提高变电站抵御冰雪凝冻灾害措施分析

中南电力设计院

目    次

0  前  言

1月中旬以来南方地区出现历史上罕见的冰雪凝冻灾害，给电力设施造成了前所未有的严重破坏，给电力供应造成了严重影响。据了解，此次灾害天气超过50年一遇，线路覆冰远远超出了国家标准规定的设防范围，实测覆冰厚度普遍为设计标准的4～5倍，最大为11倍，导致大量线路倒杆倒塔和导地线断落、变电站停运。

据统计，南方电网线路杆塔累计倾倒损坏271236基(其中10千伏及以上126247基，110千伏及以上2686基)、断线224731处；7541条10千伏及以上线路、859座变电站因受损或断电停运；99个县、2万户、约2618万人受到灾害造成的停电影响。

1  形成冰雪灾害的气候特征

雨凇天气对电力设施的危害最大，在普通的大雪天气，架构最多承受2～3倍导线重量，但是如果是雨凇天气，导线结冰后可能达到10～20倍的电线重量，而引起杆塔倾倒和导线断裂。

雨凇通常发生在冻雨或者雨夹雪天气，持续时间一般较长。雨凇与地表水的结冰有明显不同，雨凇边降边冻，质地坚硬，粘附力极强，能立即粘附在裸露物的外表而不流失，形成越来越厚的坚实冰层，从而使物体负重加大。2008年1月在我国电网受灾最严重的贵州、湖南等地多为雨凇天气结冰造成。

2  变电站导体覆冰后机械性能分析

2.1  软导线覆冰分析

在500kV及220kV变电站，站内软导线对构架的拉力控制工况主要为最大覆冰工况，当覆冰超出设计值时，将会增加站内构架的荷载，严重的会引起站内构架的倒塌。站内导线断裂及构架倒塌必然会危及到站内下层设备的安全，因此站内构架倒塌的危害面远大于线路倒塌。建议对变电站提高设防标准，即在对此次冰灾调查分析的基础上，科学合理确定变电站的覆冰设防标准；站内构架张力考虑一定的裕度。

根据本次雪灾的实际情况，在相同的天气条件下，导线表面的覆冰厚度与导线的外径成反比，即相同天气条件下细导线表面的覆冰厚度大于粗导线。如站内的直击雷保护采用避雷线方案，避雷线一般采用LGJ—95/55导线，截面比较小，则可能引起避雷线因覆冰过重断裂而引发的避雷线下设备及进出线短路故障。因此，对重冰区变电站的直击雷保护推荐采用避雷针方案。

2.2  管形导体覆冰分析

根据设计规程的规定，对于管形导体，一般需校验其在无冰无风时管母自重产生的跨中挠度，未规定校验其在覆冰状态下的挠度。

对于单跨管母，均布荷载产生的挠度计算公式为[1]：

        [1]

其中：q为均布荷载单位长度重量；

          l为管母跨度； 

          E为管母弹性模量；

          J为管母截面惯性矩。

当管母覆冰时，其挠度随均布荷载增大而增大。对于220kV屋外配电装置，采用悬吊管母方案时，当管母(Φ250/230mm)覆冰厚度达到30mm，管母线的挠度达到约350mm，较无冰工况下的挠度大约200mm，超出了220kV母线隔离开关静触头的允许位移变化范围。将导致隔离开关无法正常操作。因此，对重冰区的屋外配电装置，建议增加覆冰工况下的管母挠度

校核。

3  设备覆冰后的机械性能分析

对于变电站主设备，如变压器、断路器、隔离开关、CVT、避雷器等覆冰严重的部位在设备顶部，如果覆冰厚度超出设计范围，尤其是对高压设备，其顶部的均压环直径大，将大幅增加设备顶部荷载，影响设备安全。

对于隔离开关及接地开关等具有传动结构的设备，覆冰严重后，将影响其机械操动性能，导致不能正常进行分、合闸操作。

针对上述问题，在出现雨凇的天气时，应加强对变电站站内设备的巡视，及时对覆冰严重的设备和导线采取除冰措施。

4  设备覆冰后的电气性能分析

4.1  设备发生冰闪的原因分析

早在1970年，Renner，Hill和Ratz等人根据试验结果得出：覆冰对直流绝缘强度有明显影响，“干冰”表面比湿表面有更好的耐受性能，即“融冰期”比“覆冰期”更容易发生闪络[2]。因此大部分冰闪均发生在“融冰期”。

