架空輸電線路覆冰觀測站的選址和設計

(中國能源建設集團安徽省電力設計院有限公司，安徽 合肥 230601)

覆冰觀測站是為了觀測高壓輸電線路通道的導線覆冰情況而設立的站點，亦稱為觀冰站點。

覆冰是輸電線路設計和運行中重要的荷載條件和氣象因素，其設計取值的高低對工程造價影響較大。相比于風速、氣溫等氣象要素的觀測，覆冰觀測的站點較少，尤其是高山大嶺等易覆冰的區(qū)域，覆冰觀測站點尤其少。覆冰觀測需要進行冰厚和冰重的測量，自動化程度較低，基本靠人工進行測量，增加了建設和運行的難度和成本。

為了積累覆冰資料，滿足輸電線路的設計和安全運行的需要，在規(guī)劃或已建的輸電線路通道附近設置觀冰站點是必要的。

觀冰站點根據(jù)設立的目的和作用主要有兩類。一類是為規(guī)劃的輸電線路提供覆冰觀測數(shù)據(jù)，站點設立在規(guī)劃的輸電線路通道附近；另一類是為已建的輸電線路提供實時覆冰觀測數(shù)據(jù)，為輸電線路安全運行提供可供決策的數(shù)據(jù)，并積累該區(qū)域的覆冰觀測資料。

觀冰站點根據(jù)觀測區(qū)域的重要性和覆冰代表性，可分為觀冰站和觀冰點兩種類型。觀冰站的觀測資料應代表區(qū)域性的覆冰特性，觀測設施應包括雨凇塔、地面氣象觀測場和值班室(站房)。觀冰點的觀測資料應代表局部地段或微地形的覆冰特性，觀測設施主要為雨凇架。

與觀冰點相比，觀冰站需要的觀測場地更大，設備更多，本文主要研究觀冰站的選址和設計。

1 觀冰站的選址

1.1 選址原則

觀冰站選址的原則，應該在輸電線路通道內(nèi)選擇覆冰量級較大的、覆冰過程較多的，對通道覆冰條件代表性較好的區(qū)域。觀冰站的觀測場應地勢開闊、氣流通暢，不受周圍地物的遮擋影響。由于覆冰期內(nèi)，需要人員進駐觀測，觀冰站應盡量選擇在交通便利以及水源、供電條件較好的地方。

1.2 選址實例

筆者參與建設的觀冰站的設立目的主要是監(jiān)測已建輸電線路通道的覆冰情況，以下結(jié)合安徽省內(nèi)第一座觀冰站的工程實例進行分析。該觀冰站位于金寨縣大別山區(qū)，±500 kV宜華直流輸電線路通道附近。

工程區(qū)域覆冰情況：±500 kV宜華直流輸電線路通過安徽省的大別山區(qū)，部分區(qū)域海拔較高，加上附近響洪甸水庫的水汽條件影響，覆冰較重，曾在2008年發(fā)生過冰災事故。2008年1月10日開始，安徽省自北向南開始出現(xiàn)全省性雨雪天氣，11日起，位于大別山區(qū)的金寨、霍山兩地也開始降雨，雨量中等，金寨縣10日和11日還同時伴有大霧，能見度為300～700 m，12日起兩地的降雨轉(zhuǎn)為降雪，并一直持續(xù)到23日。1月17日上午，因雪后惡劣氣象條件影響，位于霍山、金寨交界處高海拔地區(qū)的三峽往華東送電的電力大動脈±500 kV宜華直流輸電線路#1146～#1153耐張段線路因覆冰損毀嚴重，其中4基鐵塔嚴重受損。事故段線路地處大別山腹地，為宜華線全線高程最高的耐張段，塔位高程434～874 m。事發(fā)當日電力部門的現(xiàn)場巡查資料表明：線路導線表面覆冰厚度為18～23mm，個別地方覆冰厚度達到60mm，事發(fā)地段積雪深度30～35 cm。事故段路徑是±500 kV宜華線在安徽境內(nèi)海拔最高的區(qū)域，覆冰災害較嚴重，擬在事故段路徑通道建設一座觀冰站。

±500 kV宜華線#1151塔原海拔高程874.4 m，為該線路安徽境內(nèi)最高處，該路徑段原導線設計冰厚為10mm，2008年因覆冰導致倒桿斷線，之后該段路徑進行了修復重建，在重建時一方面提高了覆冰設計標準，另一方面進行了局部遷改，降低了路徑的海拔高程，現(xiàn)塔位海拔高程467 m。大別山區(qū)的導線覆冰厚度，除微地貌影響外，與海拔關系密切相關，海拔越高，覆冰越重。考慮到設立本觀冰站的目的主要是為了監(jiān)測±500 kV宜華線的冬季導線覆冰，觀冰站的選址應盡量靠近現(xiàn)狀路徑，并與現(xiàn)狀路徑海拔相當。

