輸電線路冰區勘測方法

楊華

（西南電力設計院，成都市，610021）

0 引言

目前，輸電線路冰區勘測沒有嚴格的規范，有時設計人員憑感覺或簡單套用劃分冰區，進行輸電線路相關設計，出現了大量覆冰倒塔斷線事故，造成了嚴重的經濟損失。本文根據20余年的線路冰區勘測經驗和西南電力設計院導線覆冰觀測研究成果，以及電力行業水文氣象技術交流會成果，系統地歸納總結出了輸電線路冰區勘測方法。運用此法可提高輸電線路冰區劃分的精度，提高輸電線路經濟合理性和安全運行可靠度。

1 區域覆冰氣候分析

我國幅員遼闊，不同地區的覆冰氣候差異較大，可分為南方型、北方型、中低海拔型、高海拔型、山區型和靜止鋒型。不同類型的環流形勢差異較大，北方型和高海拔型屬先冷后暖，氣溫低，水汽少，導線覆冰一般不大，遭遇強暖濕氣流會形成較大覆冰；南方型和中低海拔型屬先暖后冷，水汽豐富，遭遇強冷氣流會形成較大覆冰；靜止鋒型屬冷暖氣團對峙，持續時間較長，易形成大覆冰，我國靜止鋒主要有滇黔靜止鋒、華南靜止鋒和江淮靜止鋒，云貴高原東北部、湖南、江西等地區均在靜止鋒影響范圍內；山區型屬地形對氣流影響較大，形成較多微氣候覆冰，對氣流影響嚴重的山區易形成特大覆冰，氣象要素在山區中不同海拔、不同坡向存在明顯差異，從而形成山頂、埡口、風口、迎風坡和山谷、背風坡的覆冰在量級上存在巨大差異，山區的部分谷地幾乎沒有覆冰，而山勢較高處通常每年都有覆冰。

南方覆冰嚴重區域主要有偏東路徑和北方路徑兩種冷空氣入侵路徑。（1）偏東路徑影響區域：大地形呈現西高東低，局地地形則為西、北、南三面環山，向東開口的盆地及環山內側。如：地處川西橫斷山脈的夾金山余脈的二郎山區域，地處云貴高原東部的云南東北部和貴州全省。（2）北方路徑影響區域：大地形為南側有東西山脈阻擋或西、南、東三面為較大山脈，向北開口的盆地及與盆地相連的環山內側。如：位于雪峰山、羅霄山、南嶺包圍的湖南中部區域，四川盆地向川西南山區過渡區域。

北方六盤山、崆峒山區域嚴重覆冰主要受西伯利亞南下強冷空氣和四川盆地北上曖濕氣流共同影響所致。

在線路冰區勘測準備階段，應根據線路路徑或初擬路徑進行區域覆冰氣候分析，確定線路區域覆冰氣候特點，對線路覆冰大小進行初步定性判斷，粗略確定線路輕、重冰區地段，針對性地制定和研究現場冰區勘測方案。

2 覆冰收資調查

2.1 覆冰收資內容

（1）沿線已建送電線路的設計冰厚，投運時間，運行中的實測、目測覆冰資料，以及冰害事故記錄、報告，線路冰害事故收資應包括事故時間、地點、海拔、地形特征、冰厚、冰重、桿（塔）型、桿（塔）高、線徑、檔距和事故后的修復標準。

（2）沿線郵電通信線路的設計冰厚、線徑、桿高和運行情況，以及冬季打冰措施和打冰情況、實測覆冰圍長、厚度、冰重。

（3）沿線高山氣象站的觀測資料以及無線電通訊基站、道班的冰害事故記錄和報告。

（4）沿線氣象臺站、觀冰站點實測覆冰資料和大覆冰的起止時間與同時氣象條件，對特大覆冰應收集相應天氣系統過程。

（5）沿線覆冰照片和攝像資料。

（6）民政局覆冰災情報告及檔案局覆冰災情記錄文獻史料。

2.2 覆冰調查

2.2.1 覆冰調查范圍

線路沿線和與其地形、氣候類似的區域。對于重冰區段宜1～2 km布設1個調查點，對微地形（風口、埡口、分水嶺、突出山頂、迎風坡、水體等）影響嚴重段應加密調查點，對于中、輕冰區段宜2～10 km布設1個調查點。

