摘 要：在冬季，暴风雪是一个导致高功率传输线路中断以及花费数以百万计美元用以线路维修的大麻烦。用约8 - 200千赫的高频率震动法融化冰已经被提出来了。这种方法需要两个相结合的机械驱动。在这种高频率下，冰是一种有耗介质，直接吸收热量加热冰。另外，电线的集肤效应导致电流只有在薄冰层才导通，由此造成电阻损耗，产生热量。另外介绍了用于输电线路除冰的技术及相应设备，重点介绍了美国在电脉冲除冰方面的研究情况及俄罗斯利用可控硅整流技术研制的融冰与无功静补双用途综合装置的情况。
关键词：输电线路；除冰技术
During the winter,snowstorms are a major problem that can disrupt high-power transmission lines and cost millions of dollars torepair.Meltingthe ice with a high frequency vibration of about8-200KHZ has beenproposed.Thismethod requires a combination of two mechanicaldrives.Atthis high frequency,the swimmer is a lossy medium that absorbs heat and heats the icedirectly.Inaddition,the skin trapping effect of the wire causes the current to flow only through the thin ice,resulting in loss of resistance and the generation ofheat.Inaddition,the technology and equipment for de-icing power transmission lines are introduced,with emphasis on the research status of electric pulse de-icing in the United States and the dual-purpose integrated device of ice-melting and reactive static compensation developed by SCR rectifier technology in Russia.
Key words：transmission line；Deicing technology
前言：高寒地区输电线路冬季因受冰雪危害引起的供电中断事故通常都是较严重的，其修复工作难度大，周期长，停电影响面积广，因此一直是全世界范围内需要解决的难点问题。各国的研究人员设计出不少方案，用以提前将导线上的积雪、覆冰去除，避免引起击穿、断线舞动等事故。目前常用的方法仍然是采用增加线路电流使之发热将冰雪融化防患于未然。另外，也有研究者提出了电脉冲除冰的方法，并做了许多试验工作，虽然最终未获成功，却也积累了许多宝贵经验。
冰害对电力系统来讲是个季节性危害，为除冰而配置的变电站设备，其使用也是季节性的；而且，即使是在冬季，除冰装置也不是一直在使用，而是短时使用。如果在非除冰时间将其闲置不用也是一种比较大的浪费，因而有些研究者提出的将加热融冰设备与无功静止补偿装置合二为一的方案，从技术经济比较上应具有较大优势，并且获得了一定的运行经验，是值得推广的。
一、输电线路冰害成因及类型
1、线路覆冰形成原因
