Loftlínur á Íslandi eiga brátt 130 ára sögu. Fyrsta línan sem eitthvað kvað að var símalína sem reist var milli Reykjavíkur og Hafnarfjarðar árið 1890.
Hvað veldur ísingu á loftlínum?
Árið 1906 var lögð 614 km löng símalína frá Seyðisfirði um Norðurland til Reykjavíkur í tengslum við lagningu sæsíma (ritsíma) frá Hjaltlandi um Færeyjar til Seyðisfjarðar. Fyrsta alvarlega símabilunin varð á Haugsöræfum á Norðausturlandi 1. nóvember 1906. Þegar viðgerðarmaður kom á staðinn sá hann að á löngum kafla lágu báðir vírar í tætlum á jörðinni, kúlurnar brotnar og járnkrókarnir beygðir niður. Af því að miklar deilur höfðu orðið um símaframkvæmdirnar var í fyrstu talið að um skemmdarverk væri að ræða, en brátt varð mönnum ljóst að þarna hafði ísingin verið í fyrsta skipti á ferðinni. Hefur hún allt til þessa dags verið einn skæðasti skaðvaldur í rekstri loftlína hér á landi.
Reynslan af rekstri loftlína sýnir að búast má við ísingu hvar sem er á landinu. Flest vandamál tengd ísingu hafa verið af völdum slydduísingar samfara miklum vindi. Slydduísing getur myndast allsstaðar en er algengust við ströndina á Norðvestur-, Norður- og Austurlandi. Í slydduísingu hefur ísingarþvermál á dreifilínum með 12 mm leiðara oft mælst á bilinu 7-15 cm samfara vindhviðum á bilinu 25-40 m/s.
Skýjaísing er einnig vel þekkt á loftlínum þar sem hæð yfir sjó er yfir 300 m, sérstaklega á fjöllum þar sem opið er fyrir hafáttir. Skýjaísing hefur verið minna vandamál en slydduísing þar sem tiltölulega fáar loftlínur hafa legið um slík svæði. Frostregn hefur sést á loftlínum hér á landi en ekki verið til vandræða.
Tíðni og áhleðsla slydduísingar er meiri hér á landi en í flestum öðrum löndum. Ástæða þess er umhleypingasöm veðrátta með tíðum hitasveiflum um frostmarkið, auk þess sem vindhraði er meiri en almennt gerist.
Mynd 1 Dæmi um tjón vegna ísingar á dreifikerfi raflína, og er þá einkum átt við 11 kV dreifilínur á tréstaurum. Myndin sýnir fjölda brotinna staura ásamt mati á ísingarþvermáli og ríkjandi vindátt.
Helstu gerðir ísingaráhleðslu
Helstu gerðir ísingaráhleðslu sem reyna á styrk háspennulína eru:
- Slydduísing
- Skýjaísing
- Frostregn
Slydduísing
Snjókorn sem eru blaut festast við hluti sem þau lenda á en þurr snjókorn festast ekki. Slydda hleðst gjarnan á loftlínur þegar lofthitastig er 0 til 2 °C og vökvainnihald snjókorna er milli 15-40%. Ísingaráhleðslan er einkum háð úrkomumagni, vindhraða og hitastigi. Við aukinn vindhraða berst meiri slydda að en á móti kemur að festihlutfallið er talið minnka með vindhraðanum. Rúmþyngd slydduísingar á Íslandi mælist gjarnan á bilinu 650-850 kg/m3. Þetta er meiri rúmþyngd en þekkist víðast erlendis og skýrist einkum af því að hér er vindhraði meiri á myndunartíma ísingar og er algengt að hann sé 10-25 m/s.
Skýjaísing
Skýjaísing myndast þegar undirkældir vatnsdropar, í skýjum eða þoku berast yfir land, snerta hluti og snöggfrjósa. Rúmþyngd skýjaísingar getur verið á víðu bili og ísingargerðirnar sem myndast geta verið frá lausu hrími (rúmþyngd 200-600 kg/m3) í það að vera þétt hrím (rúmþyngd 600-900 kg/m3), jafnvel glerungur (rúmþyngd 900 kg/m3). Samspil vindhraða og hitastigs hefur töluverð áhrif á ísingarmyndunina.
Frostregn
Frostregn getur myndast þegar regndropar í hlýju lofti (yfir 0°C) falla í gegnum nokkur hundruð metra lag af köldu lofti (undir 0°C) nærri jörðu. Regndroparnir verða undirkældir, þ.e. í vökvaástandi en með hitastig undir frostmarki, t.d. -1 til -5°C. Ísingin sem myndast er glerungur (rúmþyngd 900 kg/m3) og ísingaráhleðslan er einkum háð úrkomumagni, hitastigi og vindhraða. Frostregn hefur ekki verið til vandræða á loftlínum hér á landi en er vandamál víða erlendis, t.d. í Kanada og Bandaríkjunum.
Mynd 2 Áhrif vindustífleika á ísingaráhleðslu.
Áhrif víra á ísingaráhleðslu
Ísingaráhleðsla er almennt meiri á víra sem geta snúist en á önnur mannvirki með sama ástreymisflatarmál. Þetta á sérstaklega við um slydduísingu. Mynd 2 sýnir hvernig ísing hleðst upp áveðurs á vír sem getur snúist og vír sem getur ekki snúist. Þar sem vírar geta snúist eykst ástreymisflatarmálið og hringlaga þversnið myndast. Ef vír getur ekki snúist myndast ískjölur sem brotnar reglubundið af þegar ísvængurinn er orðinn langur. Vírar geta snúist í nokkra hringi við slydduísingaráhleðslu, mynd 3 er dæmi um slíkt.
