[六防手册]架空输电线路覆冰类型、冰害类型及影响因素

1. 覆冰类型及影响因素

冷暖气流相遇时，如下图冷暖气流相遇示意图所示，容易形成逆温层。逆温层的作用原理如图逆温层原理图所示，当近地面的温度低于0度，中空的温度高于0度，云层中的冰晶在下落至中空时，转换成液态水，降至近地面时，由于时间较短，加上与空气摩擦产生的热量，使得液态水变为过冷却水，过冷却水来不及冻结成雪或冰，当过冷却水落到导线上时，导线的温度低于零度，过冷却水在导线上热量迅速丧失，凝结成固态的冰，并不断累积，造成线路覆冰。

图 冷暖气流相遇示意图

图 逆温层原理图

因此，“具有充足的暖湿空气和弱降水的稳定天气形势、上空存在逆温层、地面处在-5至-1℃”是导致发生线路覆冰的主要原因。

根据覆冰表观特性不同，线路覆冰可分为雨凇、雾凇、混合凇和湿雪等4种，如下表和下图覆冰类型所示，前3种对线路安全运行危害很大。

表 导线覆冰分类

雨凇覆冰类型

雾凇覆冰类型

混合凇覆冰类型

湿雪覆冰类型

1.1雨凇

1.1.1 特征

雨凇也称凝冻，俗称地油子，晶莹剔透，呈透明状，比其他形式的冰粒坚硬、透明而且密度大（0.85克/立方厘米）。雨凇的结构清晰可辨，表面一般光滑，其横截面呈楔状或椭圆状，它可以发生在水平面上，也可发生在垂直面上，与风向有很大关系，多形成于树木的迎风面上，尖端朝风的来向。根据它们的形态分为梳状雨凇、椭圆状雨凇、匣状雨凇和波状雨凇等。

1.1.2 形成机理与条件

雨凇和雾凇的形成机制差不多，通常出现在阴天，多为冷雨产生，持续时间一般较长，日变化不很明显，昼夜均可产生。雨凇是在特定的天气背景下产生的降水现象。形成雨凇时的典型天气是微寒（0-3℃）且有雨，风力强、雾滴大，多在冷空气与暖空气交锋，而且暖空气势力较强的情况下才会发生。在此期间，江淮流域上空的西北气流和西南气流都很强，地面有冷空气侵入，这时靠近地面一层的空气温度较低（稍低于摄氏零度），1500至3000米上空又有温度高于零摄氏度的暖气流北上，形成一个暖空气层或云层，再往上3000米以上则是高空大气，温度低于摄氏零度，云层温度往往在－10℃以下，即2000米左右高空，大气温度一般为0℃左右，而2000米以下温度又低于0℃。也就是近地面存在一个逆温层。大气垂直结构呈上下冷、中间暖的状态，自上而下分别为冰晶层、暖层和冷层。

从冰晶层掉下来的雪花通过暖层时融化成雨滴，接着当它进入靠近地面的冷气层时,雨滴便迅速冷却，成为过冷却雨滴(大气中有这样的物理特性：气温在零下几十度(℃)时，仍呈液态，被称为“过冷却”水滴，如过冷却雨滴、过冷却雾滴)。形成雨凇的雾滴、水滴均较大，而且凝结的速度也快。由于这些雨滴的直径很小，温度虽然降到摄氏零度以下，但还来不及冻结便掉了下来。

当这些过冷雨滴降至温度低于0℃的地面及树枝、电线等物体上时，便集聚起来布满物体表面，并立即冻结。冻结成毛玻璃状透明或半透明的冰层，使树枝或电线变成粗粗的冰棍，一般外表光滑或略有隆突。有时还边滴淌、边冻结，结成一条条长长的冰柱。就变成了我们所说的"雨凇"。如果雨凇是由非过冷却雨滴降到冷却得很厉害的地面或物体上及雨夹雪凝附和冻结而形成的时候，即由外表非晶体形成的冰层和晶体状结冰共同混合组成，一般这种雨凇很薄而且存在的时间不长。