2.2.2 覆冰調查內容

（1）覆冰地點、海拔、地形、覆冰附著物種類、型號及直徑、離地高度、走向。

（2）覆冰的形狀、長徑、短徑和冰重。

（3）覆冰性質與密度（顏色、透明程度、堅硬程度、附著力）。

（4）覆冰重現期，包括歷史上大覆冰出現的次數、時間、冰害及排位情況。

（5）覆冰持續日數，天氣情況（氣溫、濕度、風向、風力、下雨、下雪、起霧等）。

2.2.3 覆冰調查對象

氣象、電力、通訊、廣電、交通、工礦等部門的運行、管理、維護人員，覆冰事故搶修人員及當地知情人，特別是高山電視臺、微波站、氣象站和公路道班的冬季值班者。

2.2.4 覆冰調查技巧

（1）調查前認真組織和計劃，圖上布置調查點，針對本線路準備好覆冰調查提綱。

（2）調查中靈活機動，抓關鍵，抓重點，捕捉新線索，并做好詢問引導（如：用歷史重大事件引導大覆冰發生時間調查，用是否容易打掉引導附著力調查）；對路徑走廊內已建線路和樹枝覆冰進行實測、攝像，查找并標注路徑走廊內覆冰嚴重的微地形地段；對重冰區和微地形地段，應進行重點調查，逐段查勘，查明重冰區的分級、分界與各級重冰區的長度；對中、輕冰區，應進行沿線普查，查明中、輕冰區的分界與長度。

（3）調查后要結合收集的資料和踏勘調查情況仔細分析調查資料，對覆冰性質與量級分區勾繪在地形圖上，檢查是否有矛盾或遺漏，及時補做相應工作。

3 覆冰微地形判別

3.1 風口和埡口

風口：谷地伸入山地，成為風口，風口的下方是狹長的峽谷。

埡口：連續山梁的一塊相對較低的平坦位置，是山峰與山峰相接的地點。立于埡口，可感受到兩端氣候、植被的轉折。

3.2 分水嶺

分隔相鄰2個流域的山嶺或高地，河水從這里開始流向2個相反的方向。

3.3 迎風坡和背風坡

覆冰期間，主導風向的風順著山坡往上吹的即迎風坡，順著山坡往下吹的即背風坡。

迎風坡比背風坡降水多，迎風坡比背風坡雪線海拔低，迎風坡比背風坡居民少，迎風坡林高草茂，而背風坡是低矮雜樹或灌木叢，迎風坡多云霧天氣。

降水在迎風坡上不同高度大小不同，山麓和山頂地帶降水少。山麓地帶氣流抬升不夠，成云致雨少；山頂部分空氣濕度已經大大降低，因而云雨少。山體的中部降水最多，易形成腰凌。

3.4 山脊

山脊為一條狹長而兩側陡急的高地，頂上可能平坦、廣闊或成刀口等形狀，兩側坡度則可能均勻一致，或一側急直，一側緩和，多見于廣闊平坦地區，此外，地勢較周圍高聳而綿長的，也可視為山脊。

4 覆冰資料分析

4.1 覆冰資料可靠性評價

調查覆冰資料有定性資料和定量資料，定量資料大部分為目測數據，常常出現較大誤差，調查對象選擇不當或缺乏調查技巧，都會產生一些不符實際的覆冰資料。因此，對調查覆冰資料應進行“去粗取精，去偽存真，由此及彼，由表及里”審查，通過區域性的低溫、降水、冰凌、大雪天氣資料審查其發生時間是否一致，通過附近氣象站或觀冰站點實測資料和冰害情況審查出現大冰凌的可能性。通過表1可以評價覆冰資料可靠性。

4.2 覆冰資料代表性分析

首先，對覆冰資料按區域、海拔、地形（含微地形）進行分段分類整理，專業人員實測資料應注明實測，主要分析實測、可靠和較可靠資料，對比線路（分段）海拔和地形植被情況分析覆冰資料對線路（分段）的代表性。

4.3 覆冰重現期確定

一般采用經驗頻率法確定調查覆冰重現期，對調查和實測覆冰特大值需運用覆冰史料及天氣情況分析確定其重現期。南方地區可根據附近氣象站逐年最長低溫持續時間系列，采用P-Ⅲ型頻率適線法計算確定線型，再運用實測或調查覆冰年份的最長低溫持續時間查此線型，從而確定覆冰重現期。

4.4 覆冰性質判定

覆冰性質分為雨淞、霧淞、混合凍結和濕雪四種類型。不同類型的覆冰，其密度往往存在較大差別。各種覆冰在不同地區對線路的危害也不相同，如：濕雪對華東地區、雨淞對湘黔等省、雨霧淞混合凍結對川陜一帶線路危害較大。因此，應仔細判定覆冰性質，主要根據氣溫、降水類別、視覺、手感、形狀色澤、附著力綜合分析判定覆冰性質，可按表2內容判定。

