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摘要：高压输电线路是电力传输的生命线工程，随着我国高压、超高压和特高压电网的建设，输电线路覆冰问题是影响电网安全运行的重要因素，覆冰事故已严重威胁了我国电力系统的安全运行，因此，高压输电线路抗冰灾问题是亟待解决的重要课题。本文从导地线和输电塔的覆冰模型、覆冰断线倒塔破坏机理、覆冰气象条件塔- 线体系可靠性等方面，全面分析了高压输电塔- 线体系抗冰灾的研究现状、存在的问题及未来发展趋势，提出了相应的对策和措施以及今后的研究重点，为指导输电线路工程设计、安全运行、检修维护以及设计规范和标准修订具有重要意义。
关键词：高压输电线路； 覆冰模型； 断线冲击； 可靠性； 模型实验
1 存在的问题及不足
（1） 关于雨凇覆冰模型预测的研究。由于导线覆冰受气象、地形及地理条件、导线结构和表面电场等影响，因此目前国内外关于导线覆冰机理和模型的研究成果依然不很完善。引发导（地） 线断线和倒塔的覆冰多为雨凇覆冰，尽管国内外提出了几种雨凇覆冰模型，但这些模型在预测同一气象条件下的覆冰荷载时差别较大，需对模型进行修正方可应用。此外，没有针对规范或标准按不同的气象区给出相应的雨凇覆冰模型的确切公式。再者，对于导地线和杆塔的覆冰只给出了均匀覆冰情况的模型，没有进一步给出非均匀覆冰模型。对于铁塔的覆冰模型，目前只有角钢塔的均匀覆冰模型，对于钢管塔、组合结构塔及其它格构式杆塔的均匀和非均匀覆冰模型尚有待于进一步研究。
（2） 覆冰断线倒塔破坏机理的研究。以往关于输电线路覆冰断线倒塔破坏机理的研究只从静力学角度出发，没有考虑断线冲击荷载的影响，并缺少理论和模型实验的验证。研究输电线路断线没有考虑导（地）线覆冰、输电塔覆冰的影响，没有充分考虑塔- 线耦合。导（地） 线覆冰以后，弹性模量和刚度以及导（地） 线的比载都发生了变化，覆冰断线和无覆冰断线的冲击动力响应有很大的区别。输电线路断线倒塔不仅和断线冲击荷载有关，而且与输电塔本身覆冰荷载有关。
（3） 关于高压输电线路覆冰断线的现场实测和模型试验研究还属于空白，从国内外公开发表的研究成果来看，未见现场实测和模型试验数据的资料。
（4） 关于高压输电线路覆冰断线冲击动力学的基础理论研究欠缺，没有从理论研究、试验分析和数值模拟等方面形成系统的理论研究体系。对于高压输电线路覆冰断线造成输电塔倒塔的动态全过程数值模拟的相关成果未见报道。
（5） 架空输电线的覆冰问题涉及到电气学、力学、气象学、空气动力学等。由于输电塔线系统的高柔性、强非线性、塔与线之间的耦联性，使得其在覆冰荷载作用下的静力和动力响应尤为复杂。由于这一问题的复杂性和在实验室模拟自然界覆冰环境的困难性，使得对覆冰问题的研究不管是理论上还是实验上均进展缓慢。
（6） 覆冰气象条件塔- 线体系可靠性研究不够完善，对于重冰区而言目前输电线路覆冰可靠度设计标准是偏低的。铁塔设计是严格依据设计规范进行的，而规范是在大量资料积累的基础上，综合考虑结构安全可靠性和建设的经济性提出的，所采用的铁塔结构分析方法也限于小变形和材料线性假设的范围。至于铁塔结构的大变形以及构件材料的非线性对铁塔结构的承载能力影响则没有考虑，也就是说按现行设计规范设计的铁塔还应该具有过载的能力，实际承受载荷的能力要比设计标准的高，但是"高"的程度及如何充分利用这部分承载能力，目前还没有相关的研究报道。
2 进一步研究的问题及解决的对策
2.1 输电线路雨凇覆冰模型的研究
