《科技日报》:创新降冰魔 温暖满人间

    2008年初，一场史上罕见的大范围、长时间雨雪冰冻灾害肆虐了我国南方地区。严寒紧逼下，交通受阻、物资断供、信息隔绝的同时，电网受灾形势尤为严峻：覆冰倒塔70万余基，京广电气化铁路停运7天，1亿多人口停电、停水，湖南郴州几成“孤岛”……直接经济损失250亿元，正常社会生活秩序被严重扰乱。

    惨痛教训警醒人们，电网抵御雨雪冰冻灾害的能力必须大幅提升。

    覆冰倒塔：难以预测的电网天敌

    冰冻灾害，被称为威胁电网安全运行的最大天敌。1998年1月5日至10日，北美地区遭受严重的电网冰灾，加拿大电网倒塔3万6千余基，造成400多万人口停电，仅魁北克省经济损失就高达20亿美元；2005年，华中局部地区电网遭严重雨雪冰冻袭击，500千伏线路覆冰倒塔25基……而2008年初发生于我国南方多地的这场冰灾，更以其范围广、时间长、灾情重而在世界电网史上留下惨痛记忆。

    为降服冰灾，相关技术研究已在国内外开展了近40年。但由于其极端复杂性，尚有大量关键技术有待突破，国际上迄今未能系统性解决。

    比如电网覆冰预测。据“电网大范围冰冻灾害预防与治理关键技术及成套装备”项目组成员、国网湖南省电力公司湖南电科院防灾实验室高工张红先介绍，由于涉及气象、电磁学、热力学、地理学等多个学科，此前国内外专家学者普遍认为电网冰灾难以预测。

    “窗口很窄”：覆冰为什么不能预测？

    覆冰之所以引发倒塔，是因为在特定条件下，冰水在导线表面附着、凝结，造成导线加粗、增重，及遇风舞动，导致悬架导线的两端杆塔应力及结构改变，杆塔承受不住导线重力而倒塌。

    输电线路覆冰，是温度、湿度、风速、地形等各种因素复杂作用的结果。张红先解释，覆冰的特定条件，是在高空温度高于0℃、地面温度低于0℃，一个“很窄的窗口”内，一种低于0℃但尚未来得及结冰的“过冷却水”附着的导线上，凝结成冰层。覆冰的严重程度，跟多种偶然因素相关。因此，在国际上，对电网覆冰的预测，一直是空白。

    世界上电网冰灾多发地区包括北美、俄罗斯、日本、中国等。而国内冰灾频发地区主要是温度、湿度、风速与覆冰形成的最佳气象条件耦合的省份，如湖南、贵州、江西、浙江等，此外在北方地区，由国网冀北公司管辖的山西广灵、灵丘“空中草原”地区，近年来也发生过严重的电网覆冰灾害。

    预测、融冰、防冰闪：三大难题有待攻克

    痛定思痛，国家电网公司把“大幅提升电网抵御雨雪冰冻灾害的能力”作为履行央企社会责任的重大课题，迅速启动电网防冰减灾研究，确保“电网不垮、县城不黑、重要用户不停”。作为2008年电网冰灾首当其冲的重灾区，湖南省电力公司承担了电网冰灾预测、冰情监测、交直流融冰和绝缘子防冰闪等6项关键课题研究，由湖南省电力系统引进的第一位博士――陆佳政领衔承担。

    陆佳政介绍，电网冰冻灾害防治是名副其实的“世界性难题”。冰冻灾害频发的美国、加拿大、日本等发达国家，在此领域进行了数十年探索而未果，仍有三大难题有待攻克：电网覆冰预测技术与电磁学、气象、地理学等众多因素相关，且相互影响，极为复杂；电网融冰要求功率大、快速，而冰灾范围广，融冰装置需求多，必须做到经济实用，极为矛盾；大面积防冰闪停电，要求数十万支覆冰绝缘子同时不发生闪络，极为困难。