1.1 气候温度：西藏地区作为青藏高原的主体，平均海拔达到4500米，属于典型高原山地型气候，且受多处高山等因素影响，故局部地区形成很多微气象区，具有典型代表的有拉乌山、觉巴山、东达山、业拉山微气象区等。每年冬春季节交替的11月至次年3月期间，最低气温在零下5摄氏度~零下20摄氏度之间，空气相对湿度大，并伴有3~6级大风时，容易产生覆冰覆雪的天气，此时对线路危害最大。
1.2 空气湿度
空气湿度的大小对导线覆冰的分布影响甚大。湿度一般在85%以上，不仅较易引起导线覆冰，而且还易形成雨淞。南方部分地区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，且多为雨淞。线路在水库、湖泊、江河等水源充沛的地段附近通过时，由于湿度高，大量水汽凝聚线路附近容易覆冰。
1.3 风速风向
当具备了形成覆冰的温度和水汽条件后，风对导线覆冰起着重要的作用。在覆冰过程中，风可将大量的过冷却水滴吹送至输电线路，过冷却水滴与导线碰撞后被导线捕获并慢慢增大形成覆冰。据观测，覆冰首先在导线迎风面上成长，当迎风面达到某一覆冰厚度时，导线因重力作用而产生扭转，从而出现了新的迎风面。这样，导线通过不断扭转而使覆冰逐步增大，最终导线上形成圆形或横圆形的覆冰。除了风速的大小对覆冰有影响外，风向也是影响导线覆冰的重要参数之一，风向与导线平行时，或风向与导线之间的夹角小于45°或大于150°时，覆冰较轻；风向与导线垂直或风向与导线之间的夹角大于45°或小于150°时，覆冰则比较严重。但覆冰形成过程中，风向与风速不是固定不变的。同时风向与风速还会对覆冰形状产生影响：覆冰会在迎面上先生成，产生不均匀的覆冰，风载荷的作用使导线产生自激振荡和低领率的舞动。
图1.风向原因导致导线覆冰不均
1.4 地形与地理环境
导线覆冰还与风口、山口、迎风坡等微地形、微气候区有关。在输电线路冰区划分工作中，重点要分析某一地段的小范围气候分布。对于平原和平缓的高原，微气候是一个较大的地域，而对地形复杂的山区，微气候只是一个较小的地域。对微气候分布，垂直分布比水平范围的研究更为重要。
1.5 线路走向和导线本身的影响
导线覆冰也与线路走向走、导线悬挂高度及导线直径有关，它们影响着导线的覆冰力学。一般来说，我国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北风或西北风，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导线上的水滴及雾粒较东西走向的导线少得多。导线为东西走向时，风与导线约成90°的夹角，从而使导线覆最为严重。因此，在重冰区选择线路走线时，尽量避免导线呈东西走向。另一方面，由于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（即单位时间内向导线输送的水滴越多），越有利于覆冰的形成与增大。所以：导线悬挂高度越高，覆冰越严重。
2、覆冰的种类和特点
覆冰按形成条件及性质可分为五种类型：
2.1雨淞覆冰，是在冻雨期发生于低海拔地区的覆冰，持续时间一般较短，环境温度接近冰点，风相当大，积冰透明，在导线上的粘合力很强，的密度很高，雨被覆冰是混合淞覆冰的初级阶段，由于冻雨持续期一般较短，因此，导线覆冰为纯粹的雨被覆冰的情况相对较少。雨覆冰是最严重的一种覆冰形式，导线形成雨淞后，不论厚度如何，如因下雪或雾淞覆冰将导致导线覆冰迅速增长，且因其密度大，产生的机械负荷也最大。
