随着冬季的来临，输电线路覆冰成为电力系统面临的一项重要挑战。覆冰的形成涉及多种气象因素和环境条件，了解其成因对于采取有效的防范措施至关重要。今天学习了一些资料，特将覆冰的成因、类型及危害等方面进行介绍。
一、输电线路覆冰是如何形成的
1、覆冰的成因
输电线路覆冰主要由于空气中的水在特定气象条件下形成并结冰。其必要气象条件包括空气的相对湿度在85%以上、风速大于1米/秒、气温及导线表面温度达0℃以下。简而言之，较高湿度的空气中的水是产生覆冰的水源，风的作用使过冷却水滴运动并与导线碰撞后被捕获，较低的温度使水滴冻结形成覆冰。不同的环境因素导致南方多覆冰、北方多积雪的差异。
2、覆冰的类型
覆冰主要分为湿雪、雾凇、雨凇、混合凇四种类型，其中雨凇和混合凇危害最大。
1.湿雪：密度0.2~0.4 g/cm³，形成圆筒形覆雪，可能导致较大的线路覆冰事故。
2.雾凇：密度0.1~0.3 g/cm³，附着力较弱，易脱落，一般不导致事故。
3.雨凇：密度0.7~0.9 g/cm³，透明、坚实，附着力强，容易导致事故。
4.雨雾凇混合冻结：密度0.2~0.6 g/cm³，附着力强，易致事故。
一般而言，输电线路的覆冰并不是由一种形成，而是多种覆冰互为结合，随时间越长越严重，应适时处置以避免危害的发生。
3、覆冰的形成过程
在入冬或初春季节，气温在-50℃之间，风速在115m/s时，空气湿度超过85%的情况下，浓雾、降雨等天气条件会导致电力线路覆冰。冻结的雪片在降落过程中通过温暖层时趋于潮湿、融化，在低于冰点的电力线路上冻结形成白色堆积状的覆冰。雾凇、雨凇和雪淞是由不同的冻结环境形成的，其中雨凇危害最大，易导致事故。
所以输电线路覆冰的形成涉及多种气象因素，了解其成因和类型对于制定有效的防范措施至关重要。及时处置覆冰问题，可有效维护电力系统的稳定运行。
二、影响输电线路覆冰的因素
电线覆冰是电力输送中常见的问题之一，其形成与多种气象条件密切相关。在了解这些条件的基础上，我们可以更好地预防和处理覆冰问题。以下是影响电线覆冰的主要气象条件及其相关因素的概要：
2.1.影响输电线路覆冰的气象条件
1. 环境温度
环境温度是导线覆冰的主要因素之一。一般而言，导线最容易发生覆冰的温度范围为-1℃到-5℃。在这个范围内，过冷却水滴容易凝结形成覆冰。在气温过低时，过冷却水滴往往会以雪花的形式降落，而不会形成导线上的覆冰。因此，在极寒的北方地区，冰害事故反而较南方高湿度的地区轻。
2. 空气湿度
空气湿度对导线覆冰有着显著的影响。当湿度达到85%以上时，导线易受到覆冰，尤其是在90%以上的高湿度地区。南方诸如湖南、湖北、江西等省份，在阴雨连绵的严冬和初春季节，因湿度高而导线容易覆冰，且覆冰类型多为雨凇。而在高海拔地区如云南、贵州，则主要呈现雾凇或混合凇的覆冰类型。
3. 风速风向
风速和风向是导线覆冰的重要影响因素。微风和无风的情况有利于晶状雾凇的形成，而较大的风速则有利于粒状雾凇的生成。大多数计算导线覆冰的模型中都包含了风速这一关键因素。通常而言，在0~6m/s的风速范围内，导线覆冰速度较快。风向与导线的垂直或平行关系将影响覆冰形状，垂直风时形成偏心覆冰，而平行风时则形成均匀覆冰。
4. 过冷却水滴大小
过冷却水滴的直径直接影响覆冰的特征。雨凇覆冰时，水滴直径较大，约在105~20μm之间；混合凇的水滴直径在5~35μm之间。直径越大的水滴在碰撞冻结过程中释放潜热较慢，导致覆冰特征的差异。
5. 凝结高度
凝结高度是指云中的过冷却水滴全部变成冰晶或雪花时的海拔高度。其计算常使用海宁公式，其中涉及地面气温和露点温度。凝结高度对高海拔山区的导线覆冰有着决定性的影响，当山峰高度超过凝结高度时，该区域可能属于重冰区或特重冰区。
通过深入理解这些气象条件，我们能够更有效地预测和应对电力输电中可能出现的导线覆冰问题。这有助于提高电网运行的可靠性和稳定性。
