高海拔地区由于自然条件有一定特殊性，当地的输电线路保护和管理需要特别注意，本文主要探讨高海拔地区输电线路设计与运维。
《广东输电与变电技术》1999年创刊，是介绍、推广能源与动力工程的最新研究成果。介绍、推广第一线从业人员在能源与动力工程中的先进经验。也是一份非盈利性科技类杂志，读者对象为全体输变电行业人员，内容主要为：新技术、新理论的研究动态和成果;新技术和新理念的引进和推广;实践中的经验总结技术创新;电力科技信息等。
在我国西南部云贵高原和“三江并流”高海拔覆冰区域，在冬春季节雨雪冰冻和自然风力作用下，输电线路承载重覆冰和自然风力联合破坏，是设计与运维中一个亟待解决的难题，有可能发生导线弹跳、断线、倒塔，从而引发线路跳闸，严重时引起电网大面积停电、限电、区域电网瓦解事故。我国水电清洁能源主要集中西南部地区，开发输出均经过高海拔覆冰区域，研究探析输电线路设计与运维有深远意义。
1、概述
在我国西南部云贵高原大地，高海拔山脉起伏，属于容易频繁受到雨雪冰冻和自然风力联合作用的自然灾害区域。特别是在金沙江、澜沧江、怒江“三江并流”特殊的峡谷自然微气象环境，高山峡谷，山高坡徒，有一山四季的立体性气候，有少雨带干澡峡谷与多雨带湿润峡谷，有多雷电带区域与少雷电带区域，在雪山上有覆重冰与覆冰较少，有雪松型覆冰与迎风坡大风联合作用的多微气象条件。为适应特殊环境的微气象条件，结合我国西南部的“三江并流”横断山系;高黎贡山、碧罗雪山、梅里雪山形成的怒江、澜沧江、金沙江峡谷特殊微气象区域的实际;在勘测设计架设送电线路，设计研制生产电力设备，从电网规划建设，科技创新发展上提出了更高的要求。在开展输变电工程勘测设计与研制生产电力设备的过程中，必须针对云贵高原、三江并流及峡谷的特殊地理环境微气象条件，全面开展设计前的调查研究分析。对极为特殊的微气象条件环境，送电线路设计与电力设备研制生产，必须结合特殊微气象区域，按高原设计规范进行参数修正，甚至工程设计要突破国家设计规范标准，进行科技创新设计研究分析，只有这样才能满足电网系统安全稳定运行的要求。输电线路的覆冰及其引起的各类冰害事故严重危害了我国电力系统的安全运行;在我国每年冰冻灾害具有持续时间长、发生频率高、覆盖面积大等特点，微气象地区的严重覆冰会引起输变电设备电气性能和机械性能的下降，严重覆冰引起过荷载、不均匀覆冰或不同期脱冰引起张力差、绝缘子串覆冰闪络及覆冰导线舞动，均是造成覆冰事故的主要原因。为保证西南部高海拔区域输电线路的安全可靠运行，属于海拔高，空气密度小，电晕问题突出，必须按海拔高程对绝缘强度予以修正。还要校验输电导线、金具的电晕特性等。对于重冰区域输电线路设计来说，如何针对其地理、气象特点，准确划定冰区，既要确保重冰区地区输电线路投入安全可靠运行，又能有效控制好建设投资成本，是高海拔区域输电线路工程建设必须考虑的重要研究课题。
2、输电线路受重覆冰的危害分析
架空输电线路工程是由基础、杆塔、导线、地线、绝缘子和金具重要部分组成，输电线路受到重覆冰和自然风力联合作用，对输电线路受到重覆冰和自然风力联合作用，有必要对架空输电线路受自然灾害性过荷载事故进行受力分析。
