微地形和小氣候區(qū)線路覆冰影響因素分析及工程實例

康基偉

(河南電網(wǎng)建設(shè)管理公司，河南鄭州450000)

0 引言

2008年初，全國各地尤其是南方數(shù)省遭遇了罕見雨雪冰凍災(zāi)害，給電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來了重大災(zāi)難.此次冰災(zāi)中，華中、華東、華南、西南均出現(xiàn)了輸電線路倒塔、斷線、斷股、金具損壞等嚴(yán)重事故，尤其是220 kV及500 kV線路由于輸電距離遠(yuǎn)，沿線周圍環(huán)境復(fù)雜多樣，輸電走廊跨經(jīng)河流、峽谷、高山林區(qū)等微地形和小氣候區(qū)，受損情況尤為嚴(yán)重.國家西電東送戰(zhàn)略深層推進(jìn)，屆時會有更多電力線路跨越河流、峽谷、高山林區(qū)等微地形和小氣候區(qū)，這些區(qū)域往往存在誘發(fā)覆冰的因素，在必要的地段若不采取加強(qiáng)措施，實際覆冰厚度將超出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，造成電網(wǎng)安全隱患.因此，在線路規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)中需重點考慮微地形和小氣候區(qū)的特殊性，在這方面進(jìn)行分析研究也是十分必要的，期望為提升電網(wǎng)御冰能力提供理論依據(jù)，減少惡劣氣象條件下重大冰災(zāi)事故的發(fā)生.

1 覆冰的成因及分類

輸電線路的覆冰受諸多因素的影響［1］，比如:溫度、濕度、風(fēng)速及風(fēng)向、冷暖空氣對流、環(huán)流、海拔高程、線路直徑、電場及負(fù)荷電流等氣象因素、地形因素以及導(dǎo)地線自身因素.當(dāng)大氣中的過冷水滴在下落或隨風(fēng)漂移的過程中與低于0℃的輸電線路表面碰觸并被捕獲時將迅速凝結(jié)成冰，這就是輸電線路的覆冰.

我國地處東南亞季風(fēng)區(qū)，氣候現(xiàn)象復(fù)雜多樣，氣溫、降雨、風(fēng)速及風(fēng)向等隨地區(qū)變化大.在華中、西南及西北地區(qū)由于受大氣環(huán)流的影響，每年來自西伯利亞地區(qū)的大規(guī)模冷濕氣流會大范圍撲襲這些地區(qū)并造成復(fù)雜且嚴(yán)重的冰情.當(dāng)冷鋒過境時，風(fēng)速加劇，溫度猛降，沖入我國華中及西南地區(qū)的暖濕環(huán)境后，冷暖氣團(tuán)相互碰撞推擠，較輕的暖濕氣團(tuán)被迫上升，較重的冷氣團(tuán)沉降，覆蓋近地面物體，外層高空大氣呈低溫環(huán)境，水以冰晶態(tài)存在.當(dāng)冰晶由高空大氣進(jìn)入暖氣團(tuán)時融化為水，再進(jìn)入近地面過冷環(huán)境時迅速釋放熱量成過冷卻水滴，與低于0℃的線路碰觸時凝結(jié)成冰，形成覆冰.氣象資料顯示我國南方冬季寒冷且風(fēng)力強(qiáng)、霧氣重、雨滴大，總會出現(xiàn)短時的霧凇或雨凇天氣，平均持續(xù)3～15 d.時間雖短，但其突發(fā)性給整個電力網(wǎng)帶來的危害卻不容忽視［2-4］.

覆冰按形成條件及性質(zhì)可分為雨凇、霧凇、混合凍結(jié)三類，如表 1［5-9］所示.

2 微地形和小氣候因素對覆冰的作用機(jī)理及典型實例

2.1 微地形對覆冰的影響及典型實例

微地形特征［10］:(1)地形突出，比周圍地形明顯更高(特別是相對于迎風(fēng)面);(2)迎風(fēng)面一側(cè)較大范圍的地域內(nèi)，海拔高程處于相比較低的范圍內(nèi).常見因素有山脈走向、埡口、中山臺地、山脊以及水汽含量等.