Mynd 3 Hringlaga áhleðsla slydduísingar. Leiðari hefur snúist nokkra hringi.
Ísingarrannsóknir og rekstur tilraunalína
Sökum tíðleika og magns ísingar á Íslandi er mjög mikilvægt að safna áreiðanlegum gögnum um ísingu og vind til að nýta við hönnun nýrra loftlína og styrkingu eldri lína. Íslendingar hafa í mörg ár verið mjög framarlega í ísingarrannsóknum á háspennulínum og er sú vinna nú að frumkvæði Landsnets. Hefur Árni Jón Elíasson hjá Landsneti leitt þessar ísingarrannsóknir í meira en 40 ár. Skipta má ísingarrannsóknum á Íslandi í þrennt:
- Mælingar á ísingu í tilraunalínum og loftlínum í rekstri
- Skipuleg söfnun og skráning ísingar og vistun í gagnagrunn
- Ísingarreikningar sem byggja á veðurfarslegum líkanreikningum
Mikilvægt skref í ísingarrannsóknum var stigið árið 1972 þegar rekstur tilraunalína hófst, en hvatinn að þeim voru hugmyndir um lagningu byggðalínu og loftlínu yfir hálendi Íslands milli Norður- og Suðurlands. Á þeim tíma var loftlínukerfið nær allt í byggð, eða á fjallvegum milli byggða, og var lítið vitað um ísingarhættu á miðhálendinu og víðar.
Mynd 4 Staðsetning tilraunalína fyrir ísingarmælingar.
Tilraunalínur
Hér á landi eru margar tilraunalínur sem mæla ísingarálag með því að mæla átak í mælivír. Mynd 4 hér að ofan sýnir tilraunalínur sem Landsnet starfrækir í dag. Flestir mælistaðirnir eru fjarri byggð og í 350-1.000 m hæð yfir sjó. Mælingar í tilraunalínum sýna að tíðni ísingar og ísingarálag er mjög breytilegt og ræðst mikið af staðháttum, svo sem hæð mælistaðar miðað við umhverfi, hæð yfir sjó, fjarlægð frá sjó og hversu opið er til sjávar. Á mörgum mælistöðum eru tvær eða þrjár mæliálmur og mæla þær ísingaráhleðslu úr mismunandi áttum. Víða sést verulegur munur á ísingaráhleðslu eftir stefnu tilraunalínu. Neðangreind mynd frá Landsneti sést hvernig mesta slydduísingaráhleðsla er talin vera á landinu frá 1994-2014. Byggt á veðurfarslegum líkanreikningum sem Belgingur framkvæmdi.
Mynd 5 Mynd frá Landsneti. Slydduísingaráhleðsla 1994-2014. Unnið af Belgingi fyrir Landsnet.
Áreiðanleiki raforkuflutnings með tilliti til ísingarhættu
Reynslan sýnir að dreifikerfi raforku sem að mestu er rekið á 11 kV spennu og var að mestu byggt upp á sjötta til áttunda áratugnum hefur víða reynst of veikbyggt til að þola mikla ísingu. Gagnagrunnur um ísingartilvik á loftlínum reyndist mikið hjálpartæki þegar hafist var handa við að setja 11 kV dreifikerfið í jörðu. Ísingarhætta hefur verið ráðandi þáttur við forgangsröðun strenglagna í dreifikerfinu.
Á undanförnum árum hefur skráðum tilvikum um ísingu á loftlínum í dreifikerfinu fækkað og má einkum rekja það til þess að þær loftlínur sem voru ítrekað að brotna hafa nú verið settar í jörðu. Varðandi háspennulínur sem hannaðar hafa verið eftir 1980, hefur verið lögð rík áhersla á að fá gott mat á ísingarhættu og vindhraða áður en hönnun hefst. Algengt er að hafa álagsforsendur breytilegar fyrir hvern línukafla. Sem dæmi má nefna að nú stendur yfir bygging 220 kV Kröflulínu 3 frá Kröflu að Fljótsdal. Við hönnun Kröflulínu 3, sem er 121 km löng, var háspennulínunni skipt í 20 álagssvæði. Á öllum svæðum er búist við slydduísingu en þar sem línan liggur hæst yfir sjó er einnig hannað fyrir skýjaísingu.
Eftir að farið var að meta sérstaklega álag vegna ísingar og vinds fyrir allar nýjar flutningslínur, og hanna þær með tilliti til þess, hefur áreiðanleiki þeirra aukist mikið. Ísing hefur verið óverulegt vandamál á nýrri línur.
Meginflutningskerfi raforku er hannað fyrir verulega hærra veðurfarsálag en dreifikerfið.
Með þeim ísingarrannsóknum sem hafa verið gerðar á undanförnum áratugum hefur safnast mikil þekking um ísingarhættu og hefur verið tekið tillit til hennar við hönnun loftlína.
Mynd 6 Þann 11. september 2012 hlóðst mikil ísing á hluta af Kópaskerslínu 1, sem er 66/132 kV flutningslína frá Laxárvirkjun að Kópaskeri. Hér sést stæða sem brotnaði undan ísþunga á Reykjaheiði.