5 設計冰厚計算

5.1 設計冰厚計算方法

5.1.1 標準冰厚計算

（1）據

（2）據

（3）據調查或實測覆冰直徑計算標準冰厚。

式中：Bo為標準冰厚，mm；ρ為覆冰密度，g/cm3；G為冰重，g；L為覆冰體長度，m；a為覆冰長徑（包括覆冰物），mm；b為覆冰短徑（包括覆冰物），mm；R為覆冰半徑（包括覆冰物），mm；r為覆冰物半徑，mm；Ks為覆冰形狀系數。

5.1.2 設計冰厚計算

有連續20年以上長系列實測覆冰資料地區，應采用P-Ⅲ型頻率適線法計算設計冰厚。對實測或調查覆冰均可采用公式（4）計算設計冰厚。

式中：B為設計冰厚，mm；Kh為高度訂正系數；KT為重現期訂正系數；Kφ為線徑訂正系數；kd為地形訂正系數；Kf為走向訂正系數，線路走向與覆冰主導風向平行～垂直取1.0～1.5系數；Kj為檔距訂正系數，檔距大于1 km，取1.1系數，其余情況取1.0系數；Bo為標準冰厚，mm。

表1 覆冰資料可靠性評定表Tab.1 Reliability evaluation of icing data

表2 覆冰性質判別表Tab.2 Judgment of icing property

5.2 設計冰厚計算參數

5.2.1 覆冰密度

有實測覆冰資料地區，覆冰密度可根據資料情況選用式（1）～（3）計算確定。無實測資料地區，可分析移用海拔、地形、氣候條件相似地區且覆冰性質相同的實測覆冰密度資料；移用覆冰密度有困難的地區，可參照表3選用，一般情況下，高海拔地區靠下限選用，低海拔地區靠上限選用。

表3 覆冰密度表Tab.3 Icing density

根據實測長、短徑計算密度可采用式（5）。

根據周長計算密度可采用式（6）。

根據橫截面積計算密度可采用式（7）。

式中：I為覆冰周長，mm；A為覆冰橫截面積（包括覆冰物），mm2。

5.2.2 覆冰形狀系數

覆冰形狀系數為覆冰長徑與短徑之比值。由于小覆冰大多為迎風側覆冰的扁平形，形狀系數小，而大覆冰多為近似圓形的橢圓形，形狀系數大。對線路產生危害的是大覆冰，因此，形狀系數宜取大覆冰計算值。無實測資料地區可參照表4選用覆冰形狀系數。小覆冰的形狀系數靠下限選用，大覆冰的形狀系數靠上限選用。

表4 覆冰形狀系數Tab.4 Icing shape coefficient

5.2.3 高度訂正系數

實測或調查覆冰物離地高度與設計導線離地高度不同時，應作高度訂正，高度訂正系數采用式（8）計算。

式中：Z為設計導線離地高度，m；ZO為實測或調查覆冰物離地高度，m；α為系數，α應由實測覆冰資料計算分析確定，無資料地區可采用0.22。

5.2.4 重現期訂正系數

實測或調查覆冰重現期與設計重現期不同時，應作重現期訂正，重現期訂正系數可按表5選用。

表5 重現期訂正系數Tab.5 Correcting coefficient of return period

5.2.5 線徑訂正系數

實測或調查覆冰物線徑與線路線徑不同時，需進行線徑訂正，線徑訂正系數應根據實測資料分析確定，無實測資料地區可采用式（9）計算。

式中：φ為設計導線直徑，mm，φ≤40mm；φO為覆冰導線直徑，mm。

5.2.6 地形訂正系數

不同地形的訂正系數應根據實測資料分析確定，無實測資料地區應在加強調查分析與借鑒基礎上，參照表6的經驗系數選用。

表6 地形訂正系數Tab.6 Correcting coefficient of topography

5.3 設計冰厚計算方法展望

5.3.1 長期覆冰氣象數學模型

西南電力設計院利用黃茅埂觀冰站（擁有大型雨凇架、地面氣象觀測場和500 kV試驗線路等設施及長達300 km范圍內20多個觀冰點）進行了20多年現場覆冰觀測，同時還利用1個氣象站進行常規氣象觀測，其間還進行了2次覆冰過程的云霧參數觀測，積累了大量覆冰與常規氣象對比觀測資料，因此，可建立長期覆冰氣象數學模型，運用長期氣象資料直接計算設計冰厚，氣象資料短缺的山區可通過參證氣象站觀測資料訂正獲得，或通過相關分析獲得。