觀冰站的場地尺寸和面積應該能夠滿足雨凇塔和氣象要素觀測設備的布置要求，同時應能滿足值班室的建設要求。由于觀冰站一般位于山區(qū)，一般難以找到面積較大的平整場地，需對山包進行挖填方處理。為減少挖填方，觀冰站的觀測場和值班室也可以根據(jù)地形分開布置，中間以道路相連，但是值班室距離觀測場不宜太遠，以便于人員往返觀測。

根據(jù)以上原則，結(jié)合地形圖并經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，本觀冰站觀測場選擇在±500 kV宜華線#1151塔南側(cè)的一個小山包上，觀測場位置四周較空曠，地面植被以低矮的茶樹為主，海拔高程470 m左右。當?shù)囟局鲗эL向為東北風，站址北部區(qū)域為響洪甸水庫庫區(qū)，水庫庫區(qū)與站址之間無山脈和障礙物遮擋，氣流通暢。站址南側(cè)約70 m處山坡下即為水泥公路，附近有村民居住，交通便利，水電接入方便。由于小山包面積較小，值班室根據(jù)地形選擇在觀測場東側(cè)約100 m的小山包腳下平地處。觀冰站區(qū)域地形圖見圖1，觀冰站的觀測場和值班室衛(wèi)片圖見圖2。

圖1 觀冰站區(qū)域地形圖

圖2 觀冰站的觀測場和值班室衛(wèi)片圖

2 觀冰站的設計

結(jié)合±500 kV宜華線觀冰站的工程實例，觀冰站設計的主要內(nèi)容介紹如下。

2.1 觀測場

根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求，雨凇塔由兩組相互垂直的鋼結(jié)構(gòu)架組成，布置檔距應不小于10 m，且氣象觀測儀器距離觀測場邊緣護欄需不小于3 m，因此觀測場尺寸不宜小于16×16 m，本例觀冰站觀測場選擇16×16 m的觀測場地。

觀測場內(nèi)布置雨凇塔和一套自動氣象觀測設備，配備視頻監(jiān)測裝置。為了滿足雨凇塔布置的方向要求，觀測場的布置方向應與當?shù)囟局鲗эL向相一致。

與本觀冰站相距最近的氣象站為霍山氣象站，根據(jù)霍山氣象站的風向觀測資料，其冬季主導風向為東北風。霍山氣象站位于大別山區(qū)東北部邊緣，本工程位于大別山區(qū)，區(qū)域地勢總體東北低，西南高，本工程與霍山氣象站之間無高山大嶺阻隔，直線距離僅約28 km，因此本觀冰站的冬季主導風向選用霍山氣象站的風向觀測資料，為東北風。由于觀測場的布置方向應與當?shù)囟局鲗эL向相一致，本觀冰站觀測場的布置方向為北偏東45°。

本例觀冰站觀測場原始地貌為小山包，地形高差較大，根據(jù)要求，需設計成地形平整的一塊平臺。根據(jù)觀測場地形和地質(zhì)條件，考慮采用將整個觀測場地做成混凝土平板的框架結(jié)構(gòu)，采用不同的柱長進入土層，混凝土平板上覆土綠化。

觀測場場地整平的時候需要注意：觀測場四周的地形和樹木高度不得高于觀測場的設計標高，以防止四周突出的地物對通過觀測場的氣流有遮擋，影響觀測結(jié)果。

觀測場內(nèi)設觀測便道，空地區(qū)域值草皮。為防止外來因素損壞設備，對設備進行保護，觀測場四周設置稀疏圍欄，圍欄所用材料宜不反光或弱反光。

本例觀冰站觀測場平面位置圖見圖3。

圖3 觀測場平面位置圖

2.2 觀測設備

2.2.1 雨凇塔

觀測場內(nèi)設置兩組雨凇塔，雨凇塔由兩組相互垂直的鋼結(jié)構(gòu)架組成，布置方向為冬季主導風向的平行方向和垂直方向，并考慮覆冰、大風、雷電、地質(zhì)等因素的影響，設計荷載標準采用50 a一遇。雨凇塔布置檔距采用10.0 m，并設置爬梯和護欄，便于觀測和維護。導線懸掛點高度為離地2.2 m和離地10.0 m，導線型號為LGJ－400/50；同時在雨凇塔外側(cè)懸掛絕緣子串，用于觀察絕緣子串的覆冰情況。雨凇塔示意圖見圖4。