2.2混合裕，又称硬雾淞，当温度在冰点以下，风比较猛时，则形成混合淞（即通常是过冷却水滴在导线的迎风面形成的雨淞与雾松混合冻结的不透明或半透明覆冰）。在混合淞覆冰条件下，水滴冻结比较弱，积冰有时透明，有时不透明，冰在导线上粘合力很强。导线长期暴露于湿气中，便形成混合裕。混合液是一个复合覆冰过程，密度较高生长速度快，对导线危害特别严重。
2.3软雾裕（即雾松），是由于山区低层云中含有的过冷水滴（过冷却雾滴、冰针），在极低温度与风速较小情况下（在物体的迎风面冻结）形成的。这种积冰呈白色、不透明、晶状结构、密度小，在导线上附着力相当弱。常呈毛茸茸的冰晶状，可分为晶状和粒状。晶状雾淞是雾或轻雾中很小的过冷却水滴冻结在导线上形成。空气中的水汽在导线上凝华也可结成晶状雾淞。因气温很低，晶状雾淞增长慢，比重小。粒状雾气温（-3~-8℃），风速不大时，雾或毛毛雨的过冷却小水滴随风飘动，在导线的迎风面冻结而成。最初的结冰是单向的，由于导线机械失衡，逐渐围绕导线均匀分布，在此情况下，这种冰对导线一般不构成威胁。
2.4白霜，白霜是空气中的湿气与0以下的物体接触时，湿气往冷物体表面凝合形成的，对导线威胁不大，但会增加输电线路的电晕损失。
2.5雪，积雪是由自然降雪粘附在导线上形成的，有干、湿雪之分；干雪粘附力很弱；湿雪粘附力较弱。
二、导线覆冰特点
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，导线才出现积雪现象。当有强风时，雪片易被风吹落，导线覆雪不可能发生，故导线覆雪受风速制约，因此平原地区或低地势无风地区，导线覆雪现象较山区常见。导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时，如遇大雾或毛毛雨，首先将在导线上形成雨淞，这时如果气温再升高，雨淞则开始融化，如天气继续转晴，则覆冰过程就停止；这时如果天气骤然变冷，出现雨雪天气，陈雨和雪则在粘结强度较高的雨淞面上迅速增长，形成较厚的冰层；如温度继续下降至-15~-8，原有冰层外则积覆雾淞。在这样一个过程中，出现多次晴~冷变化天气，短暂的融化加强了泳的密度，如此往复发展将形成雾淞和雨卷交替重叠的混合冻结物，即混合淞。一般直径小的导线覆冰多呈圆形，而大直径导线则呈横圆形。覆冰严重的绝缘子串能够形成一个圆形冰柱，在同一地点导线悬挂越高，覆冰越严重。风速较小时易形成雾淞，风速较大时则易于形成雨淞。在寒潮期间往往出现大面积覆冰，因此对这时
三、导线覆冰的危害
覆冰对架空输电线路的危害有过荷载、覆冰舞动和脱冰跳跃、绝缘子冰闪，会造成杆塔变形、倒塔、导线断股、金具和绝缘子损坏、绝缘子闪络等事故。
3.1 线路过负载事故
过荷载（即过负载）。当导线、杆塔覆冰时，冰的重量会增加所有支持结构和金具的垂直负载，导致导线的弧垂变大，使导线间或者导地线之间的绝缘距离减小，当风吹动导线时由于绝缘距离不够而发生短路；另外，由于覆冰过重，覆冰会增大导线张力，从而增大杆塔基及基础的力矩，增大转角塔的扭矩，造成杆塔扭转、弯曲、基础下沉、倾斜，甚至在拉线点以下发生折断。覆冰也会使导线受风面积增大，此时杆塔所受的水平荷载也随之增加，线路因此可能遭受到严重的横向倒杆事故。
3.2 导线覆冰舞动、脱冰跳跃事故
导线覆冰舞动、脱冰跳跃事故（即不均匀覆冰或不同期脱冰引起的事故）。导地线严重覆冰和不同期脱冰时产生很大的冲击力。冲击力使杆塔机械荷重超过设计条件造成倒杆（塔）、断杆（塔）。输电线路不仅承受其自重、覆冰等静荷载，而且还要承受风产生的动荷载。在一定条件下，覆冰导线受稳态横向风的作用，可能引起大幅低频振动（即舞动）。
