六盤山輸電線路設計冰厚分析計算

李 強， 謝 君， 甄 黎

(1.西北電力設計院，陜西 西安 710032 ；2.甘肅電投炳靈水電開發有限責任公司， 甘肅 永靖 731600)

1 概述

導線覆冰在國內外分布很普遍，我國是發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的安全運行，并造成了巨大的經濟損失。近30年來，大面積覆冰事故在全國各地時有發生，國家電網運行管理處統計資料表明，2006年1月至2007年6月，由覆冰引起的500kV線路跳閘13次，占總跳閘數的8.84%，由覆冰引起的500 kV線路非計劃停運4次，占總停運次數的11.11%。可見，覆冰已經成為危害線路安全運行的主要原因之一。

750kV蘭州～平涼～乾縣輸電線路所經過的六盤山區，地形復雜，氣候多變，每年冬春季節，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律認識不足設計條件選擇不當及缺乏抗冰經驗等原因，運行線路遇到嚴重覆冰時，往往會發生電氣間隙距離不能保持，或因導線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，造成電網長時間停電。六盤山重冰區受山地氣候的影響極為嚴重，研究該地區導線覆冰問題就必須從氣象角度出發來分析導線覆冰成因及其與氣象條件的關系。為研究六盤山導線覆冰的變化規律，西北電力設計院水文氣象專業組織人員從2004年12月28日至2005年3月31日，赴現場進行了為期3個月的觀測，以尋求六盤山導線覆冰與氣象條件的關系。

2 導線覆冰觀測站的地理位置及觀測項目

2.1 地理位置

六盤山氣象站觀測點位于寧夏回族自治區固原市隆德縣城東北方向的六盤山“山頂”，北緯35°13′，東經106°12′，距離德隆縣城約10km，觀測場海拔高度2848m，周圍植被良好，主要以松樹為主。

分界嶺(以東為涇河水系，以西為葫蘆河水系)觀測點位于寧夏回族自治區固原市涇源縣縣城西約12 km的小山包上，北緯35°13′，東經106°12′觀測場海拔高度2650m，周圍植被良好，主要以松樹為主。

大漫坡觀測點位于寧夏回族自治區固原市德隆縣山河鎮以東約4km的緩坡上，地勢略顯平緩，但相對周圍地勢仍較高，北緯35°13′，東經106°12′觀測場海拔高度2400m，周圍植被良好，主要以松樹為主。

暖水測點位于觀測點位于寧夏回族自治區固原市涇源縣惠臺鄉暖水村西的一個小山包上，北緯35°13′，東經106°12′觀測場海拔高度2300m，周圍只有少量的牧草或梯田，無樹木。

以上各個測點基本都處于山梁梁頂處，植被條件較好(暖水測點除外)，局部地區微氣象條件差異不大，只是海拔高度略有不同，各個測點的相對位置關系見圖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、質量、風向、溫度、覆冰時間。

3 數據與分析

3.1 導線覆冰與海拔高度的關系

根據《地面氣象觀測規范》的具體要求，對觀測到的六盤山導線覆冰及氣象要素數值做了整理，在覆冰觀測期間，觀測到多次覆冰現象。其中較為明顯的有兩次過程：2005年2月3日～2005年2月8日的霧凇與2005年的3月21日的雨凇。而2005年2月3日～2005年2月8日的霧凇在所有的觀測點都觀測到了覆冰情況，部分實測數據見表1。

表1 六盤山導線覆冰觀測數據

從上表可以看出，無論是暖水觀測點到六盤山氣象站觀測點，還是導線的方向，覆冰的長徑、短徑、質量都是隨著海拔高度的變化而變化的。其中，2005年2月5日從暖水觀測點到六盤山氣象站觀測點覆冰的長徑、短徑、質量都是隨著海拔高度的增加而增大的。2005年2月6日從暖水觀測點到六盤山氣象站觀測點覆冰的長徑、短徑、質量都是隨著海拔高度的增加呈現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生了變化。2月5日當天的凝結高度為3000m左右，均高于各個觀測點的海拔高度；2月6日當天的凝結高度為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論相同。

3.2 導線覆冰與導線架空高度的關系

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，對分界嶺架空高度為2m、5m的導線覆冰觀測數據詳見表2。

表2 分界嶺2m、5m導線覆冰觀測

從上表可以看出，分界嶺觀測點距離地面5m高處導線覆冰比距離地面2m高處導線覆冰嚴重。隨著觀測高度的升高，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，氣流向導線輸送水汽的能力也就越強，從而更加有利于覆冰的生成。導線覆冰厚度隨導線架空高度的增高而增加。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六盤山地區的長期覆冰分布情況，現根據六盤山氣象站提供的實測的歷年最大覆冰質量成果，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 六盤山氣象站1981～2002年最大覆冰質量成果 單位：g/m

表4 六盤山氣象站各頻率計算成果表 單位：g/m

表5 不同頻率設計冰厚成果表 單位：mm

4 結語

依據《750kV架空送電線路設計暫行技術規定》，750kV蘭州～平涼～乾縣輸電線路覆冰設計按50年一遇考慮，結合本次實地觀測的資料和六盤山氣象站1981年～2002年期間的覆冰資料，采用Gumbel極值(Ⅰ)型對其進行分析計算，結果詳見表5。同時，考慮到線路所經地段覆冰類型主要以霧凇為主，尤其是粒狀霧凇，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計條件和運行情況，考慮近幾年六盤山地區冬季覆冰災害天氣影響范圍和程度。經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750kV蘭州～平涼～乾縣輸電線路六盤山地段，海拔在2300m以下，覆冰按10mm考慮；海拔2300～2500m之間取15mm；海拔2400～2500m取25mm；海拔2500～2600m取30mm；海拔2600m以上按35mm考慮。

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