（1） 通过大量的调研，了解我国主要冰灾地区如华中、华东、华南、西南等地区近50 a 来冰灾发生情况，主要包括覆冰形成机理、覆冰类型、输电线路破坏情况，同时掌握各地气象台站近年来提供的有关气象资料，为各典型气象区雨凇覆冰模型预测的研究提供资料积累。
（2） 深入揭示架空导线覆冰机理、准确描述覆冰过程的增长模型，应该反映出导线结构、环境因素和气象条件对导线覆冰形式、冰形生长方式和结冰热物理过程及流体力学的耦合影响和作用机制； 并能在复杂的物理和边界条件下对导线表面不同覆冰类型进行准确的模拟。
（3） 针对高压输电线路的雨凇覆冰模型开展理论研究，针对典型气象区，给出导（地） 线雨凇覆冰模型的适用表达式，在此基础上提出常用类型的杆塔和导（地） 线非均匀覆冰的力学模型，为输电线路抗冰灾设计和力学性能分析提供基础。
2.2 输电线路覆冰断线倒塔破坏机理的研究
（1） 研究分析在重覆冰条件下输电线路杆塔的破坏特点和规律。基于大范围调研冰灾引起的输电线路杆塔破坏情况，针对各典型塔型，计算其在极端覆冰工况下的受力，找出杆塔设计的薄弱环节； 研究重覆冰条件下档距与耐张段长度的确定原则及制订防止多基杆塔连环倾覆的措施； 并通过模型试验验证，提出重冰区杆塔设计的合理化方案。
（2） 从能量角度出发构建高压输电线路覆冰导（地） 线断线的能量泛函，利用变分方法建立冲击动力学方程，进而求得断线的冲击动力响应。
（3） 进一步通过模型试验得到导（地） 线覆冰断线的冲击荷载时间历程以及冲击荷载效应； 最后，利用数值模拟技术，建立高压输电塔- 线体系的精细化三维有限元模型，充分考虑塔- 线覆冰以及二者之间的耦合效应，研究覆冰荷载引发导（地） 线瞬时断线、断线跌落过程以及与地面碰撞摩擦过程，冲击荷载对整个结构体系的作用，得到覆冰断线的动力冲击系数和冲击响应，并与试验结果进行比对，验证数值模拟结果的正确性，对导（地） 线断线和输电塔倒塔的全过程进行动态数值模拟。
（4） 通过理论研究、试验分析和数值模拟相互验证，建立高压输电塔- 线体系覆冰断线冲击的动力学理论体系，揭示输电线路覆冰断线冲击、倒塔破坏机理，研究成果可为高压输电线路的设计、加固及维修决策提供理论依据，同时为架空输电线路设计规范和标准的修订提供重要的参考价值。
2.3 输电线路覆冰气象条件可靠性研究
（1） 输电线路覆冰可靠度评估系统。采用时变可靠度理论，考虑材料、几何尺寸、外部荷载等的变异，对于大型输电塔- 线结构的极限功能函数不能用显式表达的可靠度评估问题，在已有理论的基础上，提出一种自动调整样本点取值区间策略的改进迭代求解真实极限状态曲面的方法，将可靠度理论与有限元分析相结合，编制可用于大型高压输电塔- 线体系在正常使用极限状态下和承载能力极限状态的可靠度评估程序，主要评估高压输电塔- 线耦联体系在不同典型气象区覆冰荷载下结构体系和可靠度与安全性，同时研究各种随机因素变异时高压输电塔- 线体系可靠度的变化规律，为输电线路工程设计、安全运行、检修维护提供了科学的理论依据。
（2） 输电线路覆冰可靠性设计标准的研究。鉴于冰灾中线路设备受损严重，有必要深入研究线路的抗冰可靠性设计，包括确定合理的重冰区设计参数和覆冰工况组合，分析比较不同设计标准对线路造价的影响等，在设计环节提高线路本体抵御自然灾害的能力。对于大跨越和大高差、所在地区气候条件变化频繁的重冰区输电线路设计，可先按已有设计规范的进行设计，当设计水准难以满足要求时，应在覆冰可靠性分析和实验研究成果基础上，适当提高设计标准，提出重覆冰区的可靠性设计方法，实现重冰区输电线路局部化设计，以增强抵抗冰灾的能力。
3 结语