2.2 影响输电线路覆冰的地形及地理环境
覆冰与山脉走向、坡向、分水岭等因素、以及我国常见的微气象、微地形覆冰特征有关。在山区，地形及地理环境对电线的覆冰情况有着明显的影响。以下是一些关键的地形及地理因素：
1.垭口型
垭口是山脉中气流集中加速的地方，线路穿越垭口时，风速增大，覆冰量也会相应增加。例如，在井冈山盐山垭口、昭通市庄沟垭口等地，线路经过垭口容易出现覆冰，成为典型实例。
2.高山分水岭型
线路翻越分水岭时，空旷开阔，易受强风和严重覆冰影响。山顶及迎风坡侧特别容易形成强风，过冷却水滴在风力作用下增多，导致导线覆冰严重。典型实例包括秦岭、金沙江与小江的分水岭、伏牛山老界岭等地。
3.水气增大型
靠近大型江湖水体的输电线路，由于水汽增大，寒潮侵袭时容易出现严重的彼冰现象。例如，梅岭（受鄱阳湖影响）、昆明太华山（受滇池影响）等地都是典型实例。
4.地形抬升型
平原或丘陵中拔地而起的突峰、盆地台地及陡崖，容易在冬季寒潮侵袭时形成云雾，导致严重覆冰。例如，会泽县大竹山、贵州省鸡江Ⅱ回十里长冲、广西省蔽桂线金竹坳等地。
5.峡谷风道型
横跨峡谷的输电线路，两岸地形高低差大，通过狭管效应产生较大的风速，导致风荷载大幅度增加。云南省110kV六平线南盘江峡谷、500kV大昆线绿汁江跨越点等为典型实例。
2.3我国的微气象、微地形覆冰特征
我国具有典型的微气象、微地形覆冰特征，主要包括以下几种类型：
1. 垭口型
在绵延山脉中形成的垭口，是气流集中加速之处，导致线路处于垭口或横跨垭口时，风速增大或覆冰量增加。
2.高山分水岭型
线路翻越分水岭，容易出现强风及严重覆冰情况，尤其在山顶及迎风坡侧。
3.水气增大型
输电线路临近大型江湖水体，使空气中水汽增大，容易出现严重彼冰现象。
4.地形抬升型
平原或丘陵中拔地而起的突峰或盆地中一侧较低另一侧较高的台地及陡崖，因盆地水汽充足，湿度较大的冷空气容易沿山坡上升，在顶部或台地上形成云雾。
5.峡谷风道型
线路横跨峡谷，两岸很高很陡，通过狭管效应产生较大的风速，导致送电线路风荷载的大幅度增加。
通过深入了解这些地形及地理环境因素，我们能更好地预测和应对山区电力输电中可能出现的导线覆冰问题，以提高电网运行的可靠性和稳定性。
2.4 影响电线覆冰的线路走向及电线悬挂高度条件
输电线路的导线覆冰与线路走向及电线悬挂高度密切相关。一般而言，东西走向的线路导线覆冰相对较轻，而南北走向的线路导线覆冰较为严重。这一差异与冬季主要的北风或西北风有关。在南北走向的线路中，风向与导线轴线基本平行，导致单位时间内输送到导线上的雾粒较少。相反，当导线为东西走向时，风与导线夹角约为90°，使得导线覆冰程度最为严重。因此，输电线路导线覆冰与风向呈近似正弦关系。
另外，线路所在地区的海拔高程也对导线覆冰产生影响。通常而言，海拔高程愈高，覆冰发生的可能性越大，且冰层更为厚重，主要呈现为雾凇。相反，海拔较低的地区，冰层虽薄，但常为雨凇或混合冻结。
导线悬挂高度是另一个重要因素。随着导线悬挂高度的增加，覆冰越为严重。这是因为空气中液水含量随高度升高而增加，导致更多的水滴在单位时间内向导线输送，从而加剧了覆冰的程度。风速越大、液水含量越高，单位时间内输送到导线的水滴越多，进而导致覆冰更加严重。覆冰随导线悬挂高度的增加而增加的规律可以用乘幂律表示。
2.5 电线直径与覆冰厚度和扭转对覆冰的影响
