秦嶺山區(qū)導線覆冰與氣象條件的關(guān)系

李 強

(西北電力設(shè)計院，陜西 西安 710032)

1 概述

導線覆冰在國內(nèi)外分布很普遍，我國是發(fā)生輸電線路覆冰事故較多的國家之一，覆冰事故已嚴重威脅了我國電力系統(tǒng)的安全運行，并造成了巨大的經(jīng)濟損失。近30年來，大面積覆冰事故在全國各地時有發(fā)生，國家電網(wǎng)運行管理處統(tǒng)計資料表明，2006年1月至2007年6年，由覆冰引起的500 kV線路跳閘13次，占總跳閘數(shù)的8.84%，由覆冰引起的500 kV線路非計劃停運4次，占總停運次數(shù)的11.11%。可見，覆冰已經(jīng)成為危害線路安全運行的主要原因之一。

德陽～寶雞±500kV直流輸電線路所經(jīng)過的秦嶺區(qū)，地形復(fù)雜，氣候多變，每年冬春季節(jié)，南北暖冷氣流交匯，霧氣凝滯，與適宜的溫度、濕度、風速等氣象條件配合，易于形成導線覆冰。由于過去對導線覆冰的客觀規(guī)律認識不足設(shè)計條件選擇不當及缺乏抗冰經(jīng)驗等原因，運行線路遇到嚴重覆冰時，往往會發(fā)生電氣間隙距離不能保持，或因?qū)Ь€脫冰跳躍造成碰線短路，跳閘頻繁。導線覆冰超載還會引起大量倒桿、斷線等事故，發(fā)生事故時，一般氣候惡劣，冰雪封山交通受阻，通訊中斷，搶修十分困難，造成電網(wǎng)長時間停電。秦嶺山區(qū)覆冰受山地氣候的影響極為嚴重，研究該地區(qū)導線覆冰問題就必須從氣象角度出發(fā)來分析導線覆冰成因及其與氣象條件的關(guān)系。為研究秦嶺導線覆冰的變化規(guī)律，西北電力設(shè)計院水文氣象專業(yè)組織人員從2006年10月～2007年3月，赴現(xiàn)場進行了為期6個月的觀測，以尋求秦嶺導線覆冰與氣象條件的關(guān)系。

2 導線覆冰觀測站的地理位置及觀測項目

2.1 地理位置

秦嶺觀測點位于陜西省寶雞市北的秦嶺山頂嘉陵江源頭風景管理站山頭上，210省道的旁邊，交通方便。觀測場海拔1650m，地處主峰的風口，周圍灌木茂盛。

東河橋村觀測點位于秦嶺南坡的寶雞市黃牛鋪鎮(zhèn)東河橋村山坡上，觀測點海拔為1450m，山坡，迎風面開闊，周圍松樹茂盛。

黃牛鋪觀測點位于秦嶺南坡寶雞市鳳縣黃牛鋪鎮(zhèn)長灘壩村山頭，觀測點海拔為1300m，秦嶺南坡中高海拔山區(qū)；山頂，迎風面開闊，周圍灌木茂盛。

青石崖觀測點位于秦嶺北坡的寶雞市渭濱區(qū)青石崖，觀測點海拔1240m，山坡，川道，周圍是灌木叢林。

觀音山村觀測點位于寶雞市渭濱區(qū)神農(nóng)鎮(zhèn)觀音山村，觀測點海拔1070m，山坡平臺、川道。

二里關(guān)村觀測點位于寶雞市渭濱區(qū)神農(nóng)鎮(zhèn)二里關(guān)村，觀測點海拔910m，川道，周圍是灌木叢林。各個觀測點的相對位置關(guān)系見圖1。

圖1 各個觀測點的位置圖

2.2 觀測項目

每日08、14、20時(北京時間)定時觀測：空氣的濕度和溫度(含水汽壓、相對濕度、飽和差和露點濕度)、風向和風速、降水、氣壓及天氣現(xiàn)象等。另外還配有氣溫、相對濕度、風向和風速的自動記錄儀，進行一日24h不間斷的測定。同時觀測導線覆冰的長徑、短徑、質(zhì)量、風向、溫度、覆冰時間。

3 數(shù)據(jù)與分析

3.1 導線覆冰與海拔高度的關(guān)系

根據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》的具體要求，對觀測到的秦嶺導線覆冰及氣象要素數(shù)值做了整理，在覆冰觀測期間，觀測到多次覆冰現(xiàn)象。其中較為嚴重的一次過程：2007年3月2日～2007年3月3日的霧凇與2005年的3月21日的雨凇。現(xiàn)將所有的觀測點觀測到的覆冰情況列于表1中。

