電網冰區分級方法研究

楊加倫，朱寬軍，劉彬，李興宇，陳權亮，司佳鈞

(1.中國電力科學研究院，北京市100192;2.中國科學院大氣物理研究所，北京市100029; 3.成都信息工程學院，成都市610225)

電網冰區分級方法研究

楊加倫1，朱寬軍1，劉彬1，李興宇2，陳權亮3，司佳鈞1

(1.中國電力科學研究院，北京市100192;2.中國科學院大氣物理研究所，北京市100029; 3.成都信息工程學院，成都市610225)

電網冰區等級劃分是電網建設的重要環節之一。電網冰區等級劃分過低，有可能導致輸電線路無法抵御覆冰危害，造成斷線甚至倒塔等現象;冰區等級劃分過高，會造成線路建設、運維及改造成本升高，導致資源的浪費。為了科學合理地劃分電網冰區等級，討論了5種電網冰區分級方法，包括經驗調查法、覆冰數據法、CRREL模型法、氣象參量回歸法、局地地形-氣象影響覆冰等級模型法，以及各種方法的分級步驟和使用特點。

輸電線路;冰區分級;經驗調查法;覆冰數據法;CRREL模型法;氣象參量回歸法;局地地形-氣象影響覆冰等級模型法

0 引言

隨著電網的發展和全球極端氣候頻發，輸電線路遭受的覆冰災害不斷加劇，覆冰影響范圍也日益擴大，造成的損失越來越嚴重。覆冰較輕時，伴隨特定的風和線路結構參數等條件，可導致輸電線路發生舞動;覆冰較重時，可引起閃絡跳閘、金具損壞、斷線倒桿(塔)等事故［1-4］。可見，正確合理地劃分電網冰區是輸電線路設計的重要環節之一。冰區等級選擇過低，輸電線路弧垂小且桿塔高度低，但超載能力下降，在出現嚴重覆冰時容易造成斷線、倒塔等冰害事故;冰區等級選擇過高，電線運行弧垂就會過大，桿塔較高，將會造成基建投資等的嚴重浪費。因此，科學合理地進行電網冰區分級對增強電網抵御覆冰災害能力，提高電網安全穩定運行水平具有顯著的經濟和社會效益。

根據對冰災桿塔受損原因的分析，我國電網按覆冰在15 mm及以下設計的線路鐵塔，在2008年的冰凍災害中損壞比例高達損壞鐵塔總數的94%，有必要適度地提高線路的設計標準［5］。隨著線路設計覆冰厚度的增加，桿塔質量和相應的造價也大幅增加，為提高線路抗災能力的同時降低工程造價，相關國家標準［6-7］明確規定輕冰區宜按無冰、5 mm或10 mm覆冰厚度設計;中冰區宜按15 mm或20 mm覆冰厚度設計;重冰區宜按20，30，40或50 mm覆冰厚度設計。相應的冰區分級標準如表1所示。

設計冰厚確定后即可根據表1進行冰區分級劃分，而覆冰數據是確定設計冰厚的基礎。輸電線路覆冰的必要氣象條件有:空氣相對濕度在85%以上;風速大于1 m/s;氣溫及導線表面溫度達到0℃以下。導致各地的覆冰觀測及覆冰數據積累情況差別巨大。例如，湖南等覆冰較嚴重地區的地面氣象觀測站點具有觀冰業務的較多(87個)，其中年代序列較長的有20余個站點;而覆冰較輕地區的地面氣象觀測站點的觀冰業務開展較少，年代序列不長。為了最大限度地利用覆冰相關數據，使冰區分級結果更加符合實際覆冰情況，應該針對不同的覆冰數據積累情況有針對性地建立電網冰區分級方法。為此，本文討論包括經驗調查法、覆冰數據法、CRREL模型法、氣象參量回歸法以及局地地形-氣象影響覆冰等級模型法在內的5種方法以及各種方法的使用特點，以期促進電網冰區分級技術的進一步發展。

1 經驗調查法

經驗調查法［8］是指通過線路沿線氣象、地理、植被調查，結合沿線已有線路覆冰設計、運行資料及冰災情況等運行經驗進行分析，最終得到電網冰區分級。經驗調查法主要包括氣候分析、地形海拔分析、覆冰調查、確定標準冰厚、標準冰厚修正后得到冰區分級等5個主要步驟。