一般情况下，雨凇导致线路覆冰的气象条件主要有：空气相对湿度在85%以上、风速大于lm/s、气温及导线表面温度为-2℃至0℃。

1.1.3时空分布

雨凇以山地和湖区多见。中国大部分地区雨凇都在12月至次年3月出现。中国年平均雨凇日数分布特点是南方多、北方少（但华南地区因冬暖，极少有接近零度的低温，因此既无冰雹也无雨凇）；潮湿地区多而干旱地区少（尤以高山地区雨凇日数最多）。中国年平均雨凇日数在20～30天以上的台站，差不多都是高山站。而平原地区绝大多数台站的年平均雨凇日数都在5天以下。

雨凇大多出现在1月上旬至2月上、中旬的一个多月内，起始日期具有北方早，南方迟，山区早、平原迟的特点，结束日则相反。地势较高的山区，雨凇开始早，结束晚，雨凇期略长。如皖南的黄山光明顶，雨凇一般在11月上旬初开始，次年4月上旬结束，长达5个月之久。据统计，江淮流域的雨凇天气，沿淮的淮北地区2～3年一遇，淮河以南7～8年一遇。但在山区，山谷和山顶差异较大，山区的部分谷地几乎没有雨凇，而山势较高处几乎年年都有雨凇发生。

在60年代里，广州没有出现过雨凇，上海、北京、哈尔滨平均每年仅分别出现0.1、0.7和0.5天。中国雨凇日数最多的台站是峨眉山气象站，平均每年出现141.3天（最多年份167天），其次是金佛山70.2天（最多年份93天），第三位是湖北巴东的绿葱坡61.5天（最多年份90天）等，都出现在南方高山地区。北方的雨凇既不多也不严重，干旱地区尤少。北方雨凇日数最多的地方就是甘肃省通谓的华家岭、华山和长白山天池，它们平均每年分别出现29.6、19.8和18.5天，也都是高山台站。

雨凇最多的季节，冬季严寒的北方地区以较温暖的春秋季节为多，如长白山天池气象站雨凇最多月份是5月，平均出现5.7天，其次是9月，平均雨凇日3.5天，冬季12月至3月因气温太低没有出现过雨凇。而南方则以较冷的冬季为多，如峨眉山气象站12月雨凇日数平均多达26.4天，1月份也达24.6天，甚至有的年份12月、1月和3月都曾出现过天天有雨凇的情况。

雨凇的危害程度与雨凇持续时间也有关系。上海市1957年1月15～16日曾出现一次雨凇，持续了30小时09分钟；北京最长连续雨凇时数是30小时42分钟，发生在1957年3月1～2日；哈尔滨最长持续28小时29分钟，发生在1956年10月18～19日。中国雨凇连续时数最长的地方也发生在峨眉山，从1969年11月15日一直持续到1970年3月28日，即持续3198小时54分钟之多。其次是衡山南岳1370小时57分钟（1976年12月24日～1977年2月19日），第三是湖南的雪峰山1192小时09分（1976年12月25日～1977年2月12日）。

雨凇积冰的直径一般为40—70毫米，也有的几百毫米，中国雨凇积冰最大直径出现在衡山南岳，达1200毫米，其次是巴东绿葱坡711毫米，再次为湖南雪峰山的648毫米。

气象站观测雨凇积冰直径用的方法是：由于雨凇在结冰的过程中，导线变得越来越粗，但当雨凇积累到一定直径时，“雨凇冰棍”必然逐渐碎裂，这时气象观测人员就干脆全部清除残冰，让雨凇重新在导线上冻结。在高山上，也许要连续清除几次以至十几次，雨凇过程才告停止。按气象部门规定，各次碎裂时最大直径之和就是全部雨凇过程的最大积冰直径。

1962年11月24日发生在衡山南岳的一次雨凇积冰，每米导线上积了16872克，即16.872公斤的重量，是中国全部记录中的冠军。其他重量较大的纪录有：湖南雪峰山15616克，黄山12148克，庐山5468克和金佛山5440克等。河南省商丘县1966年3月5～9日的一场雨凇，最大直径160厘米，最大积冰直径1400克/米，则是60年代平原气象站中的罕见记录