本文指出了目前高压输电塔- 线体系抗冰灾研究中存在的问题和不足，具体从导地线和输电塔的覆冰模型、覆冰断线冲击的动力学分析理论、模型实验和数值模拟方法、塔- 线体系覆冰可靠性等方面提出了当前迫切需要进行研究的内容与方向，以揭示高压输电线路覆冰断线以及倒塔破坏的机理，增强抵抗冰荷载灾害性破坏的能力及完善高压架空输电线路设计的标准。
关键词：高压输电线路； 覆冰模型； 断线冲击； 可靠性； 模型实验
1 存在的问题及不足
（1） 关于雨凇覆冰模型预测的研究。由于导线覆冰受气象、地形及地理条件、导线结构和表面电场等影响，因此目前国内外关于导线覆冰机理和模型的研究成果依然不很完善。引发导（地） 线断线和倒塔的覆冰多为雨凇覆冰，尽管国内外提出了几种雨凇覆冰模型，但这些模型在预测同一气象条件下的覆冰荷载时差别较大，需对模型进行修正方可应用。此外，没有针对规范或标准按不同的气象区给出相应的雨凇覆冰模型的确切公式。再者，对于导地线和杆塔的覆冰只给出了均匀覆冰情况的模型，没有进一步给出非均匀覆冰模型。对于铁塔的覆冰模型，目前只有角钢塔的均匀覆冰模型，对于钢管塔、组合结构塔及其它格构式杆塔的均匀和非均匀覆冰模型尚有待于进一步研究。
（2） 覆冰断线倒塔破坏机理的研究。以往关于输电线路覆冰断线倒塔破坏机理的研究只从静力学角度出发，没有考虑断线冲击荷载的影响，并缺少理论和模型实验的验证。研究输电线路断线没有考虑导（地）线覆冰、输电塔覆冰的影响，没有充分考虑塔- 线耦合。导（地） 线覆冰以后，弹性模量和刚度以及导（地） 线的比载都发生了变化，覆冰断线和无覆冰断线的冲击动力响应有很大的区别。输电线路断线倒塔不仅和断线冲击荷载有关，而且与输电塔本身覆冰荷载有关。
（3） 关于高压输电线路覆冰断线的现场实测和模型试验研究还属于空白，从国内外公开发表的研究成果来看，未见现场实测和模型试验数据的资料。
（4） 关于高压输电线路覆冰断线冲击动力学的基础理论研究欠缺，没有从理论研究、试验分析和数值模拟等方面形成系统的理论研究体系。对于高压输电线路覆冰断线造成输电塔倒塔的动态全过程数值模拟的相关成果未见报道。
（5） 架空输电线的覆冰问题涉及到电气学、力学、气象学、空气动力学等。由于输电塔线系统的高柔性、强非线性、塔与线之间的耦联性，使得其在覆冰荷载作用下的静力和动力响应尤为复杂。由于这一问题的复杂性和在实验室模拟自然界覆冰环境的困难性，使得对覆冰问题的研究不管是理论上还是实验上均进展缓慢。
（6） 覆冰气象条件塔- 线体系可靠性研究不够完善，对于重冰区而言目前输电线路覆冰可靠度设计标准是偏低的。铁塔设计是严格依据设计规范进行的，而规范是在大量资料积累的基础上，综合考虑结构安全可靠性和建设的经济性提出的，所采用的铁塔结构分析方法也限于小变形和材料线性假设的范围。至于铁塔结构的大变形以及构件材料的非线性对铁塔结构的承载能力影响则没有考虑，也就是说按现行设计规范设计的铁塔还应该具有过载的能力，实际承受载荷的能力要比设计标准的高，但是"高"的程度及如何充分利用这部分承载能力，目前还没有相关的研究报道。
2 进一步研究的问题及解决的对策
2.1 输电线路雨凇覆冰模型的研究
（1） 通过大量的调研，了解我国主要冰灾地区如华中、华东、华南、西南等地区近50 a 来冰灾发生情况，主要包括覆冰形成机理、覆冰类型、输电线路破坏情况，同时掌握各地气象台站近年来提供的有关气象资料，为各典型气象区雨凇覆冰模型预测的研究提供资料积累。