5.3.2 短期覆冰氣象數學模型

西南電力設計院在云、貴、川、湘、鄂、渝等地進行了大量短期覆冰與氣象觀測，目前許多站點仍在觀測中。近年來，不少電力設計院也開展了一些短期覆冰與氣象觀測，已積累了大量短期對比觀測資料，因此，可建立短期覆冰氣象數學模型，運用短期氣象資料直接計算設計冰厚。

5.3.3 長短期覆冰氣象數學模型

利用觀冰站點短期覆冰資料與參證氣象站長期氣象資料建立數學模型，運用長期氣象資料直接計算設計冰厚。

6 冰區劃分

6.1 冰區劃分原則

（1）據設計要求分段分級概化，一般情況下，設計冰厚小于20mm級差為5mm，設計冰厚大于等于20mm級差為10mm。

（2）按沿線實測和調查覆冰計算的設計冰厚相當的地段劃為同一種冰區。

（3）資料短缺地區：按同一氣候區內，影響覆冰的因素相當（尤其是海拔）的地段劃為同一種冰區，可參照鄰近相同或相近氣候區進行冰區劃分；對受特殊微地形微氣候區影響地段，視其影響程度進行適當加大或縮小。

（4）在設計保證率內，保證工程安全運行和投資最少。

6.2 冰區劃分的依據

（1）線路區域覆冰氣候特點。（2）沿線收資調查點設計冰厚的分析計算結果。（3）區域氣象站、觀冰站點覆冰分析計算結果。（4）區域長期站與線路短期站覆冰對比觀測分析結果。

（5）沿線地形、海拔及植被分類結果。（6）線路走向與覆冰主導風向的關系。

（7）沿線附近已建送電線路設計冰區及運行資料。（8）線路區域冰雪災害紀錄或報告。

6.3 冰區劃分方法

根據冰區劃分原則及依據、線路路徑圖，首先應考慮區域性氣候特點，再運用實測和收資調查覆冰成果，以及附近已建送電線路設計運行情況，重點考慮微地形覆冰氣候影響，按一般地區和微地形細分區進行逐段冰區劃分，提出冰區劃分成果。冰區劃分成果應圖表化，對特殊重冰區應說明劃分的主要理由（支撐依據和運行維護難度等）。施工圖應實地落實冰區分界塔位置，加強對微地形地段踏勘調查，必要時提出加強抗冰措施建議。

7 覆冰觀測

7.1 觀冰站（點）的選址原則

對資料短缺的重冰線路，應開展覆冰觀測工作，作為冰區勘測的組成部分。

日前，高海拔重冰區線路越來越多，冰害事故也逐漸增多，20世紀六七十年代一些重冰區線路常在大冰年份發生倒桿斷線事故，電力設計院和供電局曾在一些山區設立了導線覆冰觀測站，進行短期觀測，如江西梅嶺、陜西秦嶺、云南海子頭、貴州八擔山等。西南電力設計院于20世紀60年代在四川會東白龍山、魯南山建立了觀冰站，有4年完整記錄；在貴州清鎮和白云兩地4處建立了觀冰站，有3年完整記錄；在四川大涼山黃茅埂建立了我國迄今為止最大的導線覆冰觀測站，架設了23m高的鐵塔、90m檔距和不同高度的各型導線，進行不同導線的覆冰梯度觀測和研究，連續資料長達18年；近年來，又在云、貴、川、湘、鄂、渝等地多處建立觀冰站點，積累了寶貴的覆冰觀測資料。觀冰站（點）的選址原則如下：

（1）經覆冰區域氣候分析、踏勘調查和收資分析，判斷為重冰區的地段。

（2）短期站點應位于送電線路走廊內，長期站點應位于送電線路走廊附近，對線路具有代表性。

（3）觀冰站觀測場應平坦空曠，氣流不受地物及林木的影響。觀冰點應選在有代表性的一般地形和典型地點，如山頂、山腰、風口、埡口、迎風坡、背風坡等。有條件的地方還可在一個山嶺的兩側分設幾個站點，進行不同海拔、不同地形條件的同步觀測。

