2008年1月12日,在人们眼里很诗情画意的雪花一改往日温柔,以50年罕见的强势肆虐我国南方10多个省份。暴雪纵横之处,铁塔倾倒,线路中断,电网大面积失电。据资料统计,截至2008年2月15日,低温和雨雪冰冻灾害造成南方电网区域内贵州、广西、广东和云南4省区电网共7502条线路停运,856个变电站停运。其中有28条500千伏线路和192条220千伏线路停运,有6个500千伏变电站和37个220千伏变电站停运。灾害造成南方电网供电范围内90个县市和1556个乡镇受停电影响,直接经济损失超过数十亿。
研究高电压输变电与外绝缘技术及输电线路覆冰及防护技术多年的重庆大学博士生导师蒋兴良教授介绍,其实自上世纪50年代以来,我国输电线路已发生大大小小的覆冰事故上千次,已严重威胁到我国电力系统的安全运行。然而半个多世纪以来,中国国内甚至全世界都还没有比较行之有效的办法来解除冰灾影响,电网“破冰”基本上没能扭转被动迎击的局面。
冰祸之源
据了解,中国是世界上输电线路覆冰最为严重的国家之一,冰灾事故具有持续时间长、发生频率高、覆盖面积大等特点,湖南、湖北、贵州、江西、云南、四川、河南及陕西等地皆为我国冰灾多发区。
国内著名线路防冰专家戚大安认为,目前,世界上很多国家的电网冻雨、湿雪、寒雾频繁发生,输电线路覆冰闪络、暴风雪闪络、寒雾闪络经常引起跳闸断电,甚至倒杆倒塔,这一切既有全球气候变暖等方面的原因,也有电网日益扩大且长距离、大负荷送电的线路大量增加,许多输电线路要经过复杂的微地形、微气象区域等不可回避的地理和气象方面的原因,还有设计和建设的输电线路抗御自然灾害的标准偏低、输电线路相线结构发生根本变化和环境污染日益严重而没有采取相应的抗御电网覆冰等自然灾害的措施等原因。
戚大安说,因为人类过度地使用煤炭和石油等化石燃料,超过大气超载能力地排放二氧化碳、甲烷、氮氧化合物等温室气体,从而影响了地球所吸收的太阳热量的有效释放,使整个地球变成了一个温室。全球气候变暖是电网冰灾的罪魁祸首。因为气候变暖会直接改变大洋冷流和暖流循环交换的速度和程度,导致热的地方变得更热,冷的地方变得更冷,出现极端寒冷和极端炎热的恶劣气候。
“全球气候变暖,还会导致大面积气候紊乱,有可能暖冬和冷冬交替出现。”以前,东北地区冬天是干冷气候,下干雪不粘输电线路,现在也下起湿雪或雨夹雪并导致电网覆冰。而贵州、广东等省原来是亚热带地区,冬天很少下雪,现在也下起了湿雪、冻雨和冰雹,贵州和广东北部山区电网近年来就连续发生过覆冰断电灾害。
“西电东送”和“南北互供”让我们获取了巨大利益,但其弊端也日益显露。有专家称,随着我国电网的大规模发展,电源点尤其是水电站到用电负荷中心的距离越来越远,往往要跨过崇山峻岭进行远距离大容量送电,并且这些线路要多次通过微地形、微气象区域,这些区域中有的是高寒重覆冰区,有的是迎风冰雪区,有的是寒风通道,有的是污秽和冬季里的浓舞区。极端气候条件下这些地区的灾情将更为频繁和严重。
不仅如此,电网抗御覆冰和暴风雪灾害的标准偏低也是线路“脆弱”的一个主要因素。戚大安介绍,目前华中和西北电网输电线路设计的抗覆冰能力一般为10毫米左右,最大为15毫米。而在历史上,尤其是2000年以来华中和西北电网的一些重冰区段实际覆冰直径为50毫米,最大时达到了100~300毫米。“不只是导线、地线强度不够,杆塔、绝缘子和间隔棒、金具、拉线等也达不到实际抗御电网覆冰和暴风雪袭击的强度要求。”戚大安说其实国内其他地区电网也存在类似的问题。
还有专家认为,除尘和除硫不达标的工业锅炉排放的大量污染物,也会让这些高耗能企业附近地区的输电线路更容易“遇险”。“大量的污染物附着在线路、绝缘子、铁塔、金具等设施上后,影响了输电设施表面的光滑度,使其憎水和憎冰雪的性能下降,为覆冰和积雪创造了良好的条件,大大增加了电网安全稳定运行的危险系数。
破冰”之旅
早在1954年,我国就曾发生过有气象记录以来的第一次输电线路冰灾事故。到了上世纪70年代,陕西省宝鸡供电局曾自主研发实施了全国首创的“带负荷融化线路覆冰技术”,即利用线路本身,通过自耦变压器升压后在双分裂导线形成回路,产生电流,通过导线发热自动融化覆冰。
