“3.22”商洛地區(qū)覆冰災(zāi)害調(diào)查

晁 銳，馮曉旭

(陜西省電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710054)

“3.22”商洛地區(qū)覆冰災(zāi)害調(diào)查

晁 銳，馮曉旭

(陜西省電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710054)

根據(jù)“3.22”商洛地區(qū)覆冰災(zāi)害的事故統(tǒng)計(jì)和現(xiàn)場調(diào)研情況，從天氣系統(tǒng)、氣象要素和地理環(huán)境等方面分析本次覆冰災(zāi)害的原因。針對(duì)本次事故所反映的問題，從設(shè)計(jì)、運(yùn)行等方面提出相應(yīng)建議。

輸電線路；覆冰；氣象。

1 概述

3月22日～3月23日陜西省商洛地區(qū)受強(qiáng)冷空氣侵襲，境內(nèi)普降雨雪，氣溫降至0 ℃左右，降水量達(dá)49.1 mm，其中山陽、丹鳳縣普降大雪，傍晚時(shí)分，山陽縣短時(shí)間降雪深度達(dá)到100 mm。惡劣天氣致使線路覆冰，造成電力設(shè)施嚴(yán)重受損，商洛電網(wǎng)6條110 kV、8條35 kV輸電線路跳閘，尤其是10 kV配網(wǎng)線路損失嚴(yán)重，大面積倒桿、斷線，3座35 kV變電站設(shè)備受損，造成6座35 kV變電站停電，因事故搶修被迫停運(yùn)3座35 kV變電站，33條10 kV配網(wǎng)線路發(fā)生倒桿斷線。其中，10 kV倒(斷)桿998基，斷線269.22 k m；0.4 kV線路倒(斷)桿7659基，斷線662.20 km，涉及28個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)396個(gè)行政村1131個(gè)臺(tái)區(qū)停電，約33萬人口的生產(chǎn)生活受到嚴(yán)重影響。

2 山陽縣氣候概況

山陽縣屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的季風(fēng)性半濕潤山地氣候。山陽縣氣候溫和，但垂直差異大。年平均氣溫13.1 ℃，極端高溫38.9 ℃，極端低溫-16.4 ℃，平均相對(duì)濕度69 %，年平均降水量703.1 mm，年最大積雪深度30 cm，年最大凍土深度17 cm。

由于鶻嶺、鄖嶺和流嶺等“三嶺”均由西向東蜿蜒伸展，地勢(shì)均呈西高東低、北高南低，加之秦嶺主脊天然屏障阻擋、減弱冬季北方冷氣團(tuán)入侵勢(shì)力，還有漢江支流的金錢河河谷有利于南方濕熱氣流的伸進(jìn)，配置成帶性和區(qū)域性錯(cuò)綜復(fù)雜的氣候關(guān)系。

3 覆冰的種類及災(zāi)害范圍

3.1 輸電線路覆冰的種類及特性

覆冰按形成條件及性質(zhì)可分為雨凇、霧凇、混合凇和濕雪等。

⑴雨凇

雨凇是粒徑較大的過冷卻水滴，碰撞在物體上，先散開成水膜然后凍結(jié)成冰凌，呈濕增長方式。冰體透明堅(jiān)固，比重大，一般為0.6 g/cm3～0.9 g/cm3，黏附力強(qiáng)，常伴有冰柱。

⑵霧凇

霧凇是粒徑較小的過冷卻水滴，隨氣流浮動(dòng)，在碰擊物瞬間即凍結(jié)成冰凌，呈干增長方式。冰體白色疏松，比重小，一般為0.1 g/cm3～0.4g/cm3，黏附力較弱，通常在物體的迎風(fēng)面凍結(jié)。

⑶混合凇

當(dāng)不同粒徑的過冷卻水滴，隨氣流浮動(dòng)，在碰撞物體瞬間，部分呈干增長，部分呈濕增長。冰體呈半透明狀，比重中等，一般為0.4 g/cm3～0.6 g/cm3，常在物體的迎風(fēng)面凍結(jié)，有一定的黏附力。