（2） 深入揭示架空导线覆冰机理、准确描述覆冰过程的增长模型，应该反映出导线结构、环境因素和气象条件对导线覆冰形式、冰形生长方式和结冰热物理过程及流体力学的耦合影响和作用机制； 并能在复杂的物理和边界条件下对导线表面不同覆冰类型进行准确的模拟。
（3） 针对高压输电线路的雨凇覆冰模型开展理论研究，针对典型气象区，给出导（地） 线雨凇覆冰模型的适用表达式，在此基础上提出常用类型的杆塔和导（地） 线非均匀覆冰的力学模型，为输电线路抗冰灾设计和力学性能分析提供基础。
2.2 输电线路覆冰断线倒塔破坏机理的研究
（1） 研究分析在重覆冰条件下输电线路杆塔的破坏特点和规律。基于大范围调研冰灾引起的输电线路杆塔破坏情况，针对各典型塔型，计算其在极端覆冰工况下的受力，找出杆塔设计的薄弱环节； 研究重覆冰条件下档距与耐张段长度的确定原则及制订防止多基杆塔连环倾覆的措施； 并通过模型试验验证，提出重冰区杆塔设计的合理化方案。
（2） 从能量角度出发构建高压输电线路覆冰导（地） 线断线的能量泛函，利用变分方法建立冲击动力学方程，进而求得断线的冲击动力响应。
（3） 进一步通过模型试验得到导（地） 线覆冰断线的冲击荷载时间历程以及冲击荷载效应； 最后，利用数值模拟技术，建立高压输电塔- 线体系的精细化三维有限元模型，充分考虑塔- 线覆冰以及二者之间的耦合效应，研究覆冰荷载引发导（地） 线瞬时断线、断线跌落过程以及与地面碰撞摩擦过程，冲击荷载对整个结构体系的作用，得到覆冰断线的动力冲击系数和冲击响应，并与试验结果进行比对，验证数值模拟结果的正确性，对导（地） 线断线和输电塔倒塔的全过程进行动态数值模拟。
（4） 通过理论研究、试验分析和数值模拟相互验证，建立高压输电塔- 线体系覆冰断线冲击的动力学理论体系，揭示输电线路覆冰断线冲击、倒塔破坏机理，研究成果可为高压输电线路的设计、加固及维修决策提供理论依据，同时为架空输电线路设计规范和标准的修订提供重要的参考价值。
2.3 输电线路覆冰气象条件可靠性研究
（1） 输电线路覆冰可靠度评估系统。采用时变可靠度理论，考虑材料、几何尺寸、外部荷载等的变异，对于大型输电塔- 线结构的极限功能函数不能用显式表达的可靠度评估问题，在已有理论的基础上，提出一种自动调整样本点取值区间策略的改进迭代求解真实极限状态曲面的方法，将可靠度理论与有限元分析相结合，编制可用于大型高压输电塔- 线体系在正常使用极限状态下和承载能力极限状态的可靠度评估程序，主要评估高压输电塔- 线耦联体系在不同典型气象区覆冰荷载下结构体系和可靠度与安全性，同时研究各种随机因素变异时高压输电塔- 线体系可靠度的变化规律，为输电线路工程设计、安全运行、检修维护提供了科学的理论依据。
（2） 输电线路覆冰可靠性设计标准的研究。鉴于冰灾中线路设备受损严重，有必要深入研究线路的抗冰可靠性设计，包括确定合理的重冰区设计参数和覆冰工况组合，分析比较不同设计标准对线路造价的影响等，在设计环节提高线路本体抵御自然灾害的能力。对于大跨越和大高差、所在地区气候条件变化频繁的重冰区输电线路设计，可先按已有设计规范的进行设计，当设计水准难以满足要求时，应在覆冰可靠性分析和实验研究成果基础上，适当提高设计标准，提出重覆冰区的可靠性设计方法，实现重冰区输电线路局部化设计，以增强抵抗冰灾的能力。
3 结语
本文指出了目前高压输电塔- 线体系抗冰灾研究中存在的问题和不足，具体从导地线和输电塔的覆冰模型、覆冰断线冲击的动力学分析理论、模型实验和数值模拟方法、塔- 线体系覆冰可靠性等方面提出了当前迫切需要进行研究的内容与方向，以揭示高压输电线路覆冰断线以及倒塔破坏的机理，增强抵抗冰荷载灾害性破坏的能力及完善高压架空输电线路设计的标准。