1)  “融冰期”闪络

在绝缘子表面积污严重的情况下，雨凇时大气中的污秽伴随冻雨沉积在绝缘子表面形成覆冰并逐渐加重在设备外绝缘伞裙间形成冰桥，一旦天气转暖则在冰桥表面形成高电导率的融冰水膜，另外融冰过程中局部出现的空气间隙使设备外绝缘表面电压分布极不均匀，导致局部首先起弧并沿冰桥发展成贯穿性闪络。

导致冰闪的另一个原因是，覆冰过厚减小爬距使冰闪电压降低，绝缘子覆冰过厚且在其表面完全形成冰柱时，绝缘子串爬距大大减少，融冰时冰柱表面沿绝缘子形成贯通型水膜，耐压水平降低导致沿冰柱贯通性

闪络。

上述原因与悬式绝缘子发生冰闪的机理相同。

2)  “覆冰期”闪络

设备外绝缘表面结冰厚度均匀时，其表面电位分布也比较均匀，一般不会发生冰闪，但在雨凇伴有大风的工况下，瓷瓶表面的结冰厚度不均匀，瓷瓶迎风面结冰侧纵向电位分布按伞裙间冰柱的电阻串联接近均匀分布，瓷瓶背风面未结冰侧纵向电位分布按伞裙间的表面电阻及伞裙下表面局部干区串联形成不均匀分布，因此在瓷瓶结冰侧和大量结冰侧产生径向电位差，形成放电。

2005年2月，湖北500kV玉贤变就因为瓷瓶表面覆冰厚度不均匀，而引起500kV电流互感器及500kV隔离开关柱瓷瓶先后发生闪络，引起线路跳闸。事故发生后现场检查发现电流互感器背风侧瓷套表面至上而下伞裙脱落，瓷套底部开裂；隔离开关的支柱瓷瓶未接冰柱侧瓷瓶大面积釉面烧损[3]。

4.2  提高设备抗冰闪措施

1)  采用复合绝缘外套，复合绝缘子具有有憎水性，其表面不宜形成连续的通道；同时复合材料的导热性能差，下雪、下雾时不易在绝缘子表面形成覆冰。

目前上海MWB互感器有限公司等厂家生产复合外套的电流互感器等

设备。

2)  增加设备的干弧距离，当设备绝缘表面完全形成冰柱时，干弧距离增加可以减少设备外绝缘表面单位长度承受的电压，以提高其抗冰闪的能力。

3)  目前变电站没有使用复合悬式绝缘子的运行经验，对于重冰区的变电站，由于导线的张力大需选用大吨位绝缘子，三伞型绝缘子比双伞型绝缘子多一个伞，伞盘间距小，冰桥更容易形成，因此建议重冰区变电站宜优先选用双伞形绝缘子。

5  结  论

综合前述分析，为减少冰雪凝冻天气对变电站的损害，应在对此次冰灾调查分析的基础上，科学合理确定变电站的覆冰设防标准，同时建议采取以下措施提高变电站的抗冰雪能力。

1)  对于重冰区变电站，宜根据隔离开关静触头的位移要求，校核管母在覆冰工况下的挠度，选择合理的配电装置型式。隔离开关的破冰厚度，应大于安装场所的最大覆冰厚度。

2)  对于重冰区变电站，防雷保护应避免采用避雷线。

3)  悬式绝缘子选型，由于三伞型绝缘子比双伞型绝缘子多一个伞，伞盘间距小，冰桥更容易形成，因此建议重冰区变电站宜优先选用双伞形绝缘子。

4)  对于如复合外套电流互感器等已有运行经验的设备，可考虑采用复合绝缘外套。

5)  在出现雨凇的气候情况下，应加强对变电站站内设备的巡视，及时对覆冰严重的设备和导线采取除冰措施。在雨凇的气候情况下，应根据情况调整运行方式，为保证设备的安全，可以减少带电设备的运行。下载本文