当风速在3～8m/s时，导线直径越大，其相对导线单位长度覆冰量越重；当风速大于8m/s时，对于任何直径的导线，导线直径越大其覆冰量越重，但覆冰的厚度是随导线直径的增加而减小。覆冰在迎风面上生长，达到一定厚度时产生扭转力矩。导线扭转加速覆冰增长。这是因为导线覆冰时形状往往很不规则（有扇形、椭圆形、新月形、圆形等）导线承受偏心荷重，由于其扭转角度与L2/Φ4 (L为线路档距,Φ为导线直径)成比例，而L＞Φ,故导线易发生扭转，这就便于在导线的各个侧面上进一步积冰。档距中央线段的扭转程度要比悬挂点线夹处附近大，随风运动的过冷却水滴得以均匀地积聚到扭转导线的整个表面，而不像固定不扭转的线段那样覆冰主要积聚在迎风面一侧，，对比之下，悬挂点线夹附近导线与气流平行的长径增长得快，与气流正交的短径增长的慢，迎风面积增加不多，冰重增长较慢，而档距中央长径、短径增长比较均匀，与气流正交的迎风面积增加较多，冰重增长较快，质量较大。
2.6 电场对覆冰的影响
电场的存在对移向导线的水滴粒子产生极化和吸引力。尽管水滴内的极化电荷会随交流电压变化，但其作用力始终表现为一个引向导线的吸引力。这意味着电场对雾滴和毛毛细雨的吸引力会导致更多的水滴移向导线表面，从而增加导线上的覆冰量。
电场强度的恒定性是一个关键因素。在负荷电流对导线覆冰的影响方面，有两个主要方面需要考虑。首先，当电流较小时，如果焦耳热无法使导线表面维持在0℃以上，负荷电流反而会导致导线覆冰的增加，因为这时电场的影响变得显著。其次，当电流足够大，能够使电线发热并保持其表面温度在0℃以上时，即使有过冷却水滴碰撞导线，导线表面也不会形成覆冰，从而实现了自然防冰的效果。这说明电场的存在不仅对导线上的水滴粒子具有吸引力，而且在一定条件下，可以通过电热效应来抵御覆冰的形成，为电力系统的可靠运行提供了一种有效的解决方案。
三、输电线路覆冰引起的事故类型
3.1 过荷载事故
导、地线覆冰后，其弧垂和张力增大，进而增大绝缘子串、金具、杆塔和基础的荷载。当发展到一定程度时，在电气方面，导线弧垂下降过大将导致对地或交叉跨越物间距不足发生放电，地线弧垂增大与导线安全净距不足发生放电，甚至烧断导地线事故；在结构方面，将会造成导、地线和金具断裂或损坏，杆塔受损甚至倒塌，基础下沉、倾斜甚至损坏，绝缘子串扭转、跳跃发生翻转、碰撞等。2008年冬春交替季节我国长江以南发生了历史罕见的长时间冬雨天气，线路覆冰远远超过设计覆冰厚度，导线覆冰最厚达110mm，造成上万基输电线路杆塔被压倒或拉倒，导地线断线。
3.2 不均匀覆冰或不同期脱冰事故
导地线有白霜、雾凇、混合淞、积雪等低密度覆冰时，由于粘结松散，在风或者自重的作用下，自动脱落，导地线张力突然变化，引起导地线的跳跃脱。相邻档不均匀覆冰或不同期脱冰都会产生张力差，使导地线受损、滑动，还会造成直线杆塔承受不平衡张力发生倾斜、受损，严重时还会发生倒杆塔事故。同时，不同期脱冰还会引起导、地线跳跃相互接近发生放电，导线跳跃引起耐张塔引流线与横担接近发生放电，悬垂绝缘子串偏移碰撞横担等。
3.3 绝缘子串冰闪事故
绝缘子的冰闪是冰害的另一种，当绝缘子发生覆冰现象后，在特定温度下使绝缘子表面覆冰或被冰凌桥接后，绝缘强度下降，泄漏距离缩短。在融冰过程中冰体表面或冰晶体表面的水膜会很快溶解污秽物中的电解质，并提高融冰水或冰面水膜的导电率，引起绝缘子串电压分布的畸变（而且还会引起单片绝缘子表面电压分布的畸变），从而降低覆冰绝缘子串的闪络电压。大气中的污秽微粒直接沉降在绝缘子表面或作为凝聚核包含在雾中，将会使绝缘子覆冰融化时，冰水电导率进一步增加。另外有关试验数据表明，覆冰越重、电压分布畸变越大，绝缘子串两端，特别是高压引线端绝缘子承受电压百分数越高，最终造成冰闪事故。
实际上，纯冰的电阻很高，完全可以满足电力系统安全运行的要求，只有当冰中混杂有导电杂质后，覆冰绝缘子的闪络电压才会降低。这不仅因为冰闪是由于冰中含有污秽等导电杂质造成的，而且从污秽绝缘子和覆冰绝缘子的耐受电压和闪络机理也可发现其相似性。图1为覆冰绝缘子交流耐受电压和污秽绝缘子交流耐受电压的比较。
3.4 覆冰舞动
