电力系统污秽与覆冰绝缘6.ppt

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1、第六章,电力系统污秽与覆冰绝缘,2005年华中地区冰灾给我国电网造成60多亿的损害 2008年南方大面积冰灾给我国电网造成1000多亿的损失,1、国外典型的电网覆冰灾害事故,1921年10月瑞典发生严重积冰现象。瑞典研究报告指出，如果当时的低温、冻雨和强风气象条件发生在现在，20%50%的杆塔将倒塌。 国外最早有记录的输电线路覆冰事故出现于美国1932年。 1972年1月，冰灾袭击美国哥伦比亚州，二条500kV线路严重损坏，线路覆冰为9mm。 1998年1月，有史以来最严重的冻雨冰风暴袭击加拿大东部和美国东北部部分地区。自1月4日至10日，加拿大魁北克地区降冻雨总计120mm，高压输电线路杆塔

2、倒塌1000多基，配电电杆倒塌3000多基。加拿大470万人、美国50万人受到影响，400万人停电超过2周，当年10月电网才完成恢复。 1999年12月法国发生为期3天的冰雪风暴，38条主要线路停运，5000MV电力不能输送，超过350万户人家停电。 2005年1月瑞典南部遭受严重暴风雪灾害，风速达46m/s。电力系统、电话通讯以及铁路公路长时间停运。65万人电力中断，电力修复周期：7周。 2005年11月德国发生冰雪灾害造成超过70基输电线路杆塔倒塌，20万人停电。,最近30年来，局部覆冰事故和大面积冰害事故在全国各地时有发生。 我国最早有记录的输电线路冰害事故出现于1954年，当时全国发生

3、大面积覆冰，如果发生在现在，造成的灾害将超过2008年1月。 1972年 1976年 1984年云南贵州大面积覆冰。 1992年10月青海日月山口330kV线路覆冰倒塌8基。 1993年11月湖北荆门500kV线路覆冰倒塌7基。 1994年11月湖北荆门500kV线路覆冰倒塌2基。 1999年3月，北京、天津、唐山地区出现持续1周的冻雾，涉及110/220/500kV共10条线路冰闪47次。 2004年12月湖南、湖北发生大面积覆冰，电网遭受严重破坏。 2005年2月湖南、湖北发生大面积覆冰，电网遭受严重破坏。 2005年2月重庆遭受特大风雪袭击。220kV线路严重破坏。 2008年南方广大地

4、区的长时间、冻雨覆冰灾害事故。,2、我国电网典型覆冰灾害事故概要,6.1 概述 覆冰是电力系统的严重自然灾害。我国自上世纪五十年代首次发现电网冰害事故以来，我国各电压等级的输变电设备均发生了冰害事故。 我国自上世纪七十年来以来，就十分关注覆冰的危害，对其进行了长期的观测和研究，特别是对于绝缘子覆冰。近年来，随着特高压工程的建设，对其研究越来越重视。经过长期的研究，在绝缘子覆冰闪络特性和闪络机理方面，取得了许多有工程实际意义的成果。 绝缘子覆冰是一种特殊的污秽形式。覆冰绝缘子的电气强度降低始终与污秽有关。在高寒地区，绝缘子面临着覆冰积雪的危害更为严重。覆冰积雪对绝缘子电气强度的影响主要体现在二个

5、方面：一是冰雪在泄漏电流或局部小电弧的热作用下融化，使绝缘子表面污秽湿润，或染污的冰雪融化后本身电阻降低从而导致绝缘子表面电阻降低，即污秽绝缘子表面冰层融化后，融化的冰雪本身就是一种特殊形式的污秽；二是冰雪的堆积改变了绝缘子的外形结构，特别是冰凌产生以后，冰凌的形成改变了绝缘子沿面的泄漏路径，并导致在正常运行电压下沿绝缘子表面的电位分布发生变化。 覆冰虽然是一种特殊形式的污秽，但覆冰绝缘子的放电过程比污秽绝缘子放电更为复杂，所涉及的问题更多。到目前为止，覆冰绝缘子的电气强度及放电过程仍是国内外没有很好解决的技术难题，也是重庆大学多年来一直研究的重点，在该领域的研究，重庆大学取得了许多研究成果。

