【知识】电线覆冰形成原因、覆冰事故类型及覆冰防治概述

覆冰是一种分布广泛的自然现象，尤其雾凇是一种美丽的自然景观。但对于输电线路，严重的覆冰则有可能导致故障，甚至会引发大面积停电等灾难性事故。自20世纪50年代开始，加拿大、美国等覆冰严重的国家相继对输电线路覆冰进行了观测和研究。我国也是世界上覆冰严重的国家之一，长期以来，输电线路工作者一直为解决覆冰问题进行不懈的探索，并获得了许多重要的工作成果。1976年，在全国首次重冰线路设计运行经验交流会议上，提出了“避、抗、熔、改、防”五字方针，成为输电线路抗冰的主要技术原则。随着我国电网规模的快速扩大，近50多年来，大面积冰害事故在全国各地时有发生，尤其2008年1~2月，我国南方电网出现了持续较长时间的大范围雨雪冰冻天气，造成1252条110~500kV线路倒塔7377基、受损3092基，13888条10~35kV线路故障停运，给当地人民群众生活和国民经济发展带来严重影响。

1. 覆冰产生的基本条件

根据气象观测和输电线路运行经验，一般在入冬或初春季节，当气温在-5~0℃之间，风速在1~15m/s时，如遇浓雾、降雨等情况，空气湿度超过85%，将在导线表面产生以雨凇为主的覆冰。如果气温持续降低，则在雨凇外部继续产生混合凇，温度下降至-15~-8℃时，其余气象参数不发生变化，还会继续生长雾凇。电线产生覆冰的必要条件主要有：导线温度低于0℃以下、空气湿度大于85%（即空气中具有可冻结的水分或过冷却水滴、雾滴和水汽等），横线路风速大于1m/s。虽然这些条件相对来讲也较为苛刻，但在冷热气流交汇区域和一些微地形微气象区域，覆冰现象却较为普遍。如：每年的冬季及初春季节，我国西北方南下的干冷气流和东南方北上的暖湿气流在我国东北部、中部相汇，形成一条南起湖南、贵州，北至辽宁、吉林的“覆冰带”。

2. 覆冰的分类

电线覆冰（wire icing cover）就是云中、雾中或空气中的水份在0℃或更低时与输电线路导地线表面碰撞并冻结的现象。按照覆冰对电网形成的危害，覆冰按照表观特性可分为雨凇、雾凇、混合凇、雪凇和霜凇。

2.1 雨凇

性质：纯粹、透明的冰，坚硬，密度0.8~0.9g/cm3或更高，粘附力很强。

形成条件及过程：低海拔地区，由过冷却雨或毛毛细雨降落在低于冻结温度的物体上形成，气温-2~0℃；在山地，由云中来的冰晶或含有大水滴的地面雾在高风速下形成，气温-4~0℃。 形成时的风速较大：5~15m/s。

特点：一般是由空气中过冷却水滴冻结在导线形成，多出现在海拔较低的地区；可形成冰柱，密度一般0.8~0.9g/cm3，结构最紧密，附着力强，对输电线危害最大。

2.2 雾凇

性质：白色,呈粒状雪,质轻,为相对坚固的结晶,密度0.3~0.6g/cm3,粘附力颇弱，通常在物体的迎风面冻结。

形成条件及过程：在中等风速下形成，在山地由云中来的冰晶或含水滴的雾形成， 气温 -13~ -7℃。

特点：雾凇呈密度一般在0.3～0.6g/cm3，但因其在适宜的条件下生长速度很快，因此对输电线路的危害较大 。

2.3 混合凇 （又称硬雾凇）

性质：不透明(奶色)或半透明冰，常由透明和不透明冰层交错形成，密度0.6~0.8g/cm3。

形成条件及过程：在低地，由云中来的冰晶或有雨滴的地面雾形成，气温-5~0℃；在山地,在相当高的风速下，由云中来的冰晶或带有中等大小水滴的地面雾形成，气温 -10~ -3℃。

特点：雨淞和雾淞的连续冻结物，在天气周期性变化时形成；坚硬；粘附力强。对输电线路的危害仅次于雨淞，对输电线路危害极大 。

2.4 雪凇（又称湿雪

性质：在低地为干雪,密度低,粘附力弱，在丘陵为凝结雪和雨夹雪或雾,重量大，密度0.1~0.3cm3。

形成条件及过程：粘附雪经过多次融化和冻结,成为雪和冰的混合物,可以达到相当高的重量和体积。

特点：单纯的积雪对输电线路基本没有危害，但积雪较大，融化时可能会造成绝缘子融冰闪络 。

2.5 霜凇(又称白霜)

