架空输电线路覆冰灾害分析及应对措施-

架空输电线路覆冰灾害分析及应对措施,二八年十月十五日,中国电力科学研究院杨靖波,汇报内容,1、08年冰灾概况2、灾害原因及破坏分析3、应对措施,- 3 -,灾害统计导地线破坏铁塔破坏金具破坏绝缘子破坏,一、冰灾概况,- 4 -,从2008年1月10日开始，我国华中、华东地区出现长时间持续的大强度、大范围低温雨雪冰冻天气。国家电网公司经营区域内华中、华东及所属10个省级电网遭受严重损害，其中湖南、江西、浙江电网设施损毁严重。,灾害统计,- 5 -,灾害统计,国家电网公司经营区内共有37个地市的545个县（区）、2706万用户受到影响。公司所属电网共有17.2万基高压杆塔倒塌，1.2万基受损；高压线路断线12.9万处；低压线路倒断杆51.9万基，低压线路受损 15.3万条，变电站停运884座；公司系统通信光缆受损约2860公里。直接经济损失高达104.5亿元。,- 6 -,湖南电网14条500kV、44条220kV和121条110kV线路受损停运；江西电网17条500kV、57条220kV和168条110kV线路受损停运；浙江电网23条500kV、21条220kV和14条110kV线路受损停运；“三峡送出”大通道江城、宜华500千伏直流线路损坏严重；湖北、安徽、河南、福建、重庆、四川、江苏等地的电网也受到不同程度的冲击和破坏。,灾害统计,- 7 -,灾害统计,国家电网公司系统输电线路受损情况统计表,- 8 -,导线1）重覆冰作用下在档距中间的某一处断线； 2）在线夹处发生滑移引起断股、抽丝；3）铁塔破坏引起断线。地线和OPGW1）地线和OPGW在重覆冰作用下断线破坏；2）地线及OPGW在覆冰下弧垂过大。,1、导地线破坏,- 9 -,导线断股,导线在线夹处拉断,地线覆冰断线,断线破坏,- 10 -,舞动引起掉串,舞动引起导线损坏,舞动造成导线损坏,- 11 -,覆冰闪络,舞动闪络造成的导线表面损伤,- 12 -,纵向不平衡张力将铁塔拉坏或在拉、扭共同作用下破坏； （1）不均匀覆冰和脱冰产生纵向不平衡张力； （2）断线产生纵向不平衡张力和冲击荷载；覆冰产生的垂直荷载作用将铁塔压坏；导、地线不均匀覆冰舞动使铁塔破坏。不平衡张力造成的倒塔占总数的95%以上。,2、铁塔破坏,- 13 -,采用多分裂导线的铁塔比采用单分裂导线的铁塔更易受损；倒塌的铁塔中，大档距铁塔和相邻档距相差较大的铁塔占80%左右，微地形对铁塔承载力的影响明显。,铁塔破坏,- 14 -,铁塔被拉坏,导、地线长时间舞动破坏铁塔,铁塔被扭坏,倒塔破坏,- 15 -,舞动引起杆塔螺栓松脱,舞动造成铁塔破坏,- 16 -,500kV线路倒塔,交流线路倒塔462基（占91.3%）、直流线路倒塔44基（占8.7%）；单回路倒塔380基（占75.1%），双回路倒塔126基（占24.9%）；直线塔倒塔453基（占89.5%）,转角塔倒塔53基（占10.5%）；倒塔的主要塔型为酒杯塔（36.2%）、猫头塔（21.9%）和鼓形塔（24.9%）；杆塔所处海拔300米以上高度的占53.1%，设计冰厚15mm及以下的倒塔占总数的97.8%。,- 17 -,3、金具破坏,- 18 -,4、绝缘子破坏,- 19 -,覆冰闪络,覆冰融化在绝缘子串表面形成水帘导致跳闸,片间完全被覆冰桥接导致冰闪,- 20 -,气象条件覆冰情况典型铁塔破坏分析,二、灾害原因及破坏分析,- 21 -,入冬以来尤其是1月份，冷空气、暖湿气流活跃，北方的冷空气与南方向北输送的暖湿气流，恰好交汇于我国中东部，为这些地区出现大范围雨雪天气创造了有利的环流条件。由于从1月10日至1月底这段时间大气环流稳定少变，导致雨雪天气集中在这些地区没有出现明显转折，先后出现三次大范围的降雨雪过程。,1、气象条件,- 22 -,全国降水量分布图,气象条件,- 23 -,根据调研、分析和各省气象台站提供的气象数据，从1月10日至1月底，湖南、江西、浙江等地的气温大都在0到-10之间；降水、降雪丰富，相对湿度在85%以上；风速一般在3-10m/s之间。,气象条件,- 24 -,受大气层环流影响形成“逆温层”，空气冷热交替引起降水产生“过冷却”现象，过冷却水滴遇导地线、铁塔等即发生冻结。,2、覆冰情况,- 25 -,覆冰与降水、温度及其垂直分布、湿度、风速密切相关。最佳覆冰条件（冻雨）：气温0-5；降雪、小雨或浓雾，过程水气较大，相对湿度85%以上；风速1m/s4m/s，持续时间较长。