(1)氣候分析。覆冰是一種天氣現象，氣候對覆冰有重要作用，尤其是覆冰期間冷暖氣團活動與交替變化對覆冰量級影響重大。氣候分析主要考慮相關區域歷史寒流天氣系統的生成與發展，不同類型寒流路徑、影響范圍、最長持續時間以及對覆冰的影響特性;寒流期間暖濕氣團(水汽源)生成與發展以及對覆冰的影響特性;準靜止峰生成、發展、持續時間以及對覆冰的影響特性等。

(2)地形海拔分析。覆冰一般出現在山地，山地地形起伏多變，覆冰隨之變化復雜。地形對覆冰有重要影響，直接決定覆冰的量級。一般隨著海拔的升高，覆冰會逐漸增加。對地形和海拔的分析內容包括所處區域大地形位置、山脈(嶺)走向;工程區域海拔分布，迎風坡及其坡度，背風坡及其坡度，風口，連續山嶺、獨立山體，山麓、山腰及山頂，河谷、山間平壩，山間盆地、底部及盆周山地等地形特性及其對覆冰的影響特性。

(3)覆冰調查。相關區域覆冰調查是經驗調查法的關鍵環節，是掌握線路覆冰信息的重要途徑。調查內容包括線路及類似區域歷史覆冰調查搜集，線路及類似區域的已建線路應用覆冰及其覆冰運行情況，路徑走廊微地形微氣候特殊冰區段，大覆冰期間路徑走廊覆冰查勘與觀測。

線路覆冰調查包含對路徑走廊地區的氣象、電力、電信部門以及縣志辦、民政等單位進行覆冰調查收資;對沿線的鄉、村電管站，公路道班以及當地村寨進行實地覆冰調查以及對重冰路徑走廊進行覆冰環境的實地踏勘。調查中，應重視沿線調查訪問所得覆冰資料的選擇使用，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，通過對區域性的低溫、降水、冰凌、大雪天氣資料的查閱，審查其發生時間是否一致，通過對附近氣象站或觀冰站點實測資料和冰害情況的查閱，審查出現大冰凌的可能性。

(4)標準冰厚確定。一般經調查及運行經驗得到的多為覆冰厚度，可根據式(1)或式(2)計算得到標準覆冰厚度。

式中:b0標準冰厚，mm;ρ為實測或調查覆冰密度，g/cm3;r為導線半徑，mm;R為覆冰半徑(含導線)，mm;L為覆冰體長度，m;G為冰重，g;a為覆冰長徑(含導線)，mm;c為覆冰短徑(含導線)，mm。

當有覆冰冰重數據時，推薦選用式(1)計算標準冰厚，當無冰重數據而有覆冰長短徑數據時可選用式(2)計算標準冰厚。覆冰密度應綜合考慮覆冰類型以及當地覆冰特性等合理估算。

(5)冰區分級確定。根據式(3)和式(4)將覆冰統一訂正為離地10 m、直徑為26.8 mm導線上的覆冰厚度，并經過重現期修正得到設計覆冰厚度，從而根據表1中給出的標準進行冰區分級。

式中:Z取10 m;Z0為實測或調查覆冰導線懸掛高度，m;α為指數，與風速、含水量與捕獲系數有關，無實測資料時α可取0.22。

式中:φ為設計導線直徑，mm，φ≤40 mm;φ0為實測或調查覆冰的導線直徑，mm。

2 覆冰數據法

當某處的觀冰數據年代序列足夠長(≥30年)時，可直接根據概率統計的方法確定不同重現期的設計覆冰厚度，進而根據表1進行冰區分級。

應用覆冰數據法進行冰區分級的主要步驟如下。

(1)標準冰厚計算。根據式(1)或式(2)將氣象觀測臺站的導線覆冰數據轉化為標準冰厚。

(2)高度和線徑修正。分別根據式(3)和式(4)進行高度修正和線徑修正，將冰厚統一修正為離地10 m、直徑為26.8 mm導線的覆冰冰厚。

(3)計算不同重現期設計冰厚。將修正后的冰厚數據，進行統計整理，根據概率分布模型計算不同重現期的冰厚。

概率分布模型采用極值Ⅰ型分布，計算公式為

式中:bT為特定重現期標準冰厚，mm;b為冰厚平均

n值，mm為標準方差，mm，σn-1=T為規定的重現期，通常取30、50或 100年;其中bi為第i個標準冰厚，mm;n為樣本總數。

(4)冰區分級確定。根據式(5)計算得出的不同重現期設計冰厚和表1給出的標準，可進行冰區分級。

3 CRREL模型法

當觀冰數據的年代序列較短，但是具有較為詳細的歷史氣象記錄，可利用CRREL模型回算歷史覆冰

式中:Req為等效覆冰厚度，mm;N為凍雨過程的時間，h;P為過程降水率，mm/h;ρ0為水的密度，1 g/cm3;ρ為雨凇的密度，0.9 g/cm3;V為風速，m/s;W為液態水含量，g/m3;根據經驗公式得到，W=0.067P0.846。