舞动是导线覆冰形成非圆截面后所产生的一种低频、大振幅的自激振动，振幅一般在12 m以下，会造成金具损坏和断线，严重的会发生线路倒塔事故。舞动涉及大跨越和一般线路,地域涉及到山区、丘陵和平原；气象条件涉及到雨凇、雪凇,冰雪从几毫米到几十毫米。统计数据表明，在5～10m/s，温度-5～1℃，导线覆冰厚度在3～20mm之间，湿度在85%以上的气象条件下，产生舞动的几率最大。实际上，一般在导线表面有覆冰的情况下，就极易产生舞动现象。
四、输电线路如何应对覆冰
综合国内电力企业、科研设计院所、设备制造厂家等单位对电网防冰、抗冰技术的长期研究与积累，输电线路逐步形成了“避、抗、融、防、改”的冰灾防护技术体系，避开重冰区；“抗”：提高线路抗冰厚度；“改”：改造已有线路；“防”：采取合理措施防止覆冰；“融”：采取电流融冰。其分层合理利用应用，为电网安全稳定运行提供了有力支撑。
避：裹覆在导线上的覆冰按0.9克/平方厘米折算为标准冰的厚度即为设计冰厚，随着设计冰厚的增加，线路本体投资也基本上按10毫米、20毫米、30毫米……冰厚成倍数增加。为合理工程投资，保证运行安全，输电线路要在路径选择时就尽量避让重冰区（20毫米及以上冰厚）。
抗：在避无可避或者是远离重冰区域的路径方案极不合理时，适当提高设计标准进行差异化设计，加强线路抗冰能力，成为一种相对合理的选择。
融：2008年初南方地区冰灾后，在大量重覆冰线路上采用了融冰技术，极大提高了输电线路的安全可靠性。根据线路沿线冬季巡查，结合覆冰监测技术，线路在冬季运行过程中，适时采用在线路上通过高于正常电流密度的传输电流进行融冰（主要有交流融冰及直流融冰两种），实现了从被动“抗冰”到主动“防冰”的转变，效果明显。
防：防冰技术目前主要包括阻雪环、化学涂料及机械除冰等，但总体效果一般。随着技术的发展与成熟应用，自动避障的机器人出现在高压线上，将成为线路机械除冰的有效补充。
改：对已建线路抗冰能力需要改造加强的，可根据最新的气象、覆冰调查资料，投运线路的运行情况，结合周边覆冰监测资料，进行提升抵御冰灾能力设计，重点针对重要交叉跨越、微地形、微气象区进行加强设计。
4.1 绝缘子串防冰
4.1.1加装大盘径绝缘子
在悬垂绝缘子串上端加装大盘径绝缘子，可以将横担上流下的冰水与绝缘子串本身的覆冰隔断，从而起到防冰的作用，同时又有一定的防鸟效果。这种措施对一般的降雪、降雾天气有较好的防范作用，但当绝缘子串本身的覆冰较重时，就失去了效果，因为绝缘子串本身产生的熔冰水已足以形成短路，同时随着横担上熔冰水的下落，大盘径绝缘子外侧的冰凌逐步增长，虽能与绝缘子串保持一定距离，但也会短接一部分空气间隙，从而降低闪络电压。
4.1.2 绝缘子串插花
在瓷或玻璃悬垂绝缘子串上插花加装大盘径绝缘子、在复合绝缘子上插花增加大直径伞裙，通过这些大绝缘子片或大伞裙隔断融冰水，使其形不成连续短接的冰凌。但从理论上说，当覆冰达到一定程度、绝缘子串被完全包覆以后，也会发生冰闪。
4.1.3“V型”或“倒V型”配置悬垂绝缘子
将悬垂绝缘子串“V型”或“倒V型”布置，使绝缘子串倾斜，不仅形不成连续的冰凌，而且能增加绝缘子串的自洁性能，具有良好的防冰效果。但“V型”配置取决于杆塔结构，且这种配置的杆塔类型极少，难以实现。目前，山西的重冰区普遍采用了“倒V型”改造这种形式，取得了良好效果。“倒V型”配置不仅具有防冰作用，而且对防鸟害、防风偏都有一定的效果，但相对于其他防冰措施，改造复杂、投资较大，对金具的要求较为严格。
4.1.4 更换复合绝缘子
复合绝缘子具有良好的憎水性和传导热量慢的特性，使其防冰闪性能明显优于瓷和玻璃绝缘子，如再辅助以大盘径绝缘子，则防冰效果更好，且这种措施改造简单、投资小。
4.2 导线除冰
目前国内除冰大致可分为机械除冰法、自然除冰法和热力融冰法三大类，下面进行简单介绍。
4.2.1 机械除冰法