由于温度、湿度和风速与覆冰生成的气象条件吻合，因而造成湖南、江西、浙江等省份大范围的严重覆冰。,覆冰情况,- 26 -,（1）雨凇：覆冰体半透明，密实无孔隙，坚硬、光滑、湿润。导、地线覆冰体近似椭圆形，其长短轴相差较小，附着力强。（2）覆冰密度：一般不小于0.80g/cm3。湖南覆冰实测密度在0.90g/cm3左右；江西覆冰实测密度达0.82g/cm3、0.85g/cm3和0.92g/cm3。 （3）覆冰量级：湖南、江西的覆冰厚度不小于30mm，湖南最重地区超过60mm；浙江海拔400m以上地区覆冰厚度不小于30mm。各省的覆冰折算成设计冰厚，都超过了10mm和15mm的设计覆冰取值。,覆冰特征,- 27 -,线路覆冰情况及实测,覆冰情况,- 28 -,典型铁塔破坏分析,（1）单回路酒杯塔（设计冰厚15mm）,- 29 -,1、单回路酒杯塔破坏分析,在不考虑纵向不平衡张力的情况下,35mm覆冰下，边导线横担上平面主材、中导线横担正面斜材等的实际应力水平超过设计允许应力，会发生破坏，引起倒塔。,- 30 -,单回路酒杯塔破坏分析,在考虑15%纵向覆冰不平衡张力的情况下,考虑不平衡张力情况下铁塔的可承受最大覆冰厚度减小，25mm覆冰时即会破坏。30mm覆冰工况下，铁塔由上曲臂外侧主材最先破坏，导致塔头受力平衡体系破坏，下曲臂及中横担接连扭曲损坏，铁塔瓶口以上部分严重变形倒塌。,- 31 -,单回路酒杯塔破坏分析,铁塔实际覆冰倒塔情况：瓶口以上塔头部分向左侧的小号侧倒塌，现场实测覆冰厚度达30mm-60mm。现场破坏情况与校核计算分析结果一致。,- 32 -,（2）江西罗萍（安）线 500kV双回路塔 （设计冰厚10mm）,典型铁塔破坏分析,- 33 -,297#塔破坏,296#塔破坏,298#塔破坏,2、双回路鼓型塔破坏分析,临时拉线,- 34 -,双回路鼓型塔破坏分析,罗萍线295#-298#断面图,- 35 -,双回路鼓型塔破坏分析,287-297#塔往小号侧方向倾倒，298-313#往大号侧方向倾倒。从现场倒塔情况判断，最先破坏点应发生在297#、298#铁塔所在区域。经分析计算，覆冰20mm时导线张力达到设计耐受验冰荷载，覆冰32mm时导线张力超过其破断力。现场实测导线覆冰厚度达到80mm。破坏原因：297号塔的左回路上导线在大号侧贴近线夹处由于覆冰荷载的作用断线，断线后砸在下导线上引起下导线落地（或者下导线压坏下横担而落地），由于断线和掉线，相邻296号和298号承受断线冲击，引起破坏和串倒。,- 36 -,工况1：20mm覆冰、两个回路都考虑20%的不平衡张力时，主材应力已经超过设计值。工况2：20mm覆冰、纵向不平衡张力达到30%时，下横担以下塔身部分的斜材受力已超过设计应力的19%；30mm覆冰、纵向不平衡张力达到20%时，下横担以下塔身部分的斜材受力已超过设计应力的33%。,双回路鼓型塔破坏分析,- 37 -,计算和核查结果表明：即使导线不断线，当覆冰厚度增加到20mm且有20%的不平衡张力时，297号塔的主材会屈服破坏；当覆冰厚度达到20mm断线时，斜材会屈服破坏。296号塔的实际破坏情况，与工况2的校核分析结果接近。,双回路鼓型塔破坏分析,- 38 -,（3）安徽500kV 宜华直流G33塔（设计冰厚10mm）,典型铁塔破坏分析,- 39 -,3、直流干字型铁塔破坏分析,在不考虑纵向不平衡张力的情况下,- 40 -,干字型铁塔破坏分析,15mm,20mm,25mm,30mm,- 41 -,干字型铁塔破坏分析,在考虑15%纵向覆冰不平衡张力的情况下,- 42 -,干字型铁塔破坏分析,15mm,20mm,25mm,30mm,- 43 -,横担破坏,整体坍塌,干字型铁塔破坏分析,铁塔实际破坏情况，与校核分析结果一致。,- 44 -,规划设计阶段线路运行阶段,三、防冰减灾应对措施,- 45 -,规划设计阶段的应对措施,避冰:选择适当路径避开重冰区抗冰:提高线路抵抗覆冰荷载的机械强度减冰害:防串倒，易修复,- 46 -,规划设计阶段的应对措施,规划设计阶段，由于受到多种因素的制约，线路路径选择不尽合理。新建线路大多位于海拔相对较高的地区或穿越高山、大岭，不仅容易形成大高差、大档距、不均匀覆（脱）冰等覆冰倒塔的客观诱发条件，也使得灾害后的抢修恢复异常艰难电力行业目前没有专门的气象服务，我们对气象数据的解读、分析能力较弱，也缺少系统的观测数据，覆冰设计取值影响了输电线路设计的准确性。