6、,6.2 覆冰的分类和物理性质 6.2.1 覆冰分类 (一)、按形成条件分类 输电线路导线和绝缘子的覆冰按形成条件及性质可分为A型、B型、C型、D型和E型五种，如表6.1所示。,6.3.1 气象因素 当过冷却在0及其以下的云中或雾中水滴与导线和绝缘子表面碰撞并冻结时，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绝缘子与气流中过冷却水滴发生碰撞，并冻结在绝缘子表面而形成覆冰。 绝缘子表面发生覆冰现象必须满足三个条件，即 大气中必须有足够的过冷却水滴； 过冷却水滴被导线捕获； 过冷却水滴立即冻结或在离开绝缘子表面

7、前冻结。 其中，必要条件取决于气象条件，是气象学问题；必要条件是流体的力学过程，由流体力学定律来决定；必要条件是热力学问题，由覆冰表面的热平衡方程来确定。因此，绝缘子覆冰增长的机理应从这三个方面进行讨论。绝缘子覆冰过程是与气象学、流体力学、热力学等有关的综合物理过程。,(1) 按照覆冰对电网形成的危害，输电线路覆冰分为五类： A-雨淞 B-混合淞(硬雾凇) C-雾淞(软雾凇) D-雪 E-霜凇,3、输电线路覆冰的分类,性质：纯粹、透明的冰，坚硬，密度0.9g/cm3或更高,粘附力很强。 形成条件及过程：在低地区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-20；在山地由云中来的冰晶或

8、含有大水滴的地面雾在高风速下形成，气温-40。 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0.80.9 g/cm3，结构最紧密，附着力强，对输电线危害最大。,A型：雨凇(Glaze),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0.60.8g/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-50；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。,B型：混合凇

9、(硬雾凇)(Hard Rime),性质：白色,呈粒状雪,质轻,为相对坚固的结晶,密度0.30.6g/cm3,粘附力颇弱。 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：,C型 ：雾凇(Rime),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0.10.3 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：,D型 ：雪 (Snow and Sleet),性质：白色，雪状，不规则针状结晶，很脆而轻，密度0.050.3g/cm3，粘附力弱。 形成条件及过程：水汽从

10、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：,E型 ：霜凇(Hoar Frost),(2) 按照根据导线覆冰形成的机理及形成过程，导线覆冰增长过程可分为两种： 干增长覆冰过程 湿增长覆冰过程 雾凇是干增长过程，雨凇是湿增长过程，混合凇是介于、干湿增长之间的一种覆冰过程。,4、覆冰的形成条件,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。导线覆冰必须具备三个条件，即 可冻结的气温(0) 较高的湿度(RH%85%)，空气中具有可冻结的水分或过冷却水滴、雾滴和水汽等。 使空气中水滴运动的风速(1m/s),5、影响输电线路覆冰的因

11、素,影响导线覆冰的因素很多，主要有： 气象因素 地形和地理环境条件 海拔高度和导线悬挂高度 导线结构特性,(1) 气象因素,影响导线覆冰的气象因素主要有温度、空气湿度、风速、风向、空气中过冷却水滴或雾滴的直径及凝结高度等。,(a) 环境温度：对覆冰的影响最。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比南方的云、贵、湘、鄂为轻。,(b) 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。湖南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

12、冰，且多为雨凇。,(c) 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因素，一般而言，风速越大(06m/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。,(d)过冷却水滴大小：雨凇覆冰时，过冷却水滴直径大，约在1040m之间，中值体积水滴直径为25m左右，是毛毛细雨；雾凇覆冰时，水滴直径在120m之间，中值体积水滴直径为10m左右;而对于混合凇，其水滴直

13、径在535m之间，中值体积直径为1518m。,(e) 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为凝结高度(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冻结高度，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。,(2) 地形和地理环境的影响,覆冰与山脉走向、坡向与分水岭等因素也有关，在山区导线受地形及地理的影响更为严重。在受风

14、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：,(3) 海拔高度和导线悬挂高度,一般海拔高度越高导线越易覆冰，冰厚也越大，而且多为雾淞，海拔高度较低处，其冰厚(d)较小，但多为雨淞或混合淞。 导线悬点愈高，覆冰愈重，这是因为，近地层内风速和雾的密度随离地高度的增加而增大。 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：其中：Z为高度，b为覆冰厚度;下标“Z”表示Z高度处的物理量，“0”表示参考高度Z0处的

15、物理量。,(4) 导线结构特性,导线结构特性包括导线的直径、刚度，通过的电流大小等因素。对导线直径而言，它对导线覆冰的影响主要表现为其对导线捕获空气中过冷却水滴的有效性，即收集系数的影响。 导线覆冰增长率为：,导线半径越大，过冷却水滴与撞击导线的撞击系数(1) 越小，其撞击导线的几率越小， 覆冰厚度增长越慢。 导线刚度的大小决定其抗扭转的性能，它主要是影响导线覆冰的截面形状。细而长的导线刚度较小，易于扭转，多呈现圆形覆冰，覆冰量也就会相应增加。,(5) 电场的影响,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