下图为我国历史雨凇平均分布图统计图，可以发现：北起黑龙江，南至广东，西起新疆，东至山东、浙江都有不同程度的雨凇现象。中纬度地区的四川、重庆、贵州、云南、湖南、湖北、江西等地区的雨凇尤为突出。

1.2雾凇

1.2.1 特征

雾凇俗称树挂，是在严寒季节里，空气中过于饱和的水气遇冷凝华而成，是非常难得的自然奇观。

雾凇非冰非雪，而是由于雾中无数零摄氏度以下而尚未凝华的水蒸气随风在树枝等物体上不断积聚冻粘的结果，表现为白色不透明的粒状结构沉积物。雾凇形成需要气温很低，而且水汽又很充分，同时能具备这两个形成雾凇的极重要而又相互矛盾的自然条件更是难得。

“雾凇”一词最早出现于南北朝时代宋·吕忱（公元420年—479）所编的《字林》里，其解释为：“寒气结冰如珠见日光乃消，齐鲁谓之雾凇。”这是最早见于文献记载的“雾凇”一词。

1.2.2 形成机理与条件

雾凇是一种附着于地面物体（如树枝、电线）迎风面上的白色或乳白色不透明冰层。它也是由过冷水滴凝结而成。过冷水滴（温度低于零度）碰撞到同样低于冻结温度的物体时，便会形成雾凇。当空气中的水蒸气碰上物体马上凝华成固态时便会结成雾凇层或雾凇沉积物。

雾凇层由小冰粒构成，在它们之间有气孔，这样便造成典型的白色外表和粒状结构。由于各个过冷水滴的迅速冻结，相邻冰粒之间的内聚力较差，易于从附着物上脱落。被过冷却云环绕的山顶上最容易形成雾凇。

雾凇形状主要有两种。一种是过冷却雾滴碰到冷的地面物体后迅速冻结成粒状的小冰块，叫粒状雾凇，它的结构较为紧密。另一种是由雾滴蒸发时产生的水汽凝华而形成的晶状雾凇，结构较松散，稍有震动就会脱落。因此雾凇的密度小，重量轻，对于电线、树木的破坏性要比雨凇小得多。但当电线上的雾凇严重时会折断电线，造成停电事故。

一般情况下，雾凇导致线路覆冰的气象条件主要有：空气相对湿度在85%以上、风速大于lm/s、气温及导线表面温度为-13℃至-8℃。

1.2.3 时空分布

我国是世界上有雾凇纪录最早的国家，在《中国三千年气象记录总集》中就可以查到，发生在公元前575年春秋鲁成公十六年的“正月，雨木冰”的雨凇纪录，以及发生在公元前33年汉元帝竟宁元年“大雾，树皆白”的雾凇记录。在我国，从东北长白山区到西南的峨眉山，从新疆的天山到山东泰山，以至山西五台山、江西庐山和安徽黄山，冬季到处都能见到雾凇的踪迹。其分布特点为高山多于平原、北方多于南方、湿润地区多于干旱半干旱地区。吉林省长白山天池气象站一带，是我国雾凇出现最多的地方，年平均雾凇出现天数为179天，从秋季10月到来年3月，每月出现雾凇都在20天以上；峨眉山年平均142天，五台山111天。

1.3混合凇

当温度在冰点以下，风比较猛时，则形成混合凇。在混合凇覆冰条件下，水滴冻结比较弱，积冰有时透明，有时不透明，冰灾导线上的粘合力很强。混合凇的密度较高，约为0.6-0.9 g/cm³。导线长期暴露于湿气之中，便形成混合凇。混合凇使一个复合覆冰过程，首先是雨凇，然后雾凇，是一种交替冰的形式，生长速度快，对导线危害特别严重。