⑷濕雪

凍結(jié)的雪片，在降落過程中，通過一段溫暖層后，雪片趨于潮濕、融化，然后凍結(jié)在物體上，冰體呈白色堆積狀，比重和附著力均較小，比重一般為0.1 g/cm3～0.5 g/cm3。

根據(jù)對(duì)災(zāi)害事故的現(xiàn)場勘察以及救援人員對(duì)當(dāng)時(shí)覆冰情況的描述，我們認(rèn)為本次覆冰類型為霧凇與濕雪的混合物。

3.2 災(zāi)害范圍及事故類型

本次冰雪災(zāi)害主要發(fā)生在以山陽縣為中心的商洛市大部分地區(qū)，周邊的丹鳳、鎮(zhèn)安、柞水等縣也有局部受災(zāi)。

通過查閱相關(guān)線路的設(shè)計(jì)資料，本次雪災(zāi)受損高壓輸電線路的設(shè)計(jì)覆冰厚度分別為5 mm和10 mm。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查、分析線路受損的類型主要有三類：一是導(dǎo)、地線覆冰，線路弧垂降低帶電距離減小，造成線路放電、短路故障；二是導(dǎo)、地線覆冰超過應(yīng)力極限，造成斷線；三是導(dǎo)、地線、塔覆冰超過桿塔、橫擔(dān)荷載，造成桿塔倒塌、傾斜以及橫擔(dān)變形、折斷等。

4 災(zāi)害事故原因分析

為了全面客觀地分析本次輸電線路受損的原因，我們前往事故現(xiàn)場進(jìn)行現(xiàn)場勘察，并在供電和氣象等部門收集相關(guān)資料。通過天氣系統(tǒng)、氣象要素和地理環(huán)境貌等諸多方面對(duì)本次災(zāi)害事故的發(fā)生過程及事故原因進(jìn)行分析研究。

4.1 覆冰過程的區(qū)域天氣系統(tǒng)分析

3月22日08點(diǎn)500 hPa高空?qǐng)D上，大氣環(huán)流形勢(shì)為一脊一槽型，貝湖附近為低槽區(qū)，南支槽位于漢中到四川中部(圖1)，地面冷鋒南壓到關(guān)中以南(圖2)，低層700 hPa在四川中部—安康—商洛—河南為一低渦切變(圖3)：

圖1 線路覆冰狀況

圖2 桿塔受損狀況

圖3 2010年3月22日08時(shí)海平面氣壓場

圖4 2010年3月22日08時(shí)500hPa高度場

圖5 2010年3月22日08時(shí)700hPa風(fēng)場

22日晚500 hPa形勢(shì)沒有大的變化從西南地區(qū)到商洛市維持西南氣流，700 hPa的切變南壓，且冷溫槽剛好壓到商洛市上空，冷暖氣流在其上空交匯，產(chǎn)生大范圍的雷電及強(qiáng)降水天氣，由于高空冷空氣較強(qiáng)，使得低層氣溫急劇下降，從而產(chǎn)生暴雪天氣。因此，本次冰雪災(zāi)害事故的主要原因是由于天氣系統(tǒng)和大氣環(huán)流活動(dòng)劇烈導(dǎo)致天氣條件突變、氣溫驟降引發(fā)的。

4.2 山陽縣氣象站的代表性分析

山陽縣氣象站位于山陽縣城關(guān)鎮(zhèn)西河村許家彎村民組前平地“鄉(xiāng)村”，北緯33°33′，東經(jīng)109°52′，海拔高度660.2 m，建站于1959年1月。

山陽縣為本次冰雪災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)，山陽縣氣象站地處山陽縣中部偏北，對(duì)于全縣大部分地區(qū)在30 km控制范圍之內(nèi)，對(duì)輸電線路的氣象條件具有較好的代表性。但由于山陽縣氣象站位于河谷地帶，地勢(shì)較低，而大部分輸電線路走在山區(qū)，海拔相對(duì)更高，地形也更為復(fù)雜。因此，輸電線路所處地區(qū)的氣溫相對(duì)更低；風(fēng)速也相對(duì)更大。