性质：白色，雪状，不规则针状结晶，很脆而轻，密度0.05~0.3gcm3，粘附力弱。

形成条件及过程：水汽从空气中直接凝结而成,发生在寒冷而平静的天气,气温低于-10℃。

特点：霜凇在导线上的粘结力十分微弱，即使是轻轻地振动，也可以使霜凇脱离所粘结导线的表面，与其他类型覆冰相比，霜凇基本不对导线构成严重危害。

3.覆冰的主要影响因素

电线覆冰与天气条件、地形因素、线路特性等三者密切相关；电线覆冰类型与空气温度、风速风向、空气中或云中过冷却水滴直径、空气中液态水含量四种因素相关。

3.1 影响电线覆冰的气象条件

3.1.1 环境温度

对覆冰的影响最明显。一般最易覆冰的温度为-1℃和-5℃ ，气温太低，过冷却水滴变成了雪花，形成不了导线覆冰，因此，严寒的北方地区冰害事故反而较南方的云、贵、湘、鄂等南方高湿度、水汽充分的地区轻。

3.1.2 空气湿度

空气湿度的大小对导线覆冰影响甚大。湿度大，一般在85%以上，不仅较易引起导线覆冰，而且还易形成雨凇。南方覆冰最为频繁的湖南、湖北、江西等省，每逢严冬和初春季节，因阴雨连绵，空气湿度很高(90%以上)，故导线极易覆冰，且多为雨凇。云南、贵州等高海拔地区，覆冰多为雾凇或混合凇。

3.1.3 风速风向

由于风起着对云和水滴的输送作用，故对导线覆冰有重要影响。无风和微风时，有利于晶状雾凇的形成；风速较大时则有利于粒状雾凇的形成。几乎所有计算导线覆冰的模型都包含有风速这一主要因素，一般而言，风速越大(0~6m/s范围内)，导线覆冰越快。而风向主要会对覆冰形状产生影响，当风向与导线垂直时，结冰会在迎风面上先生成，产生偏心覆冰，而当风向与导线平行时，则容易产生均匀覆冰。

3.1.4 过冷却水滴大小

水滴直径越大，碰撞物体冻结过程中，其潜热释放缓慢，反之，则冻结迅速。导致形成覆冰的特征有很大差异。雨凇覆冰时，过冷却水滴直径大，约在10~40μm之间，中值体积水滴直径为25μm左右，是毛毛细雨；

雾凇覆冰时，水滴直径在1~20μm之间，中值体积水滴直径为10μm左右;

而对于混合凇，其水滴直径在5~35μm之间，中值体积直径为15~18μm。

3.1.4 凝结高度

所谓“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，是随着不同的地面气温和露点温度而变化的，常用海宁(Hening)公式计算：

H=124(T-Td)

式中：

H -- 凝结高度(m)；

T-- 为地面气温(℃)；

Td-- 为露点温度(℃)。

凝结高度是以地面为起始基准的空气中水滴碰撞物体前可冻结的高度，它的大小对高海拔山区的导线覆冰具有决定性的影响。当山峰高度超过凝结高度时(如云南乌蒙山东侧、滇东云贵交界地区)，此区域必属于重冰区或特重冰区。

3.2 影响电线覆冰的地形及地理环境

覆冰与山脉走向、坡向和分水岭等因素也有明显关系，在山区电线受地形及地理的影响更为严重。在受风条件比较好的突出地形，如山顶、垭口、风道和迎风坡，以及空气水份较充足的江河、湖泊、水库和云雾环绕的山腰、山顶等处都是极易夜冰的地点，而且其覆冰程度也比较严重。我国具有典型的微气象、微地形覆冰特征，常见的微气象覆冰地形主要有垭口型、高山分水岭型、水气增大型、地形抬升型、峡谷风道型。

3.2.1 垭口型

在绵延的山脉所形成的娅口，是气流集中加速之处，当线路处于垭口或横跨垭口时，将导致风速增大或覆冰量增加。江西省井冈山盐山垭口，云南省昭通市庄沟垭口，湖南省拓乡110kV线路羊古岭垭口，贵州省110kV水盘线黑山垭口，四川省大凉山老林口，云南省110kV以东线53号杆施布卡垭口，云南省500kV大昆线石官坡垭口等就是典型实例。