表1 不同類型覆冰的性質(zhì)Tab.1 The features of different types of ice

在高山大嶺中，線路覆冰受地形影響較大.如:貴州220 kV雞江Ⅱ回線路，東有海拔1 500 m以上的大山，西臨水源，冬季來自北方的冷空氣在此受阻，又有充足水汽，自投運(yùn)以來，重覆冰事故多有發(fā)生;湖北500 kV葛雙Ⅱ回線路的#231～#237段地形抬升，跨越海拔近500 m的山頂，在1993年11月、1994年11月連續(xù)兩次發(fā)生覆冰倒塔斷線事故，也受其特殊地形條件影響.2008年冰災(zāi)事故中，云南500 kV宣威曲靖線#178～#179附近800 m范圍內(nèi)有多個水庫，冬季霧大、風(fēng)大、空氣潮濕，#169～#185位于大德基東北至西南風(fēng)槽埡口帶，氣溫低于0℃時，在冷氣流作用下覆冰也多次發(fā)生［11-13］.

我國輸電線路覆冰伴隨有顯著的微地形特征，如表 2［2，11］所示.

表2 典型微地形分類及地貌特征Tab.2 Sorts and topographic features of typical micro-terrain

2.1.1 山脈走向及坡向因素

受季風(fēng)氣候影響，我國冬季風(fēng)向多為北風(fēng)或西北風(fēng)，當(dāng)山脈呈東西走向，與風(fēng)向大致垂直時，在迎風(fēng)坡形成強(qiáng)勢阻擋，使冷氣團(tuán)移動緩慢，局部出現(xiàn)冷濕環(huán)境，加重覆冰程度，如貴州220 kV雞江I、II回，110 kV久新線以及多條35 kV線路經(jīng)過苗嶺山脈南坡，地處迎風(fēng)段，冬季覆冰嚴(yán)重［11］.

2.1.2 山體結(jié)構(gòu)(風(fēng)道、山脊、埡口)因素

山脊、埡口地段易形成嚴(yán)重覆冰，此情況多集中在兩湖、四川和云貴山區(qū)，如湖北荊門漢江風(fēng)道，東西兩側(cè)分別為大別山尾脈和秦嶺尾脈，每到冬季北方寒冷氣流都持續(xù)強(qiáng)力地涌向這里，迫使該地區(qū)的暖氣團(tuán)持續(xù)抬升，形成重覆冰;云南220 kV者昭II回，位于西南向東北走向山脈段，#97～#99耐張段地處埡口，氣溫低，濕度大，易覆冰［12-13］.

2.1.3 地表水體因素

臨近江河、湖泊和水庫的地方，空氣水分充足，線路覆冰嚴(yán)重，如江西梅嶺比鄰鄱陽湖;安徽黃山南靠長江;云南梁王山兩面臨湖;湖南雪峰山北對洞庭湖.這些區(qū)域水汽充足，濃霧覆蓋，冬季覆冰極易形成［2］.

2.1.4 海拔高度因素

某范圍內(nèi)，覆冰厚度與海拔高度大致呈正比關(guān)系.海拔愈高，覆冰愈易，冰愈厚，且多為霧凇;反之，則不易結(jié)冰，冰厚薄，且多為雨凇或混合淞.這是由于隨海拔的升高，風(fēng)速及水霧密度均隨之增大所致.某一環(huán)境下開始結(jié)冰的海拔高度稱為凝結(jié)高度.在我國，線路覆冰凝結(jié)高度的地域特點是西高東低，北高南低.在凝結(jié)高度點以上，覆冰隨海拔的升高而增厚［6］.

前蘇聯(lián)學(xué)者布琴斯基提出了頓巴斯地區(qū)覆冰平均直徑和海拔高度的經(jīng)驗關(guān)系［11］:

式中:D是覆冰直徑mm;h是海拔高度m;e是自然對數(shù)底;ai、bi是隨覆冰類型和地區(qū)而變化的系數(shù).該地區(qū)霧凇覆冰時ai=7.76，bi=0.32;雨凇覆冰時ai=4.47，bi=0.003 7.

前蘇聯(lián)頓巴斯地區(qū)與我國恩施地區(qū)海拔高度與覆冰厚度的關(guān)系［11］見圖1與圖2.

傳統(tǒng)認(rèn)為，我國線路重覆冰區(qū)集中在西南海拔1 000～1 500 m、華東海拔700 m及以上、湖南海拔600 m及以上地區(qū).但湖南洞庭湖平原海拔150～600 m處也發(fā)生了嚴(yán)重覆冰，這啟發(fā)我們對海拔與覆冰的關(guān)系需要重新認(rèn)識和研究［14］.