4.3 覆冰過程的氣象要素分析

為了更好的分析本次覆冰災(zāi)害，我們收集了山陽縣氣象站同期觀測的氣象要素，并根據(jù)收集到的資料繪制覆冰同期相關(guān)氣象要素變化圖，如下：

圖6 覆冰同期相關(guān)氣象要素變化圖

導(dǎo)線覆冰首先是由氣象條件決定的，是受溫度、濕度、冷暖空氣對(duì)流、環(huán)流以及風(fēng)等因素決定的綜合物理現(xiàn)象。導(dǎo)線覆冰的必要?dú)庀髼l件是：①具有足可凍結(jié)的氣溫，即0 ℃以下；②具有較高的濕度，即空氣相對(duì)濕度一般在85 %以上；③具有可使空氣中水滴運(yùn)動(dòng)之風(fēng)速，即大于1 m/s的風(fēng)速。

根據(jù)調(diào)查，本次線路覆冰增長階段主要發(fā)生在22日21時(shí)至23日8時(shí)這一時(shí)段。從圖6可以看出，本時(shí)段氣象站的平均溫度維持在0℃左右、相對(duì)濕度約為100 %、風(fēng)速為0 m/s～1 m/s、降水量約為32.7 mm、積雪深度達(dá)100 mm。

山陽縣氣象站的海拔高度為660.2 m，但是輸電線路走徑大多位于海拔1000m以上的山上，高于氣象站300 m以上。由于山陽縣境內(nèi)再無其它氣象站，根據(jù)對(duì)流層氣溫直減率的平均值0.65 ℃/100 m來推算輸電線路處的溫度約為-2 ℃左右；考慮到線路處的海拔更高且地形復(fù)雜，風(fēng)速也相對(duì)更大一些。滿足了上述覆冰的氣象要素外，加上當(dāng)時(shí)降水的配合，最終形成了本次冰雪災(zāi)害事故。

4.4 根據(jù)調(diào)查覆冰進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)冰厚的換算及分析

由于線路覆冰種類多，同時(shí)覆冰厚度與線路所經(jīng)過地區(qū)的氣象條件、線路走徑、所處高程、地形地貌、線路特性等有關(guān)。現(xiàn)場發(fā)生的覆冰厚度衡量對(duì)比的手段是根據(jù)調(diào)查點(diǎn)的調(diào)查冰厚換算為標(biāo)準(zhǔn)冰厚。

根據(jù)DL/T5158—2002《電力工程氣象勘測技術(shù)規(guī)程》提供的技術(shù)方法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)冰厚，即：

式中：B0為標(biāo)準(zhǔn)冰厚，mm；R為覆冰半徑(包括導(dǎo)線)，mm；r為導(dǎo)線半徑，mm；Ks為覆冰形狀系數(shù)(Ks=b/a)；ρ為實(shí)測或調(diào)查覆冰密度，g/cm3。

通過對(duì)災(zāi)害事故現(xiàn)場的實(shí)際情況(現(xiàn)場地形地貌勘察、救援人員的口述)分析，我們認(rèn)為本次覆冰類型霧凇與濕雪的混合物，密度取0.2～0.4較為合適，通過計(jì)算得出本次最大覆冰厚度為16.4 mm，一般覆冰厚度在7 mm～13 mm之間。

4.5 對(duì)事故點(diǎn)地理環(huán)境的分析

山陽縣地處秦嶺南坡，絕大部分是群山綿亙，主要山脈有流嶺、鶻嶺和鄖嶺，基本呈東西走向。流嶺位于北部，一般海拔在1600 m～1900 m之間；鶻嶺橫貫中部，最高海拔2074 m；南部為鄖西大梁，一般海拔在1640 m～1842 m之間。

從本次事故發(fā)生的范圍和所處的地形地貌條件來看，覆冰嚴(yán)重地區(qū)位于山陽縣的流嶺、鶻嶺和鄖嶺及周邊地區(qū)，這一地區(qū)海拔在1700 m～2100 m，均高于四周地形，地形復(fù)雜，氣候多變。每年冬春季節(jié)，南北氣流交匯，霧氣凝滯，與適宜的溫度、濕度、風(fēng)速等氣象條件配合，易于形成導(dǎo)線覆冰。