    鉴于国际上尚无成熟的电网防冰技术，急需构建我国电网冰灾预防与治理技术体系。

    冰情监测：为电网抗冰夯实基础

    陆佳政深知任重道远。为了能按时间节点完成研发任务，他带领湖南省电力公司电科院、湖南省气象局、中国电科院、重庆大学等组成的项目组成员，几乎放弃了所有周末和节假日休息时间，攻关团队每人每天工作时间达14小时以上，大家已经习惯了“五加二”、“白加黑”的工作节奏。

    为了能收集现场第一手冰情资料，陆佳政团队连续三个春节驻守邵阳、郴州、娄底等输电线路冰情现场，收集自然条件下的覆冰观测数据，累了就在农舍里睡一会，饿了就泡上一碗方便面，经常夜里九、十点才能吃上晚饭。课题组先后现场收集了30余条110千伏及以上覆冰线路数据，为开展覆冰机理、冰情监测等研究提供了详实的基础资料。

    为了解决恶劣天气条件下冰情监测摄像头易发生结冰或被浓雾覆盖、无法清晰拍摄现场冰情的难题，项目组制定了数十种技术方案，针对每一种技术方案，在－15℃以下的人工气候室反复实验验证。不论冬夏，团队技术人员都穿着厚厚的棉大衣，钻进冷冻室对一个一个数据进行采集，一冷一热，容易感冒，但他们仍带病坚持试验。经过300余次的试验和改进，终于攻克了恶劣条件下冰情监测系统稳定性和可靠性难题，研制出了具有覆冰图像防雾、抗电磁干扰能力强等特点的红外动态图像监测装置，为开发高可靠性输电线路覆冰自动监测系统奠定了基础。覆冰自动监测装置投入应用以来，已在湖南、广东等地区布点340余套，运行可靠率高，为抗冰提供及时清晰的信息。

    “日地气耦合”：冰情预测难题告破

    针对电网覆冰预测这第一大难题，陆佳政联合湖南省电科院、湖南省气象局等组建了多学科覆冰预测攻关组，收集整理了过去60年全省覆冰资料，绘制了上万张太阳黑子、副热带高压、电网地形等因子与覆冰的关系图，力图从海量的数据资料中分析寻找各因子的影响与规律。

    对一个电气工程学科出身的人来说，冰情预测无疑超出了陆佳政的专业范围，但他痴心不改，深信能够找出有用规律。有一次出差在机场候机，他与同行人员摊开资料，专注地讨论覆冰与相关影响因子的关系，对机场广播的登机通知置若罔闻，竟然坐在登机口边把航班给误了。

    在研究太阳黑子关系图时，项目组发现历史上四次特别严重覆冰均发生在太阳黑子的极值年附近，电网特别严重覆冰重现期约为12年，与太阳黑子的周期基本一致，改变了过去特别严重覆冰50年或100年一遇的观点，提高了对抵御冰灾重要性的认识。

    项目组从海量的覆冰因子关系图中，理清了气象参数与电网覆冰之间的关系，发现了影响电网覆冰的17个关键因子，首次揭示了“日地气耦合”电网覆冰规律，研究提出了电网覆冰长、中、短期预报方法，开发了国际首套电网覆冰自动预报系统，成功解决了电网冰情预测预报这一世界性难题。

    1/5―1/10：融冰装置性价比大优

    对输变电设备进行融冰是解决电网冰灾危害的最直接手段。2008年冰灾前，输电线路直流融冰技术仅在加拿大Levis变电站得到工程应用。2008年南方冰灾后，国内很多专家学者提出要引进加拿大融冰装置。但该装置造价高达2亿元、占地多达20亩，相当于“再建一个变电站”。

    为了研制出具有自主知识产权的直流融冰装置，陆佳政团队深入研究了加拿大Levis变电站直流融冰装置技术原理及性能参数，发现谐波大是其关键问题。为了彻底解决谐波大的问题，陆佳政经常彻夜冥思苦想，一天夜里，已是凌晨，张红先的电话突然响起，陆佳政兴奋地告知，终于找到了解决谐波问题的办法，并请立即召集项目组开会讨论。