16、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。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。,二、输电线路覆冰的影响及其导致灾害的原因分析,1、覆冰的危害：覆冰对输电线路造成严重危害，主要表现在金具损坏、导线断股、断线、舞动、杆塔倾斜或倒塌等。,(1) 过负载事故：线路实际覆冰超过设计抗冰厚度。线路覆冰质量增加、覆冰后风压面积增加，导

17、致机械和电气事故： 1)导线和地线：导线从压接管内抽出，或外层铝股全断、钢芯抽出等，整根拉断或耐张线夹或悬垂线夹出口处附近导线外层断股。 2) 金具：悬垂线夹船体在U型螺栓附近断裂，拉线、契型线夹断裂。 3)电气间隙：弧垂增大，导线对地间距减小。地线弧垂增大，造成与导线相碰、烧伤及烧断导地线。 4) 杆塔结构： 导线和地线断裂导致直线杆头顺线方向折断； 导地线不对称布置导致垂直线路方向塔头折断； 边导线断裂导致耐张双杆的杆身在不同方向扭断； 导线断裂引起拉线或拉线金具破坏而后顺线倒杆； 垂直荷载增大且有很大偏心弯矩，构成压弯屈曲，在拉线点以下折断，垂直线路方向倒杆。 5) 基础：下沉、倾斜或爆

18、裂而引起塔身倾斜或倒杆。 6) 绝缘子串：覆冰过载引起扭转、跳跃，使绝缘子串翻转、碰撞、炸裂等,(2) 不均匀覆冰或不同期脱冰引起的机械和电气方面的事故： 1) 导线和地线 相邻档不均匀覆冰或不同期脱冰产生张力差，使导地线在线夹内滑动，严重时导致导线外层铝股在线夹出口处断裂、钢芯抽动，造成线夹另一侧的铝股拥挤在线夹附近。 不均匀覆冰的张力差是静荷载，线股断口有缩颈现象； 不同期脱冰的张力差是动荷载，线股断口无缩颈现象。 2) 绝缘子损坏：相邻档张力差异导致直线杆塔承受张力差，使悬垂绝缘子串偏移，碰撞横担，造成绝缘子损伤或破裂。 3) 电气间隙：张力差导致横担转动、导线碰撞拉线，使拉线烧断造成倒

19、杆；三相熔冰时，中相、边相不同步导致导线不同步摆动时碰撞。 4) 杆塔结构：不同期脱冰使横担折断或向上翘起，地线支架扭坏，覆冰不均匀使横担扭转。,(3) 绝缘子覆冰以及冰棱桥接伞裙，导致其电气性能降低： 绝缘子覆冰或被冰凌桥接后，泄漏距离缩短，绝缘强度下降。 融冰时，绝缘子局部表面电阻降低，形成闪络事故。 闪络时持续电弧烧伤绝缘子。 (4) 不均匀覆冰引起的导线舞动事故： 不匀覆冰会使导线产生自激振荡和舞动，造成金具损坏、导线断股及杆塔倾斜或倒塌等。,2、电网冰灾事故发生的原因,到目前为止，覆冰仍然在威胁和影响电网的安全运行，其主要原因存在以下几个方面(客观原因)： 一是电网此次覆冰是有气象记

20、录以来的最大的大面积雨凇覆冰现象，导致输电线路冰风荷载远远超过了线路设计标准，冰害线路现场实测导线覆冰标准冰厚达到2040mm，部分线路冰厚达到标准冰厚50mm。因此输电线路导线覆冰的厚度超过了我国现行规范规定的220kV等级线路按15年、500kV等级线路30年一遇的设计标准。 二是此次覆冰形成条件最为恶劣，覆冰持续时间长。覆冰过程的基本成因是雨凇、混合凇交替发展，在导线上形成了罕见的雨凇覆冰和混合凇覆冰现象，覆冰密度大、与输电线路的导线和绝缘子的粘结强度高，导线受风截面以及冰风荷载明显增大，在冰风作用下，致使输电线路发生大面积倒杆(塔)、断线以及绝缘子闪络事故。 三是由于有气象记录以来没有