(1)架空输电线路基础下沉或倒杆塔，当输电导线、架空地线和杆塔上有较厚重覆冰，当输电线路导、地线和杆塔上重覆冰达60～200mm，并有大风自然风力联合作用时，其输电线路基础所承载重量，是杆塔、导线、地线、绝缘子和金具自身重量;在输电导线、架空地线和杆塔上的覆冰重量;自然风力所产生的风偏作用力重量，是上述三大荷载重量的总和，其输电导线、架空地线杆塔和拉线上要承载数吨甚至数十吨的荷载重量承载力和拉力，当荷载重量承载力和拉力超出设计规范标准时，就有可能使输电导线路、架空地线和金具的某一连接环节率先断开，从而引起倒塔或断线事故。若是直线塔横担荷载的设计强度比较小，在重覆冰和自然风力联合作用过程中，也最容易形成拉断塔横担及塔头事故，倒杆塔引起的不平衡力，还可能导致将相邻杆塔顺序次拉倒等事故;杆塔荷载过重还可能引起杆塔基础不均匀下沉，甚至因冰冻造成水泥杆断裂、铁塔混凝土基础爆裂等事故。在我国西南部“三江并流”高山峡谷区域，山高坡徒，气象环境极为恶劣，严重的雨雪冰冻还将容易引发雪崩、滑坡、滚石、泥石流自然灾害，对杆塔基础造成极大的威胁，或者是直接的自然灾害性破坏。
(2)输电导线断线或抽芯，一般输电导线都是采用铝包钢绞线，因为外层铝的机械强度不是很高，荷载过重时可能导致压接管内的导线抽出或外层铝股断线，钢芯抽出的事故;当荷载远远大于导线或地线荷载耐承受值时，就可能导致整根输电导线被拉断，同时架空地线也被拉断，从而引起更大的断线倒杆塔灾难性事故。
(3)当输电线路承受荷载过重时，输电导线的弧垂将明显增大，当导线弧垂增大，致使导线与大地之间的绝缘空气距离减小，进而引起闪络甚至短路事故，并且弧垂的增大还增大了导线各相之间短路的机率，荷载过重时还可能导致金具、绝缘子损坏和拉线被拉断事故。非绝缘架空地线承受重覆冰大于输电导线时，其架空地线弧垂大于输电导线弧垂，架空地线弧垂点靠近输电导线弧垂点，当空气绝缘被击穿时，将发生闪烁事故。在一些特殊微气象区域，杆塔两侧档距覆冰可能不均匀或脱冰不同期，将会在杆塔两侧产生巨大的不平衡张力差;该张力差可使输电导线在线夹内滑动，产生不均匀、不同期脱冰及自然风力的作用受力，导致输电导线断线抽芯或断线，杆塔倒塌，绝缘子金具损坏等事故。
(4)绝缘子的冰闪事故，一是在绝缘子表面的覆冰在伞裙间形成冰凌使绝缘子串各个绝缘子间的‘冰凌-伞裙’空气间隙缩短，绝缘距离减小;二是绝缘子覆冰含有的导电杂质在融冰时形成导电水膜导致泄漏电流增大。并且覆冰分布不均还使得绝缘子串电压分布不均，这也大大降低了绝缘子局部闪络电压。
(5)输电导线弹跳舞动事故，是由于输电导线偏心重覆冰，在自然风力的空气动力特性作用下，引起的一种低频(0.1～3Hz)振荡，大振幅(导线直径的5～300倍)自激励振荡，输电线路舞动会造成金具损坏、输电导线断股、断线、断架空地线、断塔头、杆塔倾斜、变形及倒杆塔等现象。
3、在覆冰区域输电线路设计运维应研究解决的难题
由于输电线路存在重覆冰或不均匀覆冰状态下，铁塔承载较大荷载，输电导线和架空地线脱冰弹跳跃动时，覆冰绝缘子串耐压强度下降、覆冰厚度确定困难的特点，使重覆冰线路面临较多的设计与运维难题需要研究探讨解决。在高海拔重冰区域，一般处于云贵高原海拔较高的山脉区，横断山山脉(“三江并流”)各座山脉的高海拔特殊区域，而大部分区域气象台站均不能进行覆冰厚度的实地观测，加之输电导线、架空地线覆冰受海拔高度、微地形、微气象条件的很大影响，要准确地确定线路的设计覆冰厚度非常困难。