混合凇是由导线捕获空气中过冷却水滴并冻结而发展起来的一种覆冰形式，以硬冰块的形式出现，透明或不透明。其结构为层状或板块形式，透明和不透明层交替出现。混合凇内部常捕获有孤立的微小气泡，结构是密实的，不像雾凇以颗粒结构形式出现；混合凇粘结力相当强；当温度较低、风速较强时，混合凇迅速增长。

图 混合凇生长情况

1.4湿雪

空气中的干雪或冰晶很难粘结到导线表面。只有当空气中的雪为“湿雪”时，导线才会出现积雪现象。湿雪是指冻结的雪片，在降落过程中，通过一段温暖层后，雪片趋于潮湿、融化，然后冻结在物体上，冰体呈白色堆积状，比重和附着力均偏小。湿雪一般出现在山区，有时雪片中混杂有过冷却水滴，水滴粘附在雪花上，这种情况雪片容易粘附到所碰撞的物体上，这种现象称为覆冰，而不是积雪。导线积雪使指当温度在0℃左右、风速很小时，“湿雪”粒子与“水体”一起通过“毛细管”的作用相互粘结冰粘附到导线表面的现象。当有强风时，雪片易被风吹落，导线覆冰不可能发生，故导线覆雪受风速制约。实际上，当风速大于3m/s时，导线覆雪不可能发生，此外，平原地区或低地无风地区导线覆冰现象较山区常见。

从另一个角度讲，雾凇和混合凇是由雾中或云中过冷却小水滴引起的，统称为云中覆冰；雨凇及湿雪是由冻雨和降雪造成的，总称为降水覆冰。

1.5导线覆冰影响因素

导线覆冰的区别主要体现在厚度、密度及单位长度覆冰量等的差别上。影响导地线覆冰的因素很多，主要有气象条件、地形及地理条件、海拔高程、凝结高度、导线悬挂高度、导线直径、风速风向、负荷电流等。

1.5.1 气象条件

当过冷却在0℃及其以下的云中或雾中水滴于输电线路导线表面碰撞并冻结时，覆冰现象产生。在冬季当温度低于0℃时，大气中的小水滴将发生过冷却；在高空甚至在夏季水滴也会发生过冷却。处于过冷却水滴包围的输电线路导线与气流过冷却水滴发生碰撞，冰冻结在导线表面形成覆冰。导线表面发生覆冰现象必须满足三个条件，即：

（1）大气中必须有足够的过冷却水滴；

（2）过冷却水滴被导线捕获；

（3）过冷却水滴立即冻结或在离开导线表面前冻结。

1.5.2 导线覆冰的成因

导线覆冰是由气象条件决定的，是受温度、湿度、冷暖空气对流、环流以及风等因素决定的综合物理现象；在我国，导线覆冰主要发生在西南、西北及华中地区。西南及华中地区平均气温几乎都高于0℃，但受西伯利亚寒流和太平洋暖湿气候的影响，几乎每年冬季都出现短期的雾凇及雨凇覆冰气象条件，平均雾凇雨凇日数在3-15天，短期的雾凇雨凇覆冰给电力系统造成了巨大损失。

（1）导线覆冰的物理过程

导地线覆冰的基本物理过程是：严冬或初春季节，当气温下降至-5-0℃，风速为3-15m/s如遇大雾或毛毛雨，首先在导地线上形成雨凇；如气温升高，例如天气转晴，雨凇则开始融化；如天气继续转晴，则覆冰过程终止；如天气骤然变冷，气温下降，出现雨雪天气，冻雨和雪则在粘结强度很高的雨凇冰面上迅速增长，形成密度大于0.6 g/cm³的较厚的冰层；这种过程将导致导地线表面形成雨凇—混合凇—雾凇的复合冰层。如在这种过程中，天气变化，出现多次晴-冷天气，则融化加强了冰的密度，如此往复发展将形成雾凇和雨凇交替重叠的混合冻结物，即混合凇。