导地线不均匀覆冰及不同期脱冰产生不平衡张力差。这张力差会引起悬垂绝缘子严重偏移，或塔身变形，或横担及地线支架拉坏。张力差也会造成导地线在线夹内滑动，严重时将使外层铝股在线夹出口处全断，钢芯抽动，造成线夫的另一侧铝股挤压在线夫的一侧。张力差还会使直线杆悬垂绝缘子串发生很大的偏移，碰撞横担，造成绝缘子损坏。张力差还会使横担转动，使导线碰拉线，拉线烧断造成倒杆。
3.3 绝缘子串覆冰过多导致的冰闪事故
绝缘子串覆冰过多导致的冰闪事故。绝缘子串覆冰过厚会减小爬距使冰闪电压降低。绝缘子覆冰过厚可完全形成冰柱，绝缘子串爬距大大减小，且融冰时冰柱表面形成贯通型水膜，耐压水平降低导致沿冰柱贯通性闪络。
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，泄露距离缩短。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。
四、典型故障经过及分析
昌都运维分部历年来共计发生4次线路覆冰跳闸事故，主要发生区段为500千伏左波双回#33-#43区段。500千伏左波双回线路起于500千伏左贡开关站，止于500千伏波密变电站，线路沿318国道走向，途径邦达镇、八宿县、然乌镇、松宗镇、波密县等地，昌都运维分部辖区共计892基杆塔。故障区段位于昌都市邦达镇业拉山段，海拔4500-4700米，常年平均气温为零下10摄氏度到15摄氏度之间，且经常局部下雪。具体情况如下：
（1）2019年10月27日07时~14时期间，500千伏左波I线#35、#37、左波II线#39杆塔先后发生三次覆冰闪络跳闸，运维人员根据500千伏左贡开关站故障录波测距和行波测距信息分析故障区段位于#30-#40之间，由6名人员组成故障巡视小组前往故障区段查找故障点，运维人员抵达现场后，发现现场天气依然保持大雪，且现场积雪较厚，人员和车辆均无法抵达杆塔附近，只能在现场进行蹲守，待天气好转之后再行进入。大雪天气一直持续了两天，巡视人员就在车里蹲守了两天，随后巡视人员便携带巡视工具前往杆塔扶金。途中积雪没过人员腰部，前行极为困难，徒步行走了5个小时才抵达#35杆塔下方，经过现场确认，确实由于导线覆冰导致耐张绝缘子串表面发生闪络，检查完#35杆塔，天色已晚，无法继续开展故障点查找，倒霉的是山里又开始下雪，就这样，故障点查找工作因为天气原因前前后后持续了一个多星期。
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图2.道路受阻照片
（2）2020年1月4日11时35分，500千伏左波II线B相跳闸，重合闸复跳三相，故障电流0.843A，行波测距25.246km，故障录波测距40.611km，根据测距分析，故障区段为#43-#47。下午14时巡视人员到达#33杆塔附近，现场天气为大风伴有大雪，导地线和绝缘子上有轻微覆雪情况，由于天气原因为开展故障点查找工作。次日巡视人员乘车到达#39杆塔附近地段，依然由于天气原因，人员无法徒步前往大号侧方向，随即返回车辆中蹲守。随后恶劣的天气持续了数个星期，故障区段一直未能到达，随后全国爆发新型冠状病毒，故障点查找工作也被暂停，直到3月开始陆陆续续复工复产，巡视人员才在#43杆塔B相左V串上找到放电通道，并确定故障点。
根据以上这些故障经过的分析，输电运维班组对严重覆冰区段气象状况以及导地线覆冰情况调研不够全面、悬垂绝缘子串未加装大盘径绝缘子造成绝缘子串冰闪的发生都是造成覆冰闪络的重要原因。
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五、输电线路抗冰设计及除冰
电网输电线路覆冰是一种分布广泛的自然现象。每年冬天，在山区及高寒山区，地形复杂、气候多变，在个别特殊地段形成的微地形、微气象点，因严重覆冰及大风而造成的输电线路倒杆、断线事故很多，对电力系统的安全运行构成了严重的威胁。