2.1.5 全封閉或半封閉的盆地、水庫壩區(qū)的冷湖效應(yīng)

由于盆地和壩區(qū)地形的封閉性，冷濕氣流一旦入侵，沒有消散通道，會長期回環(huán)滯留，后續(xù)冷濕氣流也會繼續(xù)不斷的補(bǔ)充進(jìn)來，造成該區(qū)域的持續(xù)低溫、潮濕，形成局部范圍的“冷湖”.輸電線路跨越“冷湖”，會產(chǎn)生較嚴(yán)重的雨凇、霧凇覆冰，如四川夾金山尾脈的二郎山區(qū)域、云貴高原向湘西丘陵過渡的三穗縣、云南西北部橫斷山脈的德欽縣、整個湖南省地區(qū)(從東南西三面向北傾斜開口的馬蹄形狀)［4，11］.

2.1.6 人工營造的微地形因素

通過改變局部地表的狀況，可形成人工微地形。防護(hù)林以連片林地、林帶或林網(wǎng)形式營造，利于防風(fēng)阻風(fēng)，改道風(fēng)向，使水汽的移動速度大大降低，輸送距離明顯縮短，從而使輸電線覆冰形成條件減弱，覆冰發(fā)生幾率降低及厚度減小.經(jīng)研究，林木種類、高度、面積、密度、排列方式及營造方法等決定著防護(hù)林的防護(hù)效應(yīng).有資料［2］顯示，林帶對覆冰有著良好的防護(hù)效應(yīng)，如表3所示.

結(jié)合三北防護(hù)林有關(guān)資料［15］分析得，當(dāng)林帶偏角0°時，防風(fēng)效應(yīng)最好，偏角越大，效果越差;偏角30°以內(nèi)效能降低不顯著，但超過30°～45°時效能降低很快.

表3 林帶對覆冰的防護(hù)效應(yīng)Tab.3 The effect of tree belt on preventing icing

2.2 小氣候?qū)Ω脖挠绊懠暗湫蛯嵗?/h3>

影響線路覆冰的氣象因素主要有4種，即環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、風(fēng)速及風(fēng)向、過冷卻水滴直徑等［2］.它們的綜合作用決定了線路的覆冰狀況.覆冰的形成因素雖然眾多，但以下條件［5］必須具備:①低溫(氣溫及導(dǎo)線溫度必須低于0℃);②強(qiáng)濕度(相對濕度＞88%);③風(fēng)速0～7.5 m/s;④風(fēng)向與線路方向垂直偏約±50°范圍.

另外，水滴直徑也是覆冰程度的重要制約因素.理論上，導(dǎo)線有一個最大覆冰直徑，當(dāng)導(dǎo)線超過該直徑值后，導(dǎo)線將不會覆冰.導(dǎo)線最大覆冰直徑與 α1α2α3之積成正比，α1，α2，α3分別為過冷卻水滴與導(dǎo)線接觸時的碰撞率、捕獲率及凍結(jié)系數(shù).其中，碰撞率與導(dǎo)線直徑成反比，與水滴半徑的平方及風(fēng)速成正比，因此較大直徑的水滴易在導(dǎo)線上形成覆冰［16］.所以，過冷水滴直徑對線路覆冰的影響是必須考慮的.

英國氣象局對覆冰與氣象因素的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了研究［17］，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，經(jīng)過相關(guān)性的數(shù)學(xué)擬合，分別推導(dǎo)出了導(dǎo)線覆冰厚度與溫度、濕度及風(fēng)速中的某一單一因子數(shù)學(xué)關(guān)系式.

覆冰厚度T與環(huán)境溫度t的關(guān)系如公式(2)所示: T=-2.191 9t-7.118;

覆冰厚度T與環(huán)境濕度h的關(guān)系如公式(3)所示: T=-0.844 9h+77.616;

覆冰厚度T與環(huán)境風(fēng)速w的關(guān)系如公式(4)所示: T=-0.288 8w+9.487 1;

鄂西地區(qū)線路覆冰速度與溫度的曲線關(guān)系［2］如圖3 所示.

圖3 覆冰增長速度與溫度關(guān)系Fig.3 The relationship between temperature and growth rate of ice

由于覆冰是受多種因素共同作用的，從單一因子去擬合求解是不準(zhǔn)確的，相關(guān)性較差，無法用于實際的分析計算.因此需要建立一個包含溫度、濕度、風(fēng)速等多氣象參數(shù)在內(nèi)的數(shù)學(xué)模型，以提高各個氣象因素與覆冰的相關(guān)系數(shù)，進(jìn)而能夠?qū)Ω脖穸茸龀稣_的分析和判斷.根據(jù)湘西地區(qū)歷年覆冰記錄，提出覆冰厚度與風(fēng)速、溫度間的經(jīng)驗關(guān)系［11］，如公式(5)所示.

式中:T是覆冰厚度，mm;n是持續(xù)冰凍天數(shù);t是環(huán)境溫度，℃;v是風(fēng)速，m/s.