导线覆冰首先在迎风面上生长，如风向不发生急剧变化，迎风面面上覆冰厚度就会继续增加。当迎风面覆冰达到一定厚度，其重量足以使导线扭转时，导线发生扭转现象；导线再扭转时，覆冰就会继续成长变大，终于在导线上形成圆形或椭圆形的覆冰。通常较细导线的覆冰呈圆形，而较粗导线的覆冰则多呈椭圆形。

（2）导线覆冰的必要气象条件

导线覆冰的必要条件是：a、具有足可冻结的气温，即0℃以下；b、具有较高的湿度，即空气相对湿度一般在85%以上；c、具有可使空气中水滴运动之风速，即大于1m/s的风速。

1.5.3 地形及地理条件的影响

（1）山脉走向与坡向对导线覆冰的影响。东西走向山脉的迎风坡在冬季覆冰较背风坡严重。东西走向的北坡，冬季受寒冷气流袭击，气候寒冷，输电线路覆冰较为严重；

（2）分水岭、风口处线路覆冰较其它地形严重。

（3）江湖水体对线路覆冰影响也很明显。水汽充足时，线路覆冰严重；附近无水源时，线路覆冰较轻。

1.5.4 线路走向及悬挂高度对覆冰的影响

（1）线路覆冰与线路走向有关，东西走向的导线覆冰普遍较南北走向的导线覆冰严重。冬季覆冰天气大多为背风或西北风，线路为南北走向时，风向与导线轴线基本平行，单位时间与单位面积内输送到导地线上的水滴及雾粒较东西走向的导地线少的多。导线为东西走向时，风于导地线约成90°的夹角，从而使导线覆冰最为严重。导线覆冰与风向成正弦关系。东西走向的导地线不仅覆冰严重，而且在覆冰后，由于不均匀覆冰的影响，覆冰又可能会诱发舞动事件。

（2）导地线悬挂高度对覆冰的影响

导线悬挂高度越高，覆冰越严重，因为空气中液态水含量随高度的增加而升高。风速越大、液态水含量越高，单位时间内向导线输送的水滴就越多，覆冰也越严重。因此，覆冰随导地线悬挂高度的升高而增加。

1.5.5 导线直径与覆冰厚度和冰重的关系

在常见的小于或等于8m/s的风速下，对于直径小于或等于4cm的导地线，相对较粗的导线的单位长度覆冰量比相对较细的导线重，对于直径大于4cm的较大导线，单位长度导线覆冰重量比较细的导线轻；在大于8m/s的较大风速时，对于任何直径的导线，导线越粗覆冰越重，但覆冰厚度是随导线直径的增加而减小的。

2. 冰害类型及机理

2.1过荷载

过荷载是指导线覆冰会增加所有支持结构和金具的垂直荷载；输电线路水平荷载也会随着导线迎风面覆冰厚度的增加而增加。严重覆冰会造成导线、地线断裂，杆塔倒塌，金具损坏。

当覆冰积累到一定体积和重量之后，输电导线的重量倍增，弧垂增大，导线对地间距减小，从而有可能发生闪络事故。弧垂增大的同时，在风的作用下，两根导线或导线与地之间可能相碰，会造成短路跳闸，烧伤甚至烧断导线的事故。如果覆冰的重量进一步增大，则可能超过导线、金具、绝缘子及杆塔的机械强度，使导线从压接管内抽出，或外层铝股全断、钢芯抽出；当导线覆冰超过杆塔的额定荷载一定限度时，可能导致杆塔基础下沉、倾斜或爆裂，杆塔折断甚至倒塌。

2.2冰闪

冰闪是污闪的一种特殊形式，绝缘子在严重覆冰的情况下，伞裙被冰凌桥接，绝缘强度降低，泄漏距离缩短。由于晶释效应的作用，在融冰过程中，冰层表面水膜具有较高的电导率，增大了泄漏电流；同时，冰凌间隙引起绝缘子串电压分布及单片绝缘子表面电压分布的畸变，降低了覆冰绝缘子串的闪络电压。闪络过程中持续电弧烧伤绝缘子，引起绝缘子绝缘强度下降。