21、发生如此罕见的大面积、长时间的雨凇、混合凇交替覆冰现象，且国内外防冰应急措施研究还有待完善，因此缺乏有效的应急措施。,主管部门对覆冰危害和影响的认识不足 今年发生大面积冰灾，上至中央、下至基层班组，已经充分认识和重视了覆冰的危害。 但覆冰在国内外一直都在发生。 1998年1月加拿大发生严重冰灾后，我们曾召开过覆冰研讨会。 特别是在武汉高压研究所，自19941998年连续向国家电力公司申请400万元经费建立覆冰模拟试验室，未能得到批准。 虽然覆冰灾害对电网造成了严重的影响，但电网各级部门一直认为覆冰是小概率时间，几十年很难碰到一次，这次发生之后，下一次不知要轮到哪一年或哪位去了。 输电线路覆冰规

22、律的基础工作缺乏 覆冰是随机的自然现象，认识其规律和分布需要长期艰苦的调查和资料积累，不是一天二天或一年二年就可以充分了解其规律和特性的。也不是几位研究人员、专家教授等搞几个课题就可以解决的问题。 线路覆冰规律和分布的基础工作需要电力系统运行人员的认真调查和长期积累。这方面做得好的单位，覆冰造成的灾害就小。 线路覆冰规律和分布的基础工作的好坏影响防冰设计标准的选择，影响防冰除冰方法的有效实施。,设计依据不充分、设计粗糙 我们国家设计抗冰设计标准是否合理，目前没有充分依据进行否定。但目前现状来看，提高设计标准是没有科学依据的。30年一遇或50一遇的设计方式是不科学的。 近年来，全球覆冰灾害事故发

23、生的频率逐年有升高的趋势。分析其原因，导致这种发生覆冰灾害周期缩短的原因是全球气候变暖。冻雨发生的机率升高，影响范围扩大。 从我国目前设计的标准来看，抗冰设计厚度从035mm。最大设计经验中有50mm。对于近年的冰灾，并不是设计标准出现了问题，还是设计没有针对性。对输电线路出现的微气象、微地形覆冰特性了解不深入。 一条500kV线路，覆冰的可能是很多的。可以从050mm，因此如何精细设计和差异化设计需要大量的基础研究工作。 防冰融冰技术的应用只能是辅助措施和补救措施。不能作为防止输电线路发生冰灾的主要手段。,科学研究的亡羊补牢和急功近利 西南电力设计院自1982年开始就在四川凉山黄毛埂建立观冰

24、站，观测到输电线路雾凇覆冰厚度最大达到500mm。 1984年云南贵州发生大面覆冰灾害事故以后，能源部1986年将“重冰区输电线路防冰综合措施研究”列为国务院“七五”重大装备技攻关项目进行研究。研究了多种防冰、除冰措施。但在三峡工程送出工程的应用中面临了工程应用的问题。研究未能从长远角度进续深入。也没有研究相关的应急预案。 虽然发生了冰灾并意识到冰灾的危害，但当时除重庆大学建立了一个小型人工气候室可以模拟覆冰并进行覆冰研究之外，全国没有其它单位和部门具备覆冰研究的条件。直至2002年重庆大学孙才新院士认识到西电东送、全国联网将面临严重的覆冰、高海拔等特殊环境问题，在没有任何经费的支持下自筹经费

25、建立了大型多功能人工气候室，持续进行覆冰防冰研究。 今年发生冰灾以后，全国掀起了覆冰防冰研究的热潮，都多单位都在建立模拟覆冰的人工气候室，这就充分反应了这种亡羊补牢和急功近利的态度。覆冰防冰研究是目前国内外没有解决的技术难题。几十年来，国外很多研究人员一直致力于其研究和探讨。提出了许多方法，但到目前为止，还没有一种方法在处理和防止输电线路发生冰灾事故中发挥出明显的效果。因此，对于这方面的研究和认识，应认真对待、冷静分析。认真分析此次冰雪气象的特征和规律，分析发生冰灾事故的电网设备的设计气象条件、荷载能量、事故特征、覆冰情况、覆冰的特征、所处位置的地理地形特征，并分析比较为什么附近其它设备没有发生覆冰倒塌等。对于发生倒(杆)塔、断线(串)的线路，应认真分析事故的具体特征，区别对待事故类型和现象。冷静对待此次事故，冷静对待自然灾害。 覆冰积雪是自然现象，自地球诞生以来就存在的自然现象，既造就了美丽的自然景观，也给人类的生活带来严重影响，是人类不可抗拒的。因此，应充分认识覆冰积雪的自然规律，减少覆冰积雪带来的影响和损失。,