    通过半年多的试验和分析，项目组先后进行了10余种拓扑方案论证，出具的仿真计算报告长达1000多页，终于提出了新型整流变压器消除谐波、二极管整流减少发热的关键技术线路，不断优化改进融冰拓扑原理，大幅降低装置体积和造价，造价仅相当于国外产品的1／10，体积仅相当于其1／5―1／10。目前，项目组已研制了不同容量、3个系列9种型号的直流融冰装置，性价比大大优于国内外同类产品。同时建立了从高压到低压、从交流到直流、从固定式到移动式、从导线到地线、从主网到农配网的全方位融冰体系，极大地提高防冰融冰应急处置的效果和效率。

    系统突破：项目获国家科技最高奖

    2008年冰灾中，大量输电线路因冰闪发生跳闸停电。为了恢复送电，电力职工冒着严寒登上寒风凛冽的铁塔实施人工除冰，11名电力职工为此献出了宝贵的生命。如何防止线路冰闪跳闸停电，也是一项尚未攻克的世界难题。

    为了揭示线路冰闪跳闸机理，开发出高性能的防冰闪绝缘子，陆佳政团队开展了绝缘子防冰闪试验研究。由于长期呆在低温、潮湿的试验环境里，感冒、咳嗽成了家常便饭，项目组坚持完成了上千次冰闪试验。功夫不负有心人，一种大盘径、长间距防冰闪复合绝缘子终于研制成功，其抗冰闪电压较同类产品显著提高，攻克了电网防冰闪停电关键技术。

    经历700多个日日夜夜，陆佳政团队终于系统攻克了电网防冰减灾的世界性难题，取得了集理论、技术和装备于一体的创新成果。项目组共发表SCI及EI论文160多篇，出版专著2部，获国家发明专利10项、实用新型专利28项、软件著作权2项，制定了《输电线路电流融冰技术导则》等2项标准。在第十四届国际大气结构物覆冰会议(IWAIS)上，陆佳政被推选为大会副主席，并作了“电网冰灾防治技术”的专题发言，项目组发表的10多篇论文受到了加拿大、英国等国专家学者的极大关注。“电网大范围冰冻灾害预防与治理关键技术及成套装备”获得2013年度国家科技进步一等奖。

    推广应用：实施成功无例外

    2008年以来，项目组开发的电网覆冰预测技术已准确预测了南方9省市发生的33次不同程度的电网覆冰，为应对电网大范围冰冻灾害赢得了宝贵时间；开发的电网覆冰自动监测系统已在湖南、广东等省份推广340多套，彻底改变了过去人工覆冰观测劳动强度大、效率低、实时性差的历史；研制的直流融冰装置已在南方冰灾易发省份推广应用100多套，成功实施了数百次现场融冰，融冰成功率达100%；防冰闪复合绝缘子已在200千伏及以上线路推广8000多支，有效防止冰凌桥接，减少污秽晶析，应用线路未发生一起冰闪跳闸事故……该项目研发的系列产品已推广应用至湖南、江西、安徽、浙江、重庆等9个省份，实现销售额12亿多元，节约线路抗冰改造投资达63.5亿元。

    南方不少风电场位于冰冻天气多发的高寒山区，送出线路抗冰问题影响至关重要。以湖南最大风电场――邵阳南山风电场为例，其送出线路110千伏南儒线经过严重覆冰区，并网投运时间因此一拖再拖。课题组及时设计研制了直流融冰装置并应用于现场，为该风电工程建设节省投资近2000万元，有效降低了其风电机组弃风率，实现了顺利投运。

    湖南郴州是世界上覆冰最严重的微地形、微气象区域之一，历年均遭受不同程度冰灾袭击。2012年12月，课题组提前一周预测到该地区将再次发生严重电网覆冰，一周后冰冻雨雪天气如期而至，覆冰监测系统实时监测到输电线路覆冰最厚达40毫米。此次冰冻灾害期间，采用了项目研制的直流融冰装置，对覆冰严重线路实施了10余次密集融冰，未发生一起倒塔断线；安装了防冰闪绝缘子的线路，未发生一起冰闪跳闸事故。

    在气候变化、极端灾害天气呈上升趋势的大背景下，陆佳政博士团队将依托投资近2亿元建成的国网输变电设备防冰减灾技术重点实验室，全面开展电网防冰、防山火、防暴雨洪涝等防灾技术研究创新正未有穷期。