5.1 新建线路的抗冰设计
对于新建的的输电线路，要根据已掌握的的气象资料，合理划分区，根据不同的冰厚程度进行线路设计，力求做到确保线路安全运行而又不过分增加线路造价（即在工程设计中，应根据不同地区的覆冰特点进行具体分析与设计）。输电线路经过的各种地势、微气候及微地形的差别较大，沿线冰雪情况不一致，故不能只采用一种冰厚设计值。为了确保重冰段的安全，应在搜集到的气象资料的基础上，结合线路所经过地区及覆冰时的风速、风向、湿度等进行综合分析，合理划分冰区和确定相应的冰厚设计值。
已采取抗冰设计的线路，考虑到冰区划分难以保证其准确无误，且还可能存在薄弱环节，为确保线路安全运行，最好再辅以融冰措施作为后备保护。
5.2 已运行的线路的抗冰害措施
对于已运行的线路，为加强其对覆冰伤害的抵御能力，应视具体的情况而区别对待。对没有明显微气候、微地形影响的大面积覆冰地区，不宜立即进行线路改造，可以考虑采用融冰措施来防治冰雪灾害。对于输电线路的加固改造方案需要遵循以下几点要求：改造范围的合理性。通常加固改造都是在已经运行多年的线路工程上进行，线路本身就已经有运行经验作为借鉴，因此没有必要完全按照计算扩大改造范围，尽量以“小坏小补，大坏重新设计”为原则；改造方案的安全性。加固工程都是在已经损坏的线路上进行，对损坏范围和程度要有很好的检查和检测，从而使加固工作能发挥用处；改造方案的经济性。需要对加固工程方案进行经济比较分析，选取最省钱、最省工期的方式进行修复。要认真听取建设方合理建议，完善优化加固方案。
5.3 导线覆冰的监测
目前国内外对覆冰理论、冰闪机理和覆冰监测方面做了大量的理论研究工作。覆冰监测、预警研究，主要是针对有代表性的输电线路覆冰，安装覆冰在线监测系统，建立一个统一的覆冰在线监测平台，作为覆冰线路在线监测的基础。覆冰监测系统的主要原理为：
监测系统通过在线测量风速、风向、垂直档距内导线重量（含导线自重、冰重、风荷载）、绝缘子倾斜角，根据风荷载数学模型确定风阻系数，建立覆冰载荷计算模型，利用绝缘子倾斜角测量导线自重及杆塔三维受力状态，建立杆塔不均衡张力和风偏距离数学模型；
在杆塔上安装气象、视频、振动、电流传感器等装置，直接获取数据；采用移动通信网络进行实时视频图像/数据传输；
根据设计条件，通过专家库和对各种理论模型的计算，实现对导线等值覆冰厚度、杆塔不均衡张力、风偏距离、气象条件、导线振动频率、绝缘子泄漏电流、现场图像等过程监测，并提供灾害预警，为预防电网因覆冰倒塔等事故的发生提供可靠的依据。
5.4 除冰技术
在我国，目前使用中的除技术大体划分为四类：热力除法；机械除冰法；自然被动法；其他防法。其中，热力除冰法是目前使用最多的方法。
5.4.1热力除冰法：
利用附加热源或导线自身发热，使冰雪在导线上无法积覆，或是使已经积覆的冰雪融化。利用附加热源主要就是短路电流法。这种方法除冰的效果较明显，低居里热敏防冰套筒和低居里磁热线已投入工程实用。
5.4.2机械除冰法：
最简单原始的方法。如从地面上向导线或避雷线抛掷短木棍、用长竹竿或绝缘杆敲打，使覆冰脱落。其中滑轮铲刮法较为实用。它耗能小，价格低廉，但操作困难时间较长，安全性能亦需完善。采用电磁力或电脉冲使导线产生强烈的而又在控制范围内的振动来除冰，对雾有一定效果，对雨淞效果有限，除冰效果不佳。从80年代起，国外开展了机器人巡线技术研究，目前国内开展机器人巡线技术研究取得了跨杆塔及障碍物的突破。可在巡线机器人加装机械除冰装置进行线路除冰。
5.4.3被动除冰法：
在导线上安装阻雪环、平衡锤等装置可使导线上的覆冰堆积到一定程度时，由风或其它自然力的作用自行脱落。该法简单易行，但可能因不均匀或不同期脱冰发生导线跳跃的线路事故。