7.2 觀冰站（點）設施設備要求

（1）雨凇塔：離地高度為10.0m，方向為平行與垂直于覆冰主導風向，檔距為10 m，導線型號為LGJ-400，按離地2.0、5.0、10.0m三個高度布置，導線型號也可根據設計需要選定；雨凇塔設計與施工安裝應符合GB 50017—2003《鋼結構設計規范》與GB 50205—2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》要求。

（2）地面氣象觀測場：場地為15m×20m，場地平整，保持自然狀態，設置觀測便道，四周設1.2m高稀疏圍欄，設置防雷設施；觀測儀器性能指標與布置應符合《地面氣象觀測規范》要求。

（3）觀冰點：一般只設立雨凇架，雨凇架離地高度為2.2m，方向為平行與垂直于覆冰主導風向，檔距為5m，導線型號為LGJ-400，導線型號也可根據設計需要選定。

（4）工作及生活設施。

（5）設備：臺秤、量杯、盒箱、刮刀、卡鉗、直尺、通風干濕球溫度表、輕型風向風速儀、相機等基本設備。

7.3 覆冰觀測內容

覆冰觀測內容主要為覆冰過程極值及相關氣象要素連續觀測，其具體項目應包括：

（1）覆冰種類、長徑與短徑、截面形狀與面積、每米冰重，覆冰過程起止時間與測冰時間。

（2）導線覆冰氣象要素，包括干、濕球氣溫，相對濕度，氣壓，水汽壓，降水量，風速風向，日照，雪深，天氣現象；觀冰點可僅觀測同時氣溫、風速風向、雪深、天氣現象。

（3）對比觀測導線覆冰與周圍地物如通信光纜、拉線、樹枝的覆冰。

7.4 覆冰觀測程序

（1）觀測覆冰種類、拍照，記錄測冰起始時間。（2）測量覆冰長徑、短徑，勾繪截面形狀。

（3）取冰樣稱重或將冰樣置入量杯測量體積與重量，記錄測冰結束時間。

（4）觀測干、濕球溫度，風速、風向，天氣現象。

7.5 覆冰觀測要求

（1）觀測期限可根據冰區勘測需要觀測1個冬季或數個冬季，每個冬季從第1次覆冰過程開始觀測，至最后1次覆冰過程結束。

（2）覆冰長徑與短徑、截面形狀與面積、冰重測量時間應在跟蹤覆冰發展、保持循環變化過程中、在覆冰消融崩潰前及時觀測。

（3）當因天氣過程變化，導致覆冰在發展、保持循環變化過程中出現部分脫冰或短暫融化并繼續保持覆冰情況時，應進行多次測冰；當多次測冰后所剩冰體長度不足25 cm時，應取10 cm長度冰體稱重。

（4）當覆冰大小沿導線變化差異較大時，應分段測量幾組長徑、短徑、截面積數據求其平均值。

（5）覆冰觀測情況應現場及時記錄，記錄要準確、清楚，不得涂改。

（6）應以測定大覆冰的長徑、短徑、截面積和質量為主。如果覆冰增長很快，以致在停止增長前覆冰長徑已達200mm左右，這時應測量覆冰長徑、短徑、截面積和質量，以免覆冰過重脫落而損失記錄，然后繼續觀測。

7.6 觀測資料整編要求

（1）每年冬季觀測結束后要及時整編，分別按編號摘錄各次覆冰過程的起止時間、覆冰種類、長徑、短徑、橫截面積、冰重、密度、氣象要素、照片等。

（2）資料整編應報表化、規范化，整編數據、符號、文字要準確、規范，并有整編、校核、審核簽署。

（3）編寫年度覆冰觀測報告，報告內容應包括：觀冰站（點）基本情況、覆冰與氣象觀測情況、觀冰站（點）覆冰觀測成果、氣象觀測成果、結論與建議。

8 結論

（1）覆冰收資調查是目前獲得確定設計冰厚所需導線覆冰資料的主要方法，收資調查資料的分析處理和計算參數的選擇與訂正是冰區勘測的2項關鍵技術。

（2）建站觀測是在資料短缺地區獲得電線覆冰資料的重要手段。

（3）現有設計冰厚計算方法中的計算參數的選擇與訂正仍是半理論半經驗的，需在不斷的導線覆冰觀測研究和重冰線路設計應用中改進完善。

（4）已建線路設計和運行經驗是冰區劃分的重要參考資料。

（5）覆冰災害防治措施“避、抗、防、除、改”成功與否的前提是做好冰區勘測工作，科學地提出冰區劃分成果。

（6）建議有關部門盡快組織編制輸電線路冰區勘測規范。

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