塔构件的影响，讨论了当前输电线路断线倒塔的对策以及待展开的研究工作 1 9 1 o 廖宗高，陈海波，肖立群等针对高压及特高压输电线路的特性，以杆塔的纵 向刚度和防止串倒为研究目标，通过分析分裂导线根数、绝缘子串长等对直线杆 塔纵向不平衡张力的影响，探讨了直线杆塔纵向不平衡张力的合理取值【20 1 。 t k a l m a n 、m f a r z a n e h 、gm c c l u r 冰风暴期间，电力线融冰和舞动容易造 成覆冰脱落而导致电力断线，通过数字仿真分析了覆冰脱落对电力线的动态影响 文献【2 1 1 。 然而，上述模型都没有涉及冰风暴灾害下电力断线倒塔的概率计算。并且， 由于受相同气象条件的共同作用，电力线和铁塔的冰荷载和风荷载存在一定的相 关性，它们并不是相互独立的概率事件。这种概率相关性对电力断线倒塔概率的 影响分析尚待研究。 1 3 3 电力系统应对策略研究现状 赵作利分析了输电线路导线舞动造成的危害形态和导线舞动发生的因素，认 为一定的风速风向及导线迎风面覆冰增加是舞动的原因，加强观测确定舞动易发 地区，并相应改进铁塔紧固方式加大导线间距，加装相间间隔棒均可减少导线舞 动的损害【2 2 l 。 胡红春分析了微地形、微气候对输电线路覆冰的影响，提出应有计划地先期 建立覆冰观测站以确定气象条件及避开“微地形 ，同时掌握相应的覆冰资料。 除此之外，还需对输电线路采取相应的避冰和防冰措施，通过输电线路档距、架 设位置的合理选择减少各档之间的不平衡张力差，减少断线倒塔事故的发生【2 引。 山霞，舒乃秋针对热融冰和机械除冰等融冰措施，研究了利用焦耳效应、短 路电流热效应、高频高压激励发热及双分裂导体间电磁力、短时脉冲的电动力除 冰等多种除冰方案，探讨了各方案的利弊及应用范围1 2 4 1 。 张恒旭，刘玉田，张鹏飞在反思2 0 0 8 年极端冰雪灾害对电网安全运行影响基 础上，分析了极端冰霄灾害下电力系统安全评估的技术需求，设计了考虑冰雪灾 害的电网安全评估框架，提出气象一电气混合仿真的概念，讨论混合仿真实现的途 径，并借助p s s e 实现了基于简化线路覆冰和杆塔受力模型的覆冰一电气混合仿真 2