將收集到的氣象資料，按照是否發生凍雨(雨凇)覆冰進行篩選，將篩選出的雨凇時段內的降水、風速和雨凇過程時間等參量進行數據處理，降水和風速以每h 1次的觀測為宜，如缺少每h 1次的觀測資料，可將3 h和6 h的觀測資料根據線性插值等方法進行轉化。但是，轉化必須嚴格按照雨凇發生時間進行，雨凇發生時段外數據應嚴格排除在計算范圍之外。

氣象觀測數據按照模型要求處理之后，通過經驗公式計算出液態水含量W，并通過CRREL模型計算出每h內標準冰厚的增長量，雨凇發生時段內覆冰增長需逐h計算，模型計算總標準冰厚為各h冰厚之和。

(2)建立CRREL模型的訂正公式并進行訂正。由于氣象數據的原因，需對使用人工觀測(3 h 1次和6 h 1次)氣象數據模擬得到的標準冰厚進行訂正。訂正中應選用具有10年以上連續導線覆冰觀測的氣象臺站的觀測數據，選取有代表性的導線覆冰事件進行模擬，將模擬值和導線覆冰觀測值進行比較，確定訂正關系。訂正過程中應盡可能多地選取不同地理區域內符合要求的氣象臺站觀測數據和導線覆冰事件，增加訂正的可信度。

應用CRREL模型并確定訂正公式后，將訂正公式運用到相關地面氣象觀測站，從而確定地面氣象觀測站所在位置的歷史覆冰冰厚。

(3)高度和線徑修正。根據式(3)和式(4)進行高度修正和線徑修正，將冰厚統一修正為離地10 m，直徑為26.8 mm導線的覆冰冰厚。

(4)冰區分級確定。將修正后的冰厚數據，進行統計整理，根據式(5)所示的極值Ⅰ型分布計算不同重現期的冰厚。結合表1中的標準，即可確定相應站點冰區分級。冰厚。拓展年代序列后可利用式(5)進行各站點不同重現期冰厚計算。應用CRREL模型法繪制冰區圖的具體步驟如下。

(1)應用CRREL模型模擬覆冰厚度。CRREL模型［9］如式(6)所示。

4 氣象參量回歸法

當觀冰數據的年代序列較短，但是具有較為詳細的與覆冰形成相關的氣象因子和地理因子資料時，可利用逐步回歸法建立導線覆冰厚度與氣象因子的回歸模型，并將確定的回歸模型運用到本地區地面氣象觀測站的歷史觀測資料回算上，從而確定地面氣象觀測站所在位置的歷史覆冰冰厚序列。通過逐步回歸法拓展年代序列后可利用式(5)進行各點不同重現期冰厚計算。應用氣象參量回歸法繪制冰區圖的具體步驟如下。

(1)回歸氣象要素選擇與處理。根據電線積冰觀測站電線積冰日當日的日平均氣溫、相對濕度的統計結果，對已記錄的日期進行篩選，通過篩選的日期為電線積冰日。選擇并處理電線積冰日當日和前1日、前2日的氣象要素，氣象要素應根據實地情況選擇，且氣象要素應為日值觀測記錄，并根據回歸區域劃分情況分別歸類。

利用式(1)或式(2)對氣象臺站的觀冰數據進行標準冰厚轉化，根據式(3)和式(4)進行高度修正和線徑修正，將冰厚統一修正為離地10 m，直徑為26.8 mm導線的覆冰冰厚。

(2)建立回歸方程。根據多元逐步回歸方法，使用SPSS或者Matlab等軟件，進行逐步回歸分析，建立標準冰厚與高影響氣象因子的回歸方程。回歸方程宜通過顯著性檢驗，以確保方程可以收斂。

(3)非電線積冰觀測站標準冰厚歷史覆冰序列回算。根據非電線積冰觀測站天氣現象觀測記錄，選取具有雨凇和霧凇天氣現象的觀測，記錄以上天氣現象對應日期。

將電線積冰日和前1日、前2日的高影響氣象因子提取出，并代入步驟(2)中得到的氣象因子回歸方程，計算不同區域的非電線積冰觀測站每個結冰日的標準冰厚擬合值，形成非電線積冰觀測站歷史覆冰序列。