2.3覆冰舞动

舞动是不均匀覆冰导线在风的作用下产生的一种低频率(约0.1～3Hz)、大振幅(可达10m以上)的自激振动，在振动表现形态上表现为在一个档距内只有一个或少数几个半波。舞动产生的危害是多方面的，轻者会发生闪络、跳闸，重者发生金具及绝缘子损坏，导线断股、断线，杆塔螺栓松动、脱落，甚至倒塔，导致重大电网事故。

形成舞动的因素非常复杂，通常认为，形成舞动主要取决于三方面的因素，即导线覆冰，风激励，线路结构与参数三个因素。

（1）覆冰

导线未覆冰而发生舞动的情况较为罕见，通常情况下舞动均是在导线覆冰情况下发生的，经典舞动理论认为导线覆冰是输电线路发生舞动的必要条件之一。覆冰多发生在风作用下的雨凇、霜淞及湿雪堆积于导线的气候条件下。雨凇地带的导线易发生舞动,不同的覆冰形式对于舞动有不同的影响。

（2）风的激励

风激励是导线舞动的直接原因，一段线路舞动的大小与状态，主要决定于风向对导线轴线的夹角。当夹角为90°时，对舞动的影响最大，反之，当夹角为零，即风向平行于导线轴线时，引起舞动的可能性最小；另一方面，导线舞动多产生于平原开阔地带；同时不同的风速会决定不同的覆冰形式，进而影响空气动力状态。而且风的方向与线路走向的夹角不同也会产生不同的运动状态。根据目前的统计资料，在我国范围内，发生舞动的风速集中在5m/s～10m/s之间，约占所有舞动情况中的50%，而在30m/s以上的风速下几乎没有舞动记录。

（3）线路参数

线路参数是舞动发生的内在因素。大截面、多分裂导线扭转刚度大，容易产生偏心覆冰，因此大截面导线比常规截面的导线容易产生舞动；分裂导线比单导线容易产生舞动。导线表面越粗糙，越易结冰，导线覆冰就越严重，发生舞动的可能性就越大。导线张力越大，弧垂就越小，发生舞动和相间碰线的可能性就越小，但张力过大，可能会导致导线微风振动增强。档距越大，导线吸收的能量就越大，舞动的幅度就越大，应在易舞区尽量减小档距。

2.4脱冰跳跃

覆冰导线在气温升高，或自然风力作用，或人为振动敲击之下会产生不均匀脱冰或不同期脱冰。随着导线覆冰厚度增加，导线拉力明显增大，导线弧垂明显增加，当大段或整档脱冰时，由于导线弹性储能迅速转变为导线的动能和位能，引起导线向上跳跃，减小导线对地线的距离，引起导线对地线放电，造成线路跳闸。

3. 防冰害重要性与意义

随着全球气候的变化，极端天气频发，架空输电线路覆冰造成的危害越来越严重，常会引起过荷载、冰闪、舞动、脱冰跳跃等现象，导致线路跳闸、断线、倒塔和通信中断等事故，覆冰已成为威胁电网安全运行的重要因素。

冰灾给世界各国电网造成巨大损失，俄罗斯、加拿大、美国、日本、英国、芬兰、冰岛和我国都曾因输电线路覆冰引发安全事故，给电网带来巨大的经济损失。我国是世界上输电线路覆冰灾害最严重的国家之一，多年来线路冰灾事故发生的概率居世界前列。最近30年来，大面积冰灾事故在我国各地时有发生，尤其是2008年1月发生的大面积雨雪冰冻天气，给我国电网造成了大范围的破坏，国家电网公司220kV及以上输电线路倒塔1300多基，220kV及以上变电设备损坏100多台套，直接财产损失100多亿元。同时，造成湖南郴州、衡阳等城市大面积停电，京广铁路部分停运，给人民生产生活带来巨大的影响。

冰雪灾害已成为全世界许多国家电网面临的共同问题，开展架空输电线路的防冰害工作，提高电网抵御冰雪灾害的能力，保证电网在冬季覆冰期的安全稳定运行，有着非常重要的意义。

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