湘西地區(qū)線路覆冰與環(huán)境溫度、風(fēng)速的數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表4所示.

特別指出，傳統(tǒng)認(rèn)為:覆冰成長快慢與導(dǎo)線表面的水汽接收率有關(guān)，即覆冰速度與風(fēng)速成正系數(shù)相關(guān).現(xiàn)場觀測表明［2］，導(dǎo)線覆冰成長速度并不與風(fēng)速完全成正比，如圖4所示.

輸電線路覆冰除受前述各微地形、小氣候因素約束外，還受季節(jié)因素和線路自身導(dǎo)線的影響［5］.如:(1)導(dǎo)線剛度;(2)導(dǎo)線直徑;(3)導(dǎo)線載流及周圍電場強(qiáng)度.

表4 不同綜合條件下的覆冰情況Tab.4 Icing status in various conditions

圖4 湖北西部近40 a數(shù)據(jù)統(tǒng)計Fig.4 Nearly 40 years’statistics in western Hubei

3 防治措施

3.1 逐步完善微地形和小氣候區(qū)覆冰原始資料的積累及整理

有關(guān)微環(huán)境的歷史資料還很匱乏，不同微環(huán)境下覆冰的成長形狀和密度各不相同，全國范圍內(nèi)微地形和小氣候區(qū)的劃分以及相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集問題亟待解決.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集對線路冰災(zāi)原因的分析、防冰措施的選擇、除冰技術(shù)的研究、抗冰方案的設(shè)計都是不可或缺的.因此，典型微環(huán)境區(qū)應(yīng)設(shè)立觀冰哨，收集和整理輸電線路微地形、小氣候特征覆冰的原始數(shù)據(jù)，逐步建立完善的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，并加強(qiáng)測量人員的技術(shù)培訓(xùn)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備的改進(jìn)，以提高原始數(shù)據(jù)的可信性，為新建線路規(guī)劃及已投運(yùn)線路改造提供可靠的氣象依據(jù).

3.2 規(guī)劃微環(huán)境下的特殊抗冰方案

2008年，華中、華東、華南以及西南大范圍內(nèi)出現(xiàn)覆冰倒塔、斷線事故.通過具體分析，發(fā)現(xiàn)云南、貴州、湖南等多地區(qū)的輸電線路覆冰事故具有微地形、小氣候的顯著特征，比如云南曲靖8個縣市［13］，后據(jù)現(xiàn)場勘查，該地區(qū)輸電線路受災(zāi)地段線路覆冰厚度均超過設(shè)計值，部分地段甚至超過設(shè)計值兩倍之多，充分帶有微地形、小氣候特征.若全面提高線路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，則可能造成不必要的資源浪費.鑒于此，今后線路規(guī)劃及設(shè)計時應(yīng)充分考慮該因素的影響，在總體設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上重點加強(qiáng)高海拔、大濕度、低氣溫、大檔距、強(qiáng)風(fēng)口等微環(huán)境下的局部抗冰設(shè)計.

3.3 加強(qiáng)微地形和小氣候區(qū)氣象參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測

在因微環(huán)境引起覆冰事故的多發(fā)地段，應(yīng)加強(qiáng)氣象條件的實時監(jiān)測，從而快速準(zhǔn)確的掌握線路異常情況，合理有效的采取抗冰措施，防止冰災(zāi)隱患于未然.

3.4 進(jìn)一步開展導(dǎo)線覆冰與各地形參數(shù)、氣象參數(shù)的關(guān)聯(lián)性研究

現(xiàn)有對覆冰機(jī)理的解釋均建立在既有經(jīng)驗公式和數(shù)學(xué)模型上，各地形參數(shù)、氣象參數(shù)并沒有得到很好的擬合，這些理論模型推演結(jié)果與運(yùn)行實際還存在較大差距.可在這方面做進(jìn)一步的研究，以期在制定防冰、抗冰方案時具有指導(dǎo)意義.

4 結(jié)論

我國是個幅員遼闊、地形復(fù)雜、氣候多樣的國家，這決定了我國微地形區(qū)、微氣象點廣泛分布，歷年來的冰災(zāi)事故分析表明微地形、小氣候因素對輸電線覆冰均有不同程度的不利影響，隨著我國特高壓電網(wǎng)持續(xù)建設(shè)，輸電線路將跨度更遠(yuǎn)，走廊將分布更多的微氣象點、途徑更多微地形區(qū)，筆者對微地形、小氣候區(qū)特征的有關(guān)分析，將為規(guī)避線路覆冰事故提供借鑒.

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