根據(jù)現(xiàn)場勘察，本次線路覆冰事故在微地形地段發(fā)生較多。例如本次受災(zāi)最嚴(yán)重的35 kV杏戶線5#塔嚴(yán)重扭曲、倒塌，就位于戶恒九里坪南坡半山腰的埡口處。這些地段本來屬于微地形區(qū)段，易造成冷暖氣流在抬升與下沉過程中交匯，形成微氣候條件，造成比其他地區(qū)更嚴(yán)重的冰情而引起事故發(fā)生。

經(jīng)過對(duì)現(xiàn)場的勘察，本次事故發(fā)生較多的微地形主要包括以下地段：

⑴地形突然抬升的陡坡地段。

⑵線路走徑靠近河流的地段。

⑶風(fēng)口、埡口和分水嶺等特殊地形。

此外，根據(jù)現(xiàn)場的覆冰特點(diǎn)來看，高海拔地段比低海拔覆冰要重，迎風(fēng)面比背風(fēng)面要重。

5 結(jié)論和建議

5.1 結(jié)論

通過對(duì)本次冰災(zāi)事故全面調(diào)查收資和對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)計(jì)算分析，我們認(rèn)為本次冰雪災(zāi)害事故主要是由于極端天氣引發(fā)的，屬于偶遇事件，并不能從根本上改變?cè)摰貐^(qū)氣象分區(qū)的性質(zhì)，但局部微地形地段應(yīng)考慮適當(dāng)提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)鐵塔、導(dǎo)線留有余度，避免超設(shè)計(jì)荷載情況發(fā)生。

5.2 建議

⑴本次災(zāi)害中，35 kV以上線路主要在微地形微氣候地段發(fā)生冰災(zāi)事故，因此，建議在線路的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該加強(qiáng)微地形微氣候的分析，從設(shè)計(jì)上提高電網(wǎng)的抗冰能力。

⑵由于本次覆冰災(zāi)害事故對(duì)主網(wǎng)影響較小，但10 kV配網(wǎng)線路損失慘重，共有33條10 kV配網(wǎng)線路發(fā)生倒桿斷線。因此，建議對(duì)配網(wǎng)改造進(jìn)行統(tǒng)籌安排，提前改造，提高配網(wǎng)的抗冰能力。

⑶由于我省目前覆冰觀測資料較少，建議在覆冰較重地區(qū)及重要輸電走廊地區(qū)設(shè)立長期觀冰站，積累覆冰資料，為電網(wǎng)設(shè)計(jì)提供第一手觀測資料。

⑷電力部門應(yīng)該加強(qiáng)與氣象部門的合作，對(duì)易產(chǎn)生覆冰事故的天氣進(jìn)行提前預(yù)測，做好覆冰事故的防范工作。

⑸應(yīng)該做好冰災(zāi)事故的應(yīng)急預(yù)案，一旦發(fā)生冰災(zāi)事故，能夠在第一時(shí)間做出反應(yīng)，將事故損失降低到最小程度。

[1]DL/T 5158—2002，電力工程氣象勘測技術(shù)規(guī)程[S]．

[2]DL/T 5440—2009，重覆冰架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S]．

[3]趙永生，王富榮，等．我國南方地區(qū)電網(wǎng)覆冰事故分析及應(yīng)對(duì)措施研究[J]．電力勘測設(shè)計(jì)，2009，(1)．

[4]陳家瑂．導(dǎo)、地線覆冰成因及影響因素的分析與思考[J]．江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，(21)．

[5]Masoud Farzaneha.黃新波等譯．電網(wǎng)的大氣覆冰[M]．北京：中國電力出版社，2010．

[6]周淑貞，等．氣象學(xué)與氣候?qū)W[M]．北京：高等教育出版社，2004．

Investigation of "3.22" Ice Disaster in Shangluo

CHAO Rui, FENG Xiao-xu
(Shaanxi Electric Power Design Institute, Xi’an 710054, China)

According to the accident statistics and fi eldwork of "3.22" ice disaster in Shangluo,the article analyse the causes of this disasters from the weather system,meteorological and geographical factors.In allusion to the problem re fl ected from the icing accident,we presents some measures to design and operation.

transmission lines, icing, weather.

P462

B

1671-9913(2011)01-0033-04

2010-11-04

晁銳(1985-)，男，助理工程師，主要從事電力工程水文氣象勘測工作。