雪灾对国家电力设备的影响

    一、基本状况

    2008年1月中旬我国南方地区普降大雪，持续的低温、雨雪和冰冻灾害造成输电线路大范围覆冰，多条输电线路由于覆冰严重导致停运，上千条各压等级的电力杆塔因无法承受覆冰重量而倒塌。南方区域电网的贵州、广西、云南、广东等4个电网10kV及以上线路7541条被迫停运，其中110kV及以上线路588条；35kV及以上变电站859座被迫停运，其中110kV及以上变电站270座；10kV及以上线路电杆倒塌及损坏126 247座。

    二、存在的问题的分析

    1．覆冰的成因及影响

    覆冰形成的气象因素主要有气温、空气湿度、风速和风向，即需要具备足以冻结的气温条件（一般小于0℃），同时需具备较高的空气湿度。空气相对湿度一般大于85%，当具备了形成覆冰的温度和湿度条件后，风速的大小和风向是决定覆冰荷载的重要参数，最适宜覆冰的风速一般为1～10m/s。风对覆冰的影响表现为：覆冰首先在导线迎风面上生长，当迎面达到某一覆冰厚度时，在不平衡重力的作用下产生扭矩，使导线发生扭转，则在导线的另一迎风面上产生覆冰，反复多次后在导线上形成圆形或椭圆形的覆冰。通常小导线的覆冰多呈圆形，而大导线的覆冰则多呈椭圆形，不扭转的导线上覆冰形状多为扁平状。

    覆冰种类大致可分为雨凇、雾凇、混合凇和积雪4类。雨凇是大气中的过冷却水滴在导线上冻结形成的透明状冰壳，其附着力很强，质量密度较大，一般为0.6～0. 9g/cm³；雾凇是大气中的水汽过饱和时在导线上附着或升华凝结，形成针状或羽毛状结晶，其冻结不密实，附着力较弱，质量密度较小，一般为0. 1～0. 4g/cm³；混合凇为雨凇和雾凇交替形成的不透明或半透明的覆冰，质量密度一般为0. 4～0. 6g/cm³；积雪是由自然降雪黏附在导地线上形成的，有干、湿雪之分，干雪附着力很弱，质量密度较小，一般小于0. 1g/cm³，而湿雪附着力也不强，质量密度稍大，一般为0. 1～0. 5g/cm³。

    雨凇覆冰是最严重的一种覆冰形式，对电网危害最大。雨凇形成的最适宜气象条件为：气温-5～0℃，相对湿度大于90%，风速1～8m/s。如果不具备以上条件，雪直接落在导线等一次设备上不会冻结形成雨凇，而只会形成湿雪，对电网不会形成危害，如严寒的东北、西北和华北等地区，尽管雪很大，但按同样标准进行建设的输电线路，几乎没有出现过导线等大量一次设备覆冰事故，受冰害程度比南方区域电网要轻得多。

    2．设计时引用标准偏低

    此次冰雪灾害暴露出部分地区在电网线路设计时，引用的设计标准偏低，难以满足极端冰雪灾害的要求。关于线路气象条件重现期的设计标准，我国南方地区2008年遭遇的冰雪灾害为50年一遇，部分地区为百年一遇，而覆冰厚度甚至超过了百年一遇的设计标准，导致导线断线和杆塔倒塌，引发输电线路大范围停电事故。根据导线上覆冰后的重力计算，50mm厚冰产生的张力是10mm厚冰的4.84倍，80mm厚冰产生的张力是10mm厚冰的9.54倍，100mm厚冰产生的张力是10mm厚冰的14. 87倍。

    根据南方地区多年的气象条件，设计时耐张塔所能承受的冰厚一般设为10mm，500kV输电线多采用400/35的导线。1m长的400/35导线自重为15. 11kN，导线上履冰10mm厚增加的重力为9.2kN。

    此次雪灾冰害事故中，我国南方很多省份如贵州、湖南等地导线上凝冰经常达到50～100mm，最大达到110mm，覆冰厚度普遍为设计标准的4～5倍，即耐张塔承受的张力普遍比平时约高出10倍，远远超过了我国现行的电网设计标准，因此出现了众多电力杆塔难以承受重负而倒塌的现象。

    我国南方地区在本次冰雪灾害中杆塔倒塌如此之多（影响20个省、自治区、直辖市）、规模之大、影响之广、修复之困难，值得认真反思和总结。从这次冰雪灾害中可以看出我国南方地区引用的杆塔设计标准偏低。尤其是对于一些核心输电设备、战略性基础设施，特别是500kV主干电网，由于其电压等级高，传送距离远，经常跨越高海拔地区的山顶，并且可能影响到全省及重要城市的供电问题，应尽快修订相关电力行业标准和国家标准，适当增加以安全性为主的基础设施的投资，以便在自然灾害或突发事件中，提高这部分主干电网的供电可靠性。

