秦嶺山區(qū)導(dǎo)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(dǎo)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(yán)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(fēng)速等氣象條件配合，易于形成導(dǎo)線覆冰。由于過去對導(dǎo)線覆冰的客觀規(guī)律認(rèn)識不足設(shè)計條件選擇不當(dāng)及缺乏抗冰經(jīng)驗等原因，運行線路遇到嚴(yán)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(dǎo)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(yán)重，研究該地區(qū)導(dǎo)線覆冰問題就必須從氣象角度出發(fā)來分析導(dǎo)線覆冰成因及其與氣象條件的關(guān)系。為研究秦嶺導(dǎo)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(dǎo)線覆冰與氣象條件的關(guān)系。

2 導(dǎo)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)向和風(fēng)速、降水、氣壓及天氣現(xiàn)象等。另外還配有氣溫、相對濕度、風(fēng)向和風(fēng)速的自動記錄儀，進行一日24h不間斷的測定。同時觀測導(dǎo)線覆冰的長徑、短徑、質(zhì)量、風(fēng)向、溫度、覆冰時間。

3 數(shù)據(jù)與分析

3.1 導(dǎo)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(dǎo)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(yán)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線覆冰發(fā)生了變化。3月2日當(dāng)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(dāng)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(dāng)凝結(jié)高度大于觀測點的海拔高度時，導(dǎo)線覆冰隨著海拔高度的增大而增大；當(dāng)凝結(jié)高度小于觀測點的海拔高度時，導(dǎo)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(dǎo)線覆冰與導(dǎo)線架空高度的關(guān)系

導(dǎo)線覆冰不僅受海拔高度的影響，同時，也受導(dǎo)線架空高度的影響較大。同一地面不同的導(dǎo)向架空高度上導(dǎo)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(dǎo)線覆冰觀測數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 秦嶺觀冰站2m、5m導(dǎo)線覆冰觀測

從表2可以看出，距離地面5m高處導(dǎo)線覆冰比距離地面2m高處導(dǎo)線覆冰嚴(yán)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(dǎo)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(fēng)速隨高度增加，風(fēng)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(dǎo)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(yán)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(dāng)覆冰增長到一定程度后，受到自身重力及風(fēng)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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