表1 秦嶺導線覆冰觀測數(shù)據(jù)

續(xù)表1

從表1可以看出，無論是暖水觀測點到秦嶺氣象站觀測點，還是導線的方向，覆冰的長徑、短徑、質(zhì)量都是隨著海拔高度的變化而變化的。其中，2007年3月2日從二里關(guān)觀測點到秦嶺觀測點覆冰的長徑、短徑、質(zhì)量都是隨著海拔高度的增加而增大的。2007年3月3日從二里關(guān)觀測點到秦嶺觀測點覆冰的長徑、短徑、質(zhì)量都是隨著海拔高度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，同樣的觀測點不同時間的導線覆冰發(fā)生了變化。3月2日當天的凝結(jié)高度為3000m左右，均高于各個觀測點的海拔高度；3月3日當天的凝結(jié)高度為2700m左右，低于六盤山氣象站觀測點的海拔高度。可以看出，當凝結(jié)高度大于觀測點的海拔高度時，導線覆冰隨著海拔高度的增大而增大；當凝結(jié)高度小于觀測點的海拔高度時，導線覆冰隨著海拔高度的增大而減小。這與張巖等人的研究結(jié)論相同。

3.2 導線覆冰與導線架空高度的關(guān)系

導線覆冰不僅受海拔高度的影響，同時，也受導線架空高度的影響較大。同一地面不同的導向架空高度上導線的覆冰不同。觀測期間，對秦嶺觀冰站架空高度為2m、5m的導線覆冰觀測數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 秦嶺觀冰站2m、5m導線覆冰觀測

從表2可以看出，距離地面5m高處導線覆冰比距離地面2m高處導線覆冰嚴重。隨著高度的升高，下墊面對于氣流的影響能力也就越小，地面摩擦阻力也就越小，而氣流的流動速度越大，氣流向?qū)Ь€輸送水汽的能力也就越強，從而更加有利于覆冰的生成。導線覆冰厚度隨電線架空高度增高而增加。其首要原因是積冰時風速隨高度增加，風速越大，水滴向電線的輸送量越大，單位時間內(nèi)覆冰厚度也越大。冰厚隨導線架空高度增加的第二個原因是積冰時空氣含水量隨高度增加。再有霧時，霧中的含水量是隨高度增加的。

3.3 氣象站實測覆冰資料的計算分析

由于本次覆冰觀測時間較短，無法真實客觀的反映秦嶺地區(qū)的長期覆冰分布情況，現(xiàn)根據(jù)秦嶺氣象站提供的實測的歷年最大覆冰質(zhì)量成果，采用Gumbel極值(Ⅰ)型對其進行分析計算，覆冰資料及計算成果詳見表3、表4、表5。

表3 秦嶺氣象站1981～2001年最大覆冰質(zhì)量成果

表4 秦嶺氣象站各頻率計算成果 單位：g/m

表5 不同頻率設(shè)計冰厚成果 單位：mm

4 結(jié)論

依據(jù)《500kV架空送電線路技術(shù)規(guī)定》，德陽～寶雞±500kV直流輸電線路覆冰設(shè)計按30年一遇考慮，但是通過實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，秦嶺山區(qū)的其他線路每年都發(fā)生覆冰且情況較為嚴重。為了線路的安全運行，德陽～寶雞±500kV直流輸電線路覆冰設(shè)計按50年一遇考慮。結(jié)合本次實地觀測的資料和秦嶺氣象站1974～2001年期間的覆冰資料，采用Gumbel極值(Ⅰ)型對其進行分析計算，結(jié)果詳見表5。同時，考慮到線路所經(jīng)地段覆冰類型主要以霧凇和混合積冰為主，因此當覆冰增長到一定程度后，受到自身重力及風的影響，會出現(xiàn)脫落，冰厚的增長受到了影響。通過參考本工程附近已建線路的設(shè)計條件和運行情況，考慮近幾年秦嶺地區(qū)冬季覆冰災(zāi)害天氣影響范圍和程度。經(jīng)對影響覆冰大小的各種因素進行綜合分析和推求，最終確定德陽～寶雞±500kV直流輸電線路秦嶺段，海拔1000m以下，覆冰按10mm考慮；海拔1000m～1200m取15mm；海拔1200m～1400m取20mm；海拔1400～1500m取30mm；海拔1500m～1800m取40mm；海拔1800m以上按45mm考慮。

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[3]張巖，張國彥.達坂山導線覆冰與氣象條件的關(guān)系[J]，青海電力，2005，(3).

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