那么,宝鸡供电局的融冰技术可否在全国其他地区的电网推广应用呢?中国电力促进会秘书长姜绍俊告诉记者,宝鸡供电局该项技术尽管对维护辖区内的线路效果较好,但仍有很大的局限性。对于高海拔的复杂山地地形、大面积的覆冰和高等级电压的线路,这项技术很难完全发挥作用。
戚大安说,尽管最近几十年国内已经研究和采用了许多较实用的技术措施,但从实际的效果来看,这些技术还不能适应电网除融冰的现实需要。目前国内最常用的除冰办法还是依靠人力完成。由于输电线路覆冰最严重的地段一般都不是整条线路,而是一条线路中的几档或十几档,最恶劣的覆冰灾害也有几十千米至100千米左右。所以通常都是线路工用木棍、竹竿等最原始的工具对最严重的覆冰线路进行敲击。还有一种办法就是利用起重机、绝缘作业工具车或带电直接作业方式。
记者了解到,除了机械人工除冰,目前主要的技术措施还有n种。一种是在预先知道的严重覆冰区的线路上附加热源,或利用自身的热源加热,让导线的温度保持在冰点以上。一种是在电力线路表面涂上具有憎水性的涂料,使导线表面十分光滑,降低水与电力线路表面的附着力,使冰雪在遇到风时能自然脱落。第三种常用的技术是采用一种表面很光滑的导线,这种技术适合云南和四川等省的高寒地区采用。另外还有用阻雪环、抗扭阻尼器和装设积雪重锤等措施。但据业内人士介绍,目前国内外生产的防冰涂料普遍效果不理想。而采用特殊材料导线自身发热防冰融冰,大多在国外使用较多,国内尚无经验可循。
对症下药不如标本兼治。业内人士认为,自然灾害是最无常的,被动的防治永远赶不上自然的善变。要从根本上有效解决电网输电线路覆冰灾害,还是要坚持技术突破与环境治理双管齐下。一方面借鉴吸收国内外解决线路覆冰的方法之优点,形成一套立足长远的技术体系;另一方面,要做好开源节流的环保大文章。
戚大安认为,要减少电网输电线路的覆冰几率,就要从减小全球温室效应上多注意。科学开发集中于四川、西藏、云南的我国70%以上未被开发的水电资源,加快特高压输电线路的发展速度。同时坚定不移地在沿海地区和河南、湖北、湖南、重庆、四川等内地省市积极发展核电。另外还要充分利用潜在的风力和太阳能光伏发电资源。
“电子狗”梦
“随着西部大开发、西电东送电力发展战略的实施及1000千伏交流、±800千伏直流超高压、特高压输电线路的建设,将有越来越多的超高压、特高压交、直流输电线路跨越峡谷、河流、微气象地区,输电线路覆冰将不可避免。”蒋兴良教授觉得,针对我国输电线路覆冰特点和原因建立起一套观测预防系统,扭转长期以来对冰灾的被动防范特别重要。
目前在国内的湖南电网公司、湖北电网公司都运用了覆冰检测预警系统,如果局部线路发生异常气象,该系统就会像汽车里安装的“电子狗”一样,发出提示信号报警。
专家介绍称,在美国和新西兰等国,很早就开展借助现代计算机技术、无线通信方式、图像压缩技术以及新电源技术,对输电线路导线覆冰、舞动、气象条件等方面进行在线监测的工作。在中国,开发输电线路覆冰预警系统也已成为可能。该系统通常包括现场测量单元、通信网络和后台专家系统三个部分。现场测量单元包括摄像头、各种传感器以及电源等,通过这些配置采集现场图像、输电线路张力、输电线路温度、绝缘子倾角参数、线路附近气象参数等;然后把现场采集的数字信号经过通信系统送到位于监控中心的后台系统,通信系统通常利用无线公网的GPRS或GMS业务;后台专家系统通过专家软件分析现场传来的信号,判断线路覆冰、舞动以及绝缘等情况,同时管理历史数据,再向用户发布信息和图像。
而该系统的优势是,首先在覆冰严重山区可取代建立高造价的观冰站。其实,掌握沿线导线的温度、倾角-弧垂、气象条件、线路走廊的视频情况,能在覆冰初期及时发现,给运行单位处理覆冰事故提供依据,有利于将覆冰事故消除在萌芽状态,提高覆冰区线路的安全运行水平。另外,全面收集和长期积累沿线导线的温度、倾角-弧垂、气象条件,还能为输电线路设计、运行维护和电网系统经济调度提供基础数据。线路走廊的视频监测在平常也可用于防止外力破坏电力设施。
记者从有关方面获知,针对今年云南、广东、广西和贵州出现的严重覆冰灾情,南方电网公司已经在着手研究建设南方电网输电线路覆冰预警系统。该系统将分两级,南方电网公司设置总监控中心,各省公司(超高压分局)分别建立输电线路覆冰预警子系统,分别配置现场采集单元和分监控中心。该系统建成后,将有效提高南方电网防冰抗冰的能力,将冰灾消除在初始阶段。