(4)冰區分級確定。將修正后的冰厚數據，進行統計整理，根據式(5)所示的極值Ⅰ型分布計算不同重現期的冰厚。結合表1中的標準，即可確定相應站點冰區分級。

5 局地地形－氣象影響覆冰等級模型法

采用局地地形-氣象影響覆冰等級模型法進行冰區分級時，應首先利用氣象和覆冰觀測數據建立局地微地形微氣象影響覆冰等級的關系模型。該模型是一種基于局地氣象要素和地形因子的經驗-統計關系模型。其次，利用地理信息數據和多源氣象數據(臺站觀測數據、自動站觀測數據、衛星遙感資料等)，通過降尺度技術，獲得2.5 km高分辨率地形和氣象要素數據。第三，選擇零度層高度作為覆冰參考起點，在參考起點的基礎上進行地形和氣象要素訂正。地形訂正主要考慮高程、坡向、坡度、特殊地形、地表覆被等方面，而氣象要素訂正主要考慮溫度、風速、濕度、降水等主要影響覆冰的因子，最終得到劃分的覆冰等級。應用局地地形-氣象影響覆冰等級模型法進行冰區分級的具體步驟如下所述。

(1)研究區域劃分。結合研究區域地形特征、山脈走向和氣候差異，以及大范圍區域的覆冰分布差異性，進行研究區域的劃分。

(2)數據處理與準備。數據處理與準備部分主要包括2個方面:第1，現有高分辨率地形數據的抽取以及特殊地形的劃分;第2，站點資料的精細化處理。將處理好的地理信息和氣象要素數據運用劃分的研究區域矢量化數據，進行裁剪，得到不同分區的地形數據、氣象要素數據。

1)地形數據處理。選用高分辨率的海拔高程數據(30 m或90 m)，運用當前較為成熟的地理信息系統軟件，提取所需分辨率的研究區域的格點地理信息資料(高程、坡度、坡向)，并根據地形信息，定義特殊地形(如埡口等)。

2)氣象數據降尺度技術。為了保證氣象數據資料格點精細化的準確程度，充分利用研究區域內氣象站點觀測、自動站觀測和衛星遙感資料，比較不同插值方法在研究區域的適用性，選取合適的插值方法。結合地理信息系統軟件，考慮地形因子對氣象要素的影響，利用ArcGIS等相關軟件的統計分析方法，選取合適的表面預測模型，并進行模型檢驗與對比。運用選定模型進行不同氣象要素的插值，得到所需分辨率的氣象要素格點數據集。

(3)覆冰等級模型建立。結合研究區域劃分結果，在不同研究區域建立相應的覆冰等級模型。基于不同分區的地形數據、氣象要素數據，確定覆冰參考起點以及不同區域、不同地形、不同氣象要素下的經驗訂正系數，建立基于統計和經驗數據的覆冰等級模型。訂正系數包括覆冰隨高度變化系數、覆冰隨坡度坡向變化系數、覆冰與特殊地形(如埡口等)的相關系數、覆冰隨氣象因子變化的相關系數。系數的確定方法需要通過覆冰觀測與地形、氣象因子的分析來確定。

(4)冰區分級確定。利用特定點的地理信息、氣象要素數據，選擇零度層高度作為覆冰參考起點(如四川省，應用零度層高度數據，零度層高度緩坡、北向、區域平均極低氣溫、降水、濕度、風速處參考覆冰厚度的設定值取10 mm)，運用建立的覆冰等級模型，計算得到特定點的覆冰等級結果，并根據表1中的標準進行冰區分級。

6 各種電網冰區分級方法比較

根據覆冰數據的積累等因素可選取不同的電網冰區分級方法。各種冰區分級方法的特點列于表2。本文介紹的前4種電網冰區分級方法僅針對數據獲取點進行冰區分級，局地地形-氣象影響覆冰等級模型法則進行了格點資料精細化處理，考慮了除氣象站點外的其他區域的覆冰特性。當繪制電網冰區分布圖［10-11］時，需要確定其他非覆冰觀測或非調查點的冰區分級。在上述情況下，應考慮微地形微氣象［12］和運行經驗［10］，對非覆冰觀測或非調查點的冰區分級進行修訂。例如，國網湖南、湖北和四川電力分別采用覆冰數據法、氣象參量回歸法和局地地形-氣象影響等級模型法繪制了電網冰區分布圖。