机械除冰法主要利用输电线路导线的力学效应破坏覆冰的力学平衡使其脱落。以电磁脉冲除冰、滑动铲刮除冰和人工除冰为主。电磁脉冲除冰是利用电容器冲击放电和电流通过线圈产生脉冲磁场，从而在导线中产生涡流，涡流的磁场与线圈磁场产生斥力使导线产生扩张，脉冲消失后导线收缩到原状态，反复的扩张和收缩使导线表面的覆冰胀裂掉落。滑动铲刮除冰法是将电容器的冲击放电电流通过线圈产生的脉冲磁场转换为执行机构的脉冲力，通过执行机构将导线表面的覆冰击裂掉落。机械除冰法中另一种常用人工除冰法存在的最大问题是效率极低，需要大量人力，一般仅适用于作业环境好、100 km 左右的输电线路的除冰。还有一种由加拿大魁北克水电公司提出的电磁力除冰法，其原理是在线路额定电压下短路，短路。
电流产生的电磁力使导线相互撞击，使覆冰脱落。这种方法的应用会给系统带来稳定性问题，线路压降也比较大，不推荐使用。
4.2.2 自然除冰法
自然除冰法不能阻止冰的形成，但有助于限制冰灾。在导线上安装阻雪环、平衡锤等装置的自然除冰法，可在导线上安装阻雪环，平衡锤使导线上的覆冰堆积到一定程度时，依靠风力、地球引力、辐射以及温度突变等作用自行脱落。该法简单易行，但可能因不均匀或不同期脱冰产生的导线跳跃的线路事故，不能保证可靠除冰，具有一定的偶然性。利用憎水性和憎冰性涂料防冰是通过减少水和冰与导线的附着力来防止结冰，与其他方法相比在工程上简单易行，成本较低，是防止覆冰具有潜力的可行途径。但现有的防冰涂料并不能从根本上防止冰的形成，而只有在足够的辐射下才能生效，在气温低，水雾呈过冷却的情况下，防冰效果较差。
4.2.3 热力除冰法
热力除冰法的基本原理是在线路上通过高于正常电流密度的传输电流以获得焦耳热进行融冰。常见的几种热力除冰法：
1) 过电流防冰融冰法：通过改变潮流分布增大线路的负荷电流而使得导线发热达到防冰融冰目的。这种方法对截面较小的110 kV 及以下线路可行，对更高电压等级线路由于截面大，并受系统容量和运行方式限制，无明显作用。
2) 基于移相器的带负荷融冰法：随着输电网络FACTS 设备的大量应用，电网在潮流控制方面更加灵活有效，通过改变潮流分布的融冰方法能够在应对冰灾方面发挥更大的作用。基于移相器的带负荷融冰法，即ONDI(on-load network de-icer)法。带负荷融冰的方法最早在1990 年提出，并在此后得到了发展。此方法利用移相变压器角度的变化改变平行双回线的潮流分布，通过增加其中一回线的电流来增加线路发热，达到融冰的目的。
3) 高频激励融冰：20 世纪末Charles RSullivan 等提出了用8～200 kHz 高频激励融冰的方法，机理是高频时冰是一种有损耗电介质，能直接引起发热，且集肤效应导致电流只在导体表面很浅范围内流通，造成电阻损耗发热。
4) 交流短路电流融冰法：人为将融冰线路的一端两相或三相短路，而在另一端提供融冰交流电源，以较大短路电流(控制在导线最大允许电流范围之内)来加热导线，将附着的冰融化。
5) 直流电流融冰法：直流融冰技术的原理就是将覆冰线路作为负载，施加直流电源，用较低电压提供短路电流加热导线使覆冰融化。可采用发电机电源整流和采用系统电源的可控硅整流两种方案。前者虽可减少投资但却发电受机组容量与融冰所需容量的限制，大多情况都不满足需求。因此采用系统电源的可控硅整流融冰是热力融冰法中的热点，其适用性更强，可根据不同情况调节直流融冰电压，使之满足不同应用环境的需要，是现有融冰方法中最理想的一种。国内外一致认为，对于出现在局部范围内的输电线路覆冰问题，导线的机械除冰方法可做为一种辅助措施。对于发生在大范围的输电线路覆冰问题，导线热力融冰法中的直流融冰方法是最有效的。
[本文参照了输配电线路公众号《输电线路覆冰原因、事故类型及防治概述》相关内容。本号所刊发文章仅为学习交流之用，若有侵权请告知，我们将及时删除。]
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