圖4 雨凇塔示意圖

2.2.2 自動氣象觀測設備

觀測場內(nèi)設置一套自動氣象觀測設備，用于觀測覆冰同時的氣象要素，包括風速、風向、雨量、氣壓、溫度和濕度等。設備包含主采集系統(tǒng)、雨量傳感器、風速傳感器、風向傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器、太陽能供電系統(tǒng)、風桿(10m高)等。自動氣象觀測設備示意圖見圖5。

2.2.3 視頻監(jiān)測裝置

視頻監(jiān)測裝置安裝在雨凇塔上，對導線覆冰進行實時視頻監(jiān)測。

2.2.4 人工覆冰觀測設備

圖5 自動氣象觀測設備示意圖

由于目前覆冰自動觀測技術尚不成熟，覆冰觀測以人工觀測為主，需配備相應的人工覆冰觀測設備。

人工覆冰觀測設備包括游標卡尺、合頁箱、取冰刀具、臺秤及量杯等。

(1)游標卡尺：用以測定積冰直徑和厚度。

(2)合頁箱：用以截取導線上的積冰物。直徑為15 cm和25 cm兩種規(guī)格的，應各配置兩個，供不同方向的導線使用，按導線方向定向?qū)Ｓ谩８脖鶉乐氐牡貐^(qū)，還可以再配置兩個直徑為40 cm的合頁箱。

(3)取冰刀具：手鋸、魚尾鉗、三棱刮刀、噴燈等，用以切割和清除積冰。

(4)臺秤：單位為g，用以測定積冰重量。

(5)量杯：通用毫升(ml)量杯，用以測定積冰體積。

(6)便攜式氣象測定儀：為選配設備，可手持即時監(jiān)測風向、風速、溫度、濕度、大氣壓等各基本氣象要素。便攜式氣象測定儀所測氣象要素可以與自動氣象觀測設備觀測的數(shù)據(jù)進行比對，以及在自動氣象觀測設備故障時使用。

2.3 值班室

值班室為冬季覆冰觀測期間人員入駐使用，要滿足基本的生活和觀測需要。

本例值班室場地為9×14 m，建設一座6×9.6 m的單層值班室。值班室為單層建筑，內(nèi)設工作間、休息室、客廳(餐廳)、廚房和衛(wèi)生間。值班室水源采用附近村莊的自來水，可滿足使用要求。

2.4 電源

本例觀冰站供電采用低壓線和光伏供電相結(jié)合的方式。

自動氣象觀測設備和視頻監(jiān)測裝置均自帶光伏發(fā)電系統(tǒng)(含蓄電池)一套，滿足自身供電需求。

本例觀冰站附近有380 V交流電源經(jīng)過，就近接入380 V電源作為觀冰站生活用電電源，以及作為自動氣象觀測設備和視頻監(jiān)測裝置的電源(與光伏供電作為雙保險供電)。考慮到設置觀冰站的區(qū)域冬天覆冰較嚴重，為保證供電可靠性，輸電線不宜采用架空敷設方式，可采用電纜直埋敷設。

2.5 智能輔助與安防系統(tǒng)

觀冰站配置1套智能輔助控制系統(tǒng)，包括圖像安全監(jiān)控及防盜報警子系統(tǒng)、智能聯(lián)動控制子系統(tǒng)，可實現(xiàn)圖像監(jiān)控及安防控制。

2.6 數(shù)據(jù)傳輸方式

根據(jù)覆冰監(jiān)測和資料存儲的需要，自動氣象觀測設備和視頻監(jiān)測裝置采集的數(shù)據(jù)信息需要無線傳輸至遠程客戶端。

本例觀冰站自動氣象觀測設備和視頻監(jiān)測裝置均配備無線通信模塊，可自動采集和傳輸信號。采用無線專網(wǎng)傳輸方式，即采用租賃GPRS/CDMA等公網(wǎng)通道進行數(shù)據(jù)傳輸。按照信息安全防護的要求須啟用移動運營商提供的APN等安全服務。

3 結(jié)語

觀冰站點為輸電線路的覆冰厚度荷載條件選取提供基礎資料，為輸電線路的安全運行提供重要保障。目前，相比于氣象站點，觀冰站點的數(shù)量很少，有關選址和設計的文獻資料也較少。本文介紹了觀冰站點的作用和分類，結(jié)合安徽省內(nèi)第一座觀冰站的工程實例對觀冰站選址的原則和方法、觀冰站設計的主要內(nèi)容進行分析研究，為觀冰站的選址和設計工作積累經(jīng)驗。