    3．防覆冰、融冰和除冰技术欠缺

    这次冰雪雨凇灾害其实并不是南方地区第一次发生此类事故，只是程度上比今年的冰雪灾害轻一些，2005年2月我国华中地区的雨凇天气就曾使电线路大范围覆冰，导致导、地线断线，杆塔多处倒塌，华中电网220kV以上线路中电塔倒塌41处，绝缘子串覆冰严重，造成频繁冰闪，华中电网220kV以上电网共发生故障跳闸80次。近年来，这种灾害性气候出现的频率呈现上升趋势且严重程度每年都在加剧。由于对如何防覆冰以及融冰和除冰技术不够重视，总结经验不够且未加大对如何防覆冰以及融冰措施等的研究力度，因而导致在此次大规模的冰冻灾害中没有切实可行与有效的应对方法和措施，现场融冰、除冰都非常困难。

    4．输电走廊的地段选取问题

    此次冰灾中一些特殊区域存在其特殊的问题。例如，为了支持地方经济发展、节约用地，南方大部分地区输电走廊大多被迫绕开平原而从崇山峻岭间通过，自然环境恶劣，大风、覆冰、地震等自然灾害对线路、杆塔的影响愈加严重。这次冰灾中海拔400～1000m的山区线路覆冰厚度最大达110mm，大大高于平原地区30～50mm覆冰，因而在崇山峻岭间的线路倒塔情况更加严重，同时，由于山区线路的道路状况不佳，抢修条件恶劣，也给线路和杆塔的修复带来许多意想不到的困难。

    另外，在湖南、广东、贵州某些铁路、公路交通枢纽通道上，因线路跨越交通要道，断线、倒塔后易搭在交叉跨越物上，导致了灾害的延伸。这些特殊地区应进行特殊考虑，如分区进行线路、杆塔的设计、选型，输电通道上尽量避免经过自然条件极其恶劣的地段，避免横跨交通要道，或制订相应的措施减轻在线路剪后搭在交通要道上或使杆塔两端受力不均的情况。

    5．线路跨距过长问题

    在考虑覆冰时存在设计标准偏低问题的同时，在线路跨距设计上还存在线路跨距过大的问题。我国北方地区电网因考虑到冰雪等自然灾害的情况，故设计的线路跨距普遍比南方地区电网线路的跨距小，大约在500m之内，而南方地区设计在500～700m，甚至1000m，这样在冰雪灾害中线路两端的杆塔更易超载，致使杆塔倒塌。

    三、改进措施

    1．适当调整设计标准

    我国南方地区虽然不经常下雪，但一旦出现大雪，特别像贵州地区、广西北部、湖南南部、广东北部等由于海拔高、湿度大，雨凇和雾凇极容易形成，应重点加强这些地区的耐张塔和直线塔的承载能力极限状态的设计，适当提高设计标准，特别是加强500kV主干电网的耐张塔承载设计，在经济性与抗灾安全性方面，选取一个合适的平衡点以提高输电线路的抗灾能力。另外，设计时还应注意线路跨距的选取问题，在重冰区应避免跨距选取过大而导致覆冰后受力过大而倒塔的事故。

    同时，在设计时也应充分考虑各个地区的实际情况，调整该地区的设计标准。例如，在建的±800kV云广直流特高压线路全线分为0mm、10mm、15mm、20mm和30mm 5个冰区，就是一个很好的办法，因区调整设计标准，适当加大重冰区的设计强度，是提高线路抗灾防冰能力的重要措施之一。

    2．研究和推广先进可靠的科技抗冰减灾新技术

    采用先进可靠的防覆冰、融冰和除冰新技术以提高防御能力。研究防覆冰涂料及各电压等级输电线路的融冰技术；研究包括导线覆冰状态的温度、湿度、覆冰厚度、积污、导线风偏等参数的综合在线监测及报警系统；采取“避、抗、融、改、防”的综合治理方案，综合防治覆冰对输电线路的影响和破坏。

    3．更新设备材质和选型

    电网规划设计阶段要进行广泛的调查研究，摸清电网经过区域历史上出现过的覆冰灾害状况，采用合理的抗御覆冰灾害的标准，确定覆冰的等级及输电线路的强度、铁塔和绝缘子的材质和型号等。

    在同一地区还可以尽量根据当地气候条件和具体情况量体裁衣，避免使用同一类型的设备，尽量多选用几种不同类型的材料、设备，特别在海拔高、湿度大、容易遭受冰雪、冻雨、台风、海盐、泥石流、龙卷风等地点的设备选用强度更高、质量更好的不同类型设备，可以对防灾减灾起到一定的帮助作用。

    4．选取更合适的输电走廊

    如上所述，一些新建线路走廊大多都被迫绕开平原而从崇山峻岭间通过，线路高差较大，自然环境恶劣，导致自然灾害对线路的影响愈加严重，某些走廊跨越交通要道，可能对交通要道造成潜在的威胁。因此，输电走廊是否能尽量避开高山高寒地区，避免横跨交通枢纽地段等，都是值得考虑的措施。