在高海拔区域输电线路的设计研究分析、施工建设、验收及运维，绝对不能局限于国家技术规范标准，例(DL/T5092-1999)[S]《11～0500kV架空送电线路设计技术规程》、(GBJ233--1999)《110～500kV架空电力线路验收规范》，务必在国家技术规范标准基础上有新突破，有科技创新性新成果，例如输电线路设计架设跨越横断山脉的高黎贡山、碧罗雪山、梅里雪山及云岭山等，在海拔3500米以下，可按照国家技术规范标准要求，国家标准第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级三级气象区，进行覆冰受力设计或高海拔绝缘校核修正值，在高海拔3000米～3500米范围及一些局部微气象区，还必须作铁塔承载力、输电导线和架空地线受拉力的加强型设计创新性研究探讨;在海拔3500米以上，海拔每提高200米～300米为新设立一个重覆冰微气象区，并建议规定设立重覆冰微气象Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级三个气象区，并依据各种铁塔承载力、输电导线和架空地线受拉力进行加强型设计研究探讨，在每个重覆冰微气象区均务必进行铁塔承载力、输电导线和架空地线受拉力计算的设计校核，按照计算分析结果，确定各重覆冰微气象区的挡距大小，以保证高海拔重覆冰区域输电线路的安全可靠稳定运行。在高海拔重覆冰区域，由于输电导线的覆冰厚度增加，使得线路各个部件所承受的荷载较一般输电线路增加数倍，必须对线路各部件，如铁塔、导线、金具、绝缘子等进行特殊的设计计算分析，才能确保输电线路安全稳定运行。当绝缘子串覆重冰后，将引起绝缘强度的降低，泄漏电流增大，严重时可引起绝缘子串覆冰闪络事故。当输电线路上导线、地线脱覆冰舞动时，将会引起导线、地线的大幅弹跳跃动，易引起输电导线、架空地线之间、输电导线之间的混线，而空气隙绝缘被击穿引起闪络，需要在设计塔头布置上加以防范。当导线、地线重覆冰荷载很大时，金具将承受更大的荷载，设计金具应具有较高的机械强度和灵活的挂接与连接，以保证金具的长期安全运行。
4、在高海拔覆冰区域输电线路的设计原则
高海拔覆冰区域输电线路设计，包括路径选择、气象条件、微气象区重覆冰厚度确定、铁塔选择与受力计算分析、输电导线选择与排列方式、架空地线选择与是否采用绝缘架空地线、绝缘配合、金具设计和交叉跨越距离校核确定等。
4.1输电线路设计路径选择
在进行重冰区域输电线路的路径选择时，应结合沿途微气象条件，沿途杆塔周围地质构造、地形条件状态，应尽量避开沿途中的微气象段(点)突出，地质暴露于风化状的微气象、微地形区域，尽力减小重覆冰与自然风力的联合作用力造成破坏。输电线路途径尽量避开横跨风雪垭口，横着迎风坡面、孤立的山梁、茂密的原始森林和水源丰富的泥石流冲刷地带。输电线路在自然气象条件允许情况下，应尽力降低海拔高程,在跨越风雪垭口，迎风坡面及山梁时、应沿顺风方向、背风坡、原始森林边缘、避风山麓等荫蔽的地形走线，以利用屏障作用，减小严重覆冰及自然风力的破坏作用。为减小不均匀脱冰时输电导线弹跳跃动产生不平衡张力，高海拔重覆冰区域输电线路，应配置利用全数字摄影系统进行测量设计定位，并结合计算机排位软件，选择起伏不大的地形走线,当地形条件困难，必须采用大档距、大高差、大转角时，在进行设计受力精确计算，以保障高海拔重覆冰区域输电线路运行安全。
4.2高海拔重覆冰区域输电线路上覆冰厚度的观测、数据收取及设计确定
对沿线的各种地物和设施的覆冰情况进行收资调查，参考沿线已有设施运行经验进行覆冰厚度的推算;一般仅能对线路覆冰厚度大小进行定性分析，若用于定量分析，则会产生较大误差。在拟建输电线路沿线建立覆冰观测站(点)进行线路覆冰的观测，该方案花费较多，所需时间较长;但所得的数据可信度和准确性较高，用于对输电线路设计覆冰厚度的分析计算可得到较为可靠的数据，节省工程投资;对于投资较高的重要线路，一般采用第二种方法。