3.2.2 高山分水岭型

线路翻越分水岭，空旷开阔，容易出现强风及严重覆冰情况，尤其在山顶及迎风坡侧，含有过冷却水滴的气团在风力作用下，沿山坡强制上升而绝热膨胀，使得过冷却水滴含量增大，导致导线覆冰增加。陕西省秦岭，云南省金沙江与小江的分水岭，河南省南阳地区伏牛山老界岭，浙江省云和县与松阳县交界的方山岭，广东省韶关地区乳源和东昌两县交界的分水岭，湖南衡山祝融峰等就是典型实例。

3.2.3 水气增大型

输电线路临近较大的江湖水体，使空气中水汽增大，当寒潮人侵，气温下降至0℃以下时，由于空气湿度大，便容易出现严重彼冰现象。江西梅岭(受鄱阳湖影响)，云南昆明太华山(受滇池影响)，湖南省沅江市(受洞庭湖影响)，湖北省巴东县绿葱坡(受长江影响)。四川会东白龙山及云南东川海子头(受金沙江影响)，500kV大昆线哀牢山地段(受老虎山电站水库影响)等就是典型实例。

3.2.4 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，当冬季寒潮人侵时便会出现严重覆冰现象。云南省会泽县大竹山，贵州省220kV鸡江Ⅱ回十里长冲，广西省110kV蔽桂线金竹坳，滇南蒙自盆地边缘地形抬升的马拉格，贵州东部的万山及500kV大昆线易门老吾街后山等就是典型实例。

3.2.5 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，将导致送电线路风荷载的大幅度增加。云南省110kV六平线36号杆南盘江峡谷，500kV大昆线绿汁江跨越点，云南220kV以昆线282－283号大黑山峡谷风槽，500kV漫昆线哀牢山76-77号兔街山谷风道等就是典型实例。

3.3 影响电线覆冰的线路走向及电线悬挂高度条件

输电线路导线覆冰与线路走向有关，东西走向的线路导线覆冰普遍较南北走向的线路导线覆冰严重。冬季覆冰天气大多为北风或西北风，输电线路导线为南北走向时，风向与导线轴线基本平行，单位时间与单位面积内输送到输电线路导线上的雾粒叫东西走向的线路导线少得多。输电线路导线为东西走向时，风与导线约成90°的夹角，从而使导线覆冰最为严重。输电线路导线覆冰与风向几乎成正弦关系。而且输电线路导线为东西走向在覆冰后，由于不均匀覆冰的影响，导线覆冰可能会诱发覆冰舞动。在条件相同的地区，一般海拔高程愈高，愈易发生覆冰，覆冰厚度越厚，且多为雾凇；海拔高程较低处，其冰厚虽较薄，但多为雨凇或混合冻结。输电线路导线悬挂高度越高，覆冰越严重，这是因为空气中液水含量随高度的增加而升高。风速越大、液水含量越高，单位时间内向导线输送的水滴越多，覆冰也越严重。因此，覆冰随导线悬挂高度的升高而增加。冰厚随高度(海拔高度或悬挂高度)变化的规律可用乘幂律表示如下：

式中：

Z -- 高度；

Z0-- 参考高度；

b -- 为覆冰厚度；

b0-- 参考高度Z0处的的覆冰厚度。

bZ-- Z高度处的覆冰厚度。

3.4 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。

3.5 电场对覆冰的影响

电场的存在会对移向导线的水滴粒子产生极化和吸引力。虽然水滴内的极化电荷随交流电压而变化，但其作用力永远是一个引向导线的吸引力。因此，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，因而能增加导线上的覆冰量。电场强度一定时。负荷电流对导线覆冰的影响体现在两个方面。当电流不够大，焦尔热不能使导线表面维持0℃以上温度时，负荷电流反而会使导线覆冰增加，因为出现了电场的影响；当电流足够大，能使电线发热并维持其表面温度在0℃以上时，这时即使有过冷却水滴碰撞导线，导线表面也不会覆冰，从而达到自然防冰的效果。

4. 电线覆冰主要事故类型

4.1 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。

杆塔过荷载

地线过荷载

导、地线 断线

4.2 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。

导线不均匀覆冰

导线不同期脱冰

4.3 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。

绝缘子串覆冰

4.4 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。

导线舞动

5. 电线覆冰的防治

电线覆冰的防治主要采用避、抗、、改、 防、融 。避”：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。下面针对实际工程中常用的方法进行简单介绍。

5.1 绝缘子串防冰

5.1.1 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。

5.1.2 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。

5.1.3“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。

5.1.4 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。

5.2 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。

5.2.1 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。

5.2.2 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。

5.2.3 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。

（来源：输配电线路）

（提供：谭竹奎 编辑：周卓娜）