0 引言

内蒙古自治区锡林浩特市以西地区2015年以前未发生过输电线路冰害事故，但2015年入冬以来，武旗Ⅰ线、武旗Ⅱ线均发生了冰害跳闸故障，对输电线路的安全可靠运行造成严重威胁。

1 覆冰故障原因分析

2015年11月，内蒙古锡林浩特地区遭受50余年来最严重恶劣天气的袭击，不良气象条件持续时间长达1个月，武旗Ⅰ线、武旗Ⅱ线发生冰害故障跳闸，且武旗Ⅰ线部分铁塔地线支架变形较大。冰灾发生的区域均处于大青山山区海拔较高的迎风坡，沿线路方向地形抬升明显，为易发生导线覆冰的地形、地势。冰灾发生时气象站观测气温均在-3~ 3 ℃，均有降雪（或雨夹雪）及大雾现象，受山区地形影响，对应时段事故现场的气温应比气象站观测气温低1~3 ℃。

由于相对湿度接近100%，水汽难以扩散形成小水滴，持续时间较久，当气温低于0 ℃时，降雪（或雨夹雪）及大雾形成过冷却小液滴附着在输电线路导线表面，受冻后形成雨凇。随着气温继续下降，降雪（或雨夹雪）在雨凇冰面上快速增长，形成密度较大（大于0.6 g/cm³）的冰层，温度回升时，冰层表面融化，增加了冰的密度；而后气温再次降低，原有冰层外侧再次覆积雾凇，如此往复发展，形成雾凇和雨凇交替重叠的混合冻结物（即混合凇）。

本次冰灾事故的覆冰共有3层，即共发生了3次融冻过程。早期，导线覆冰在迎风面上产生并生长；中期，迎风面上覆冰厚度不断增加；后期，当迎风面冰厚度超过背风面冰厚度足够多时，使导线发生扭转。导线迎风面变化后，覆冰继续在新的迎风面成长变大，最终在导线上形成圆形或椭圆形覆冰。

2 覆冰厚度的测定 2.1 工程设计条件

武旗Ⅰ回500 kV输电线路由包头北至旗下营500 kV线路π接入武川500 kV变电站，该线路2006年开始设计，2008年投入运行。线路设计气象条件为：最大风速32 m/s，导线覆冰厚度10 mm，地线覆冰厚度10 mm（执行旧标准GB 5054—1999《110~ 500 kV架空输电线路设计规范》）；武旗Ⅱ回500 kV输电线路2010年开始设计，2013年投入运行；该段线路设计气象条件为：最大风速29 m/s，导线覆冰厚度10 mm，地线覆冰厚度15 mm，执行新标准GB 50545—2010《110 kV~750 kV架空输电线路设计规范》^[1]。

2.2 覆冰厚度测定

本次冰害为雨夹雪产生的雨雾凇混合冻结型导线覆冰，发生地区的海拔高度在1900~2100 m，属于中等海拔地区。事故发生后，对覆冰冰样密度进行了检测。由于本次冰灾事故的冰样在取样、运输、保管等过程未能完全按照规范进行，导致冰样检测数据存在一定误差，标准覆冰厚度计算值偏大。因本次冰灾未造成线路铁塔垮塌，所以实际标准覆冰厚度应未超过20 mm。

2.3 铁塔承受冰厚验算

武旗Ⅰ回输电线路的铁塔按旧规范设计，而武旗Ⅱ回输电线路铁塔是在原武旗Ⅰ回线路现有铁塔基础上，根据新规范^[2]重新进行设计的，虽然两者的外形尺寸和结构布置完全一致，但武旗Ⅰ回线路铁塔抗冰能力要弱于武旗Ⅱ回线路铁塔。为了比选合适的改造方案，按照各自原来的使用条件，对武旗Ⅰ回、武旗Ⅱ回线路的直线铁塔2种不同覆冰工况进行了验算分析。

2.3.1 导线覆冰15 mm，地线覆冰20 mm

气温为-5 ℃、风速为10 m/s时，验算所有导、地线同时存在同向不平衡张力情况下各类杆塔的冰荷载情况。张力计算原则见表 1和表 2。

按照上述条件验算的武旗Ⅰ回、武旗Ⅱ回铁塔导线横担、外曲臂主材，曲臂部分斜材、塔身杆件不满足规范要求，但武旗Ⅰ线更为严重。其他杆件都能满足要求。武旗Ⅰ线塔的应力分布图见图 1所示。

应力发生如此大的变化，是因为中冰区的张力受两侧覆冰率控制，直线塔导线不平衡张力占最大使用张力的30%左右。

2.3.2 导线覆冰10 mm，地线覆冰20 mm

按轻冰区设计，不均匀覆冰情况下，导线不平衡张力取导线最大使用张力的10%，地线不平衡张力取地线最大使用张力的20%，其他条件不变的情况下，验算结果为武旗Ⅱ回铁塔满足设计要求，而武旗Ⅰ回需要更换杆件。

3 改造方案

因引发本次故障的气象条件极为罕见，如按极端严重情况考虑，势必会使工程造价很高，且影响主网架可靠运行，所以决定按新标准^[1]以验冰工况（导线覆冰10 mm，地线覆冰20 mm，均为轻冰区）验算铁塔，并制订以下改造方案。

3.1 武旗Ⅰ回单回线路改造方案

（1）为减小地线弧垂，通过对比分析尽量选取重量小、弧垂特性好的材料。

（2）部分铁塔地线支架和曲臂不满足20 mm覆冰强度要求，建议对N45—N61，N90—N101段铁塔地线支架进行加强，塔身不变。

（3）覆冰区段内地线防振锤滑移严重，将覆冰区段内地线防振锤更换为预绞式防振锤。

3.2 武旗Ⅱ回单回线路改造方案

（1）因塔身及地线支架强度均满足导线10 mm覆冰、地线20 mm覆冰的要求，现有铁塔不必进行改造。

（2）通过对比分析，尽量选取质量小、弧垂特性好的材料，以减小地线弧垂。

（3）覆冰区段内地线防振锤滑移严重，将覆冰区段内地线防振锤更换为预绞式防振锤。

4 建议

（1）今后在设计微地形、微气候区域的架空输电线路时，宜采用差异化设计，适当提高该区段的设计标准，以增强输电线路的运行可靠性^[3-4]。对严重覆冰区域易发生事故的线路，生产、运行部门应建立详细的信息台账，为后续设计工作提供参考数据。

（2）根据覆冰事故区域线路特点，有针对性地采取整改措施^[5]。例如，对于档距较大区域，可采取增加杆塔、缩小档距的措施，或采用轻型地线和导线，也可将地线防振锤更换为预绞式防振锤，采用合适的绝缘子串等。