六、针对输电线路覆冰灾害所采取的防范措施
按照预防覆冰灾害 “避”“抗”“改”、“防”，“融”的指导方针对运行中的线路，我们有针对的采取“改”、“防”、“融”的综合技术措施，最大限度的减小覆冰灾害
防覆冰闪络型复合绝缘子通过产品型式试验和模拟覆冰闪络试验以及两年多的现场挂网运行，证明了防覆冰型复合绝缘子设计思路正确、符合覆冰环境要求的电气和机械条件，并具有以下优点：伞裙平直无凹槽，表面光滑，憎水性强，不易浸润，表而不易结冰，伞裙边沿结冰速度也缓慢； 由于加大了伞裙直径和大小伞裙有序间隔排列增大了爬电距离，因此其闪络电压相对较高；大伞裙间冰淞不易桥接，即使完全桥接但试验闪络电压高于运行中的相电压，我们在500kV左波13# ～ 61#杆塔为试点，对其加装大盘经绝缘子，增加爬电比距，提高线路抗覆冰灾害的能力，是预防覆冰灾害各项措施中最有效的措施。
1、改变导线排列方式
我局处在重冰区的多条500kV线路由于设计时对覆冰气象条件考虑不足，设计标准偏低，砂杆多为“上”字型单杆，导线呈斜三角形排列，导线覆冰过重时易引起混线，或不同期脱冰时引起导线舞动造成反复混线，为了解决“上”字型单杆覆冰混线问题，我们以
2 缩短档距增加杆塔
重冰区较大档易发生导、地线混线，对跨越物接地问题。在有条件改变杆塔档距的情况下，适当增加杆塔，缩短档距，可以改变导、地线应力，转移覆冰荷载，有效控制导地线驰度变化，从而提高导、地线抗覆冰能力。这一措施需要投入的费用较大，改造停电时间较长，降低线路的可用系数。该项目目前还处在设想阶段，还未开始实施改造，预计未来几年内实现改造。
3、改变直线杆塔I型绝缘子串的受力
处在重冰区线路的大部分直线杆塔导线悬挂采用1型单申方式，该悬挂方式抑制导线纵、横向相对运动的能力差，当导线严重覆冰后，相邻档不同期脱冰时，由于受不平衡张力作用，容易引起导线纵向窜动，横向摆动，引起电气距离超限变化，造成对横担放
电接地或导线向上翻转。为了抑制导线纵向窜动和横向摆动，我们在导线悬挂点的反向用绝缘子串和拉线向塔身连接，给悬挂点增加个反向预张力，当导线受不平衡张力时，会将不平衡张力分解到导线的上下悬挂点上， 可以减小不平衡张力引起导线的相对位移。该措施实施简单便捷，投入小，我们准备对500千伏左波双回线路作为试点进行改造。
4、采用短路电流热融冰措施
在防导地线覆冰灾害方面， 由于受覆冰灾害所迫。我局干部职工群策群力，借鉴国内先进成功经验开展输电线路融冰工作。
大电流融冰法除冰法是指经过分析计算，在当时测温、控制手段有限的条件下进行了低电压大电流融冰的方法，对导地线达到加热除冰的目的。
结束语
综上所述，通过分析覆冰形成的原因、覆冰的分类和特点以及覆冰的危害，进而提出了输电线路抗冰设计的要求以及进一步的阐述了当前热门的除冰方法。本文多方面地解释了覆冰形成的各方面原因、覆冰的分类和特点，多角度地说明了覆冰造成的危害事故，并希望配合几种非常常用的防、除措施，力争在输电线路覆冰这一方面做到措施安全可靠，改造方案对策实施经济合理。在工程设计中，应根据不同地区的覆冰特点进行具体分析与设计。只有不断总结设计经验，才能从线路建设开始就保证其长期安全可靠运行。
冬季落雪结冰是众多自然现象之一。可同样是覆冰，雾淞、冰挂是人们难得一见的极其珍惜的美景。而导线覆冰的出现不仅不会给人以愉悦的享受，反而会加以警惕的关注以致想方设法地去消除它。导线覆冰的防治将是摆在广大科技工作者和工程技术人员面前的长期而重要的课题。
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