7 結語

正確合理的冰區分級對增強電網抵御覆冰災害的能力以及合理的降低工程造價具有舉足輕重的作用。為此，本文深入討論了經驗調查法、覆冰數據法、CRREL模型法、氣象參量回歸法和局地地形-氣象影響覆冰模型法共5種電網冰區分級方法以及各個方法的特點。在實際運用中，可根據掌握的覆冰數據情況，合理選用冰區分級方法。也可以綜合運用多種冰區分級方法，對冰區分級結果進行相互驗證，提高電網冰區分級的客觀性和合理性。通過研究電網冰區分級方法，明確了各種分級方法的適用性及使用特點，對深入掌握輸電線路覆冰特性，提高電網的安全穩定運行水平等具有重要的意義。

［1］韓軍科，楊靖波，楊風利.500 kV酒杯塔覆冰破壞形態分析［J］.電力建設，2009，30(11):21-23.

［2］虢韜.貴州輸電線路覆冰災害及防治措施［J］.高電壓技術，2008，34(9):2000-2001.

［3］蔣興良，盧杰，苑吉河，等.輸電線路絕緣子串防冰閃措施研究［J］.電網技術，2008，32(14):19-24.

［4］李慶峰，范崢，吳穹，等.全國輸電線路覆冰情況調研及事故分析［J］.電網技術，2008，32(9):33-36.

［5］肖智宏，劉學軍，李顯鑫，等.對架空輸電線路設計企業標準的解讀［J］.電力經濟技術，2009，21(5):40-45.

［6］GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2010.

［7］GB 50665—2011 1 000 kV架空輸電線路設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2011.

［8］劉澤洪.直流輸電線路覆冰與防治［M］.北京:中國電力出版社，2012.

［9］Kathleen F，Neal L，Ronald T.Extreme ice thicknesses from freezingrain［R］.NewHampshire:AmericanLifelines Alliance，2004.

［10］楊加倫，朱寬軍，劉彬，等.輸電線路冰區分布圖繪制關鍵技術［J］.電力建設，2013，34(9):10-15.

［11］吳素良，范建勛，宋麗莉，等.陜西省冰區劃分［J］.電網技術，2010，34(4):152-157.

［12］金西平.微地形微氣候對電力線路覆冰的影響［J］.供用電，2008，25(4):17-20.

(編輯:劉文瑩)

Classification Method of Icing Area in Power Grid

YANG Jialun1，ZHU Kuanjun1，LIU Bin1，LI Xingyu2，CHEN Quanliang3，SI Jiajun1
(1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China; 2.Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China; 3.Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China)

The classification of icing areas is one of the critical steps of the power grid construction.If the design ice thickness is underestimated，power transmission lines may not be able to withstand the influence of accreted ice，which might result in transmission line breaking or even tower collapse.On the other hand，if the design ice thickness is overestimated，the cost of construction，maintenance，and reconstruction may be increased to result in resources waste.With the aim of reasonable classification of icing area for power grid，five classification methods were discussed，including method of experience investigation，method of icing data，method of CRREL model，stepwise regression method of meteorological parameters，and model method of local topology-meteorology influence on icing classification.Finally，the classification steps and application features were discussed.

transmission line;classification of icing areas;method of experience investigation;method of icing data; method of CRREL model;stepwise regression method of meteorological parameters;model method of local topologymeteorology influence on icing classification

TM 726

A

1000－7229(2014)01－0019－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.004［HT］

國家自然科學基金(51305411，51008288)。

2013-08-22

2013-09-17

楊加倫(1981)，男，博士，工程師，主要研究方向為架空輸電線路覆冰及振動問題，E-mail:yangjialun@epri.sgcc.com.cn，jialunyang@ gmail.com;

朱寬軍(1969)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為輸變電工程力學，重點從事架空導線振動、舞動及覆冰等問題的研究，E-mail: zhukuanjun@epri.sgcc.com.cn;

劉彬(1978)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為架空輸電線路振動、舞動問題，E-mail:liub1@epri.sgcc.com.cn;

李興宇(1978)，男，高級工程師，主要研究方向為云降水物理模擬、云水資源變化和大氣結冰機理研究，E-mail:lxy@mail.iap.ac.cn;

陳權亮(1979)，男，教授，主要研究方向為氣象災害監測與預警，E-mail:chenql@cuit.edu.cn;

司佳鈞(1983)，男，助理工程師，主要研究方向為架空輸電線路振動、舞動問題，E-mail:sijiajun@epri.sgcc.com.cn。