4.3输电导线与架空地线的设计选择
选择用铝合金股线绞制的钢芯铝合金绞线，可以充分发挥钢芯的作用，绞线在受力时应力分布更加合理,改善表层铝合金股线受力，较一般导线可以大大提高导线的抗冰能力。钢芯铝合金绞线还具有硬度大、耐磨性能好的特点，可有效地改善导线表面粗糙系数，从而减少电晕损耗。采用钢芯铝合金绞线后，由于其弧垂特性好，在合理地线支架高度下，为保证输电导线和架空地线之间的距离，架空地线需采用高强度钢绞线。
4.4高海拔重覆冰区域输电线路的铁塔设计选择
对于铁塔设计荷载，除考虑选用常年荷载的设计覆冰厚外，还应选择稀有荷载的冰厚验算，自然风力作用力的风速测定及受力验算;保证输电线路在常年的覆冰荷载(设计冰厚)条件下，输电线路的安全水平应达到常规线路的建设标准;在稀有冰荷载(验算覆冰)条件下，输电线路各部件材料应力允许达到屈服应力或弹性限度;在铁塔计算荷载组合上，除一般设计条件外，还应增加不均匀覆冰、脱冰时产生的纵向弯矩和扭矩荷载，以及验算覆冰过载等情况。
4.5高海拔重覆冰区域输电线路的绝缘配合设计
由于绝缘子串覆冰严重,其冰凌将绝缘子裙边桥接，当表面形成一层水膜后，使得泄漏电流增大，当泄漏电流增大到约200～300mA左右(与串长有关)时，就可能由局部弧光放电发展为闪络。覆冰后绝缘子串电压分布极不均匀,当冰凌开始融化时,首先在局部分布电压较高处出现火花放电。当泄漏电流继续增大,就会转化为白色弧光,当电弧延伸至1/3～1/2串长时就发展为闪络。输电线路在冰冻区域中，绝缘子串覆冰后会因闪络电压的降低而造成严重事故。所以对重冰区超高压输电线路，为确保线路运行安全必须对覆冰绝缘子串的耐压进行校验。需要指出的是，冰水导电率对绝缘子串覆冰闪络电压影响很大，重冰线路应尽量避开污秽区，对中、重污秽地区的覆冰绝缘子串耐压应进行仔细的分析研究。同时因绝缘子覆冰闪络电压随串长的增加而升高，重覆冰区域应优先采用裙间距大、结构高的绝缘子。
4.6高海拔重覆冰区域输电线路的金具设计
输电线路在重覆冰区域，由于输电导线与架空地线覆冰荷载很大，进入重覆冰期间金具将承受更大的荷载，故要求金具应具有较高的机械强度和灵活的连接方式，以保证金具的长期安全运行。在金具强度要求提高后，为避免尺寸过大，应采用高强度钢材制造，方便制造、运输和安装。同时为保证金具连接的灵活性，应对一般地区的金具联接型式进行改进，增加其各方面转动的灵活性。
4.7在杆塔定位中的交叉跨越要求
A、对于重要交叉跨越物,宜采用孤立档或可靠性高的连续档跨越;B、对于以孤立档跨越的重要被交叉物,应按验算重覆冰厚度条件进行设计计算校验;C、对于以连续档跨越的一般交叉跨越物、乡村主要道路、原始森林区、天然原始森林保护区、人工林或经济林木保护区，以及居民区附近地面,应按不均匀覆冰条件设计计算校验;D、对于可靠性高的连续档重要交叉跨越,应按邻档断线情况设计计算校验与被交叉跨越物的最小距离。
参考文献：
[1]110~500kV架空送电线路设计技术规程(DL/T5092-1999)[S]
[2]广东电网冰灾事故分析与应对措施研究[R].广州:广东省电力设计研究院,2008.
[3]对碧罗雪山特殊气象区域自然力破坏的的实践性探讨，《科技与创新》熊仲金