,- 47 -,规划设计阶段的应对措施,1、在线路规划方面：尽可能降低线路的平均海拔，避开重冰区；根据电网的负荷分布和环境因素，规划建设加强型战略性输电通道，在其他线路灾害失效时能够保证电网的基本运行。,应对措施：,- 48 -,规划设计阶段的应对措施,2、在线路设计方面：提高设防水平，对同一走廊内的不同线路、同一线路的不同区段，采取差异化设计；杆塔设计中加大纵向不平衡张力取值；增加铁塔抗串倒的能力；增强地线抗冰能力；提高大档距、大高差区段的抗冰设计标准。,- 49 -,2005年湖南地区发生冰灾后，提高覆冰设计厚度对破坏塔进行了改造，益阳、娄底的部分线路的铁塔考虑了纵向不平衡张力（导线不小于15%、地线不小于20%）。经过调查，2008年冰灾中经改造的杆塔经受住了考验，未发生倒塔。,提高设防水平,- 50 -,提高设防水平,08年冰灾后杆塔设计的新规定（1）提高输电线路设计气象条件设防水平。110330千伏电网气象重现期由15年提高到30年，500千伏电网由30年提高到50年，750千伏电网为50年，特高压工程按100年一遇考虑。 （2）提高输电线路的抗覆冰能力。在现行设计规程基础上增加1020mm中冰区设计条件及相应设计原则和措施。形成010mm轻冰区、1020mm中冰区和20mm及以上重冰区设计覆冰的分级。,- 51 -,提高设防水平,（3）覆冰工况设计原则和措施 1）直线塔覆冰工况时每相导线和每根地线同时考虑纵向不平衡张力的影响，导线不平衡张力取最大使用张力的1020%，地线取最大使用张力的2030%。 2）增加验算条件。验算覆冰可按稀有条件考虑。验算覆冰情况下，导地线弧垂最低点的最大张力不超过相应破断力的70%。 3）不均匀覆冰工况作为正常运行工况，其荷载组合系数由0.75提高到0.91.0。,- 52 -,提高设防水平,4）计算导地线覆冰风荷载时考虑导地线覆冰后风荷载增大系数1.21.5；计算杆塔自身覆冰风荷载时考虑杆塔构件覆冰后风荷载增大系数1.51.8。5）耐张段长度应作适当控制，一般不宜超过3km。同一耐张段内，每隔45基直线塔，设置1基防串倒的加强型直线塔。6）地线覆冰宜比导线增加510mm。地线断线张力提高25100%。地线型号加大1级。7）对多分裂导线断线不平衡张力提高1025%。,- 53 -,运行阶段的应对措施,气象预警除冰措施应急系统,- 54 -,1、气象预警,电力行业目前缺少准确的覆冰数据，需要与气象部门联合，建立观冰站，并提高气象预警和实时观测能力。,- 55 -,湖南、湖北等地投用的输电线路在线监测系统，详实地记录了覆冰的形成过程和条件，为电网调度以及线路除冰、融冰措施的合理有效施行提供了决策依据。,覆冰在线监测系统,- 56 -,1月29日冰情监测系统覆冰分布图（湖南）,覆冰在线监测系统,- 57 -,覆冰在线监测系统,湘北（常德）江复线#340 长株潭益（益阳）岗艾线#307,- 58 -,福外I线122杆塔断股图 鹤云线#65塔覆冰图,江城线1676横担弯曲图,覆冰在线监测系统,- 59 -,2、除冰措施,除冰措施：人工除冰、机械除冰、机器人除冰、大电流融冰等。,08年的冰灾，在融冰等其他技术不成熟的条件下，更多地采用了人工除冰。实践表明，在覆冰初期冰厚不太大的情况下，人工除冰对防止冰闪跳闸，恢复送电，发挥了重要作用。,- 60 -,铁塔人工除冰,绝缘子串人工除冰,人工除冰,- 61 -,机械除冰,- 62 -,机械除冰,冲击波法除冰,- 63 -,机器人除冰,- 64 -,融冰,大电流融冰 （1）短路电流 （2）正常电流,- 65 -,3、应急体系,健全应急体系 在此次抗冰抢险过程中，可以看到，我们应对灾害的技术能力还不够强，现有的技术手段还不足以支撑抗灾抢险的需要。在加快推动防灾减灾决策科学化和技术装备现代化的步伐的同时，要加强面临各种自然灾害的对策研究和相应的应急机制建设。,- 66 -,应急体系,在系统调度方面：（1）加强与气象部门的合作及灾害预警，提高对气象数据的解读和分析能力，加强和深化灾害天气等紧急情况下的停电应急预案和电网保护应对策略，提高灾害气象下电网运行的安全稳定性。（2）加强系统调度，加强需求侧管理，优化电网运行方式，在确保特殊时期电网安全、稳定运行的基础上，最大限度地挖掘了电网输电潜力，减少电网限电