“3.22”商洛地區(qū)覆冰災害調(diào)查

晁 銳，馮曉旭

(陜西省電力設計院，陜西 西安 710054)

“3.22”商洛地區(qū)覆冰災害調(diào)查

晁 銳，馮曉旭

(陜西省電力設計院，陜西 西安 710054)

根據(jù)“3.22”商洛地區(qū)覆冰災害的事故統(tǒng)計和現(xiàn)場調(diào)研情況，從天氣系統(tǒng)、氣象要素和地理環(huán)境等方面分析本次覆冰災害的原因。針對本次事故所反映的問題，從設計、運行等方面提出相應建議。

輸電線路；覆冰；氣象。

1 概述

3月22日～3月23日陜西省商洛地區(qū)受強冷空氣侵襲，境內(nèi)普降雨雪，氣溫降至0 ℃左右，降水量達49.1 mm，其中山陽、丹鳳縣普降大雪，傍晚時分，山陽縣短時間降雪深度達到100 mm。惡劣天氣致使線路覆冰，造成電力設施嚴重受損，商洛電網(wǎng)6條110 kV、8條35 kV輸電線路跳閘，尤其是10 kV配網(wǎng)線路損失嚴重，大面積倒桿、斷線，3座35 kV變電站設備受損，造成6座35 kV變電站停電，因事故搶修被迫停運3座35 kV變電站，33條10 kV配網(wǎng)線路發(fā)生倒桿斷線。其中，10 kV倒(斷)桿998基，斷線269.22 k m；0.4 kV線路倒(斷)桿7659基，斷線662.20 km，涉及28個鄉(xiāng)鎮(zhèn)396個行政村1131個臺區(qū)停電，約33萬人口的生產(chǎn)生活受到嚴重影響。

2 山陽縣氣候概況

山陽縣屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的季風性半濕潤山地氣候。山陽縣氣候溫和，但垂直差異大。年平均氣溫13.1 ℃，極端高溫38.9 ℃，極端低溫-16.4 ℃，平均相對濕度69 %，年平均降水量703.1 mm，年最大積雪深度30 cm，年最大凍土深度17 cm。

由于鶻嶺、鄖嶺和流嶺等“三嶺”均由西向東蜿蜒伸展，地勢均呈西高東低、北高南低，加之秦嶺主脊天然屏障阻擋、減弱冬季北方冷氣團入侵勢力，還有漢江支流的金錢河河谷有利于南方濕熱氣流的伸進，配置成帶性和區(qū)域性錯綜復雜的氣候關系。

3 覆冰的種類及災害范圍

3.1 輸電線路覆冰的種類及特性

覆冰按形成條件及性質(zhì)可分為雨凇、霧凇、混合凇和濕雪等。

⑴雨凇

雨凇是粒徑較大的過冷卻水滴，碰撞在物體上，先散開成水膜然后凍結(jié)成冰凌，呈濕增長方式。冰體透明堅固，比重大，一般為0.6 g/cm3～0.9 g/cm3，黏附力強，常伴有冰柱。

⑵霧凇

霧凇是粒徑較小的過冷卻水滴，隨氣流浮動，在碰擊物瞬間即凍結(jié)成冰凌，呈干增長方式。冰體白色疏松，比重小，一般為0.1 g/cm3～0.4g/cm3，黏附力較弱，通常在物體的迎風面凍結(jié)。

⑶混合凇

當不同粒徑的過冷卻水滴，隨氣流浮動，在碰撞物體瞬間，部分呈干增長，部分呈濕增長。冰體呈半透明狀，比重中等，一般為0.4 g/cm3～0.6 g/cm3，常在物體的迎風面凍結(jié)，有一定的黏附力。

⑷濕雪

凍結(jié)的雪片，在降落過程中，通過一段溫暖層后，雪片趨于潮濕、融化，然后凍結(jié)在物體上，冰體呈白色堆積狀，比重和附著力均較小，比重一般為0.1 g/cm3～0.5 g/cm3。

根據(jù)對災害事故的現(xiàn)場勘察以及救援人員對當時覆冰情況的描述，我們認為本次覆冰類型為霧凇與濕雪的混合物。

3.2 災害范圍及事故類型

本次冰雪災害主要發(fā)生在以山陽縣為中心的商洛市大部分地區(qū)，周邊的丹鳳、鎮(zhèn)安、柞水等縣也有局部受災。

通過查閱相關線路的設計資料，本次雪災受損高壓輸電線路的設計覆冰厚度分別為5 mm和10 mm。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查、分析線路受損的類型主要有三類：一是導、地線覆冰，線路弧垂降低帶電距離減小，造成線路放電、短路故障；二是導、地線覆冰超過應力極限，造成斷線；三是導、地線、塔覆冰超過桿塔、橫擔荷載，造成桿塔倒塌、傾斜以及橫擔變形、折斷等。

4 災害事故原因分析

為了全面客觀地分析本次輸電線路受損的原因，我們前往事故現(xiàn)場進行現(xiàn)場勘察，并在供電和氣象等部門收集相關資料。通過天氣系統(tǒng)、氣象要素和地理環(huán)境貌等諸多方面對本次災害事故的發(fā)生過程及事故原因進行分析研究。

4.1 覆冰過程的區(qū)域天氣系統(tǒng)分析

3月22日08點500 hPa高空圖上，大氣環(huán)流形勢為一脊一槽型，貝湖附近為低槽區(qū)，南支槽位于漢中到四川中部(圖1)，地面冷鋒南壓到關中以南(圖2)，低層700 hPa在四川中部—安康—商洛—河南為一低渦切變(圖3)：

圖1 線路覆冰狀況

圖2 桿塔受損狀況

圖3 2010年3月22日08時海平面氣壓場

圖4 2010年3月22日08時500hPa高度場

圖5 2010年3月22日08時700hPa風場

22日晚500 hPa形勢沒有大的變化從西南地區(qū)到商洛市維持西南氣流，700 hPa的切變南壓，且冷溫槽剛好壓到商洛市上空，冷暖氣流在其上空交匯，產(chǎn)生大范圍的雷電及強降水天氣，由于高空冷空氣較強，使得低層氣溫急劇下降，從而產(chǎn)生暴雪天氣。因此，本次冰雪災害事故的主要原因是由于天氣系統(tǒng)和大氣環(huán)流活動劇烈導致天氣條件突變、氣溫驟降引發(fā)的。

4.2 山陽縣氣象站的代表性分析

山陽縣氣象站位于山陽縣城關鎮(zhèn)西河村許家彎村民組前平地“鄉(xiāng)村”，北緯33°33′，東經(jīng)109°52′，海拔高度660.2 m，建站于1959年1月。

山陽縣為本次冰雪災害的重災區(qū)，山陽縣氣象站地處山陽縣中部偏北，對于全縣大部分地區(qū)在30 km控制范圍之內(nèi)，對輸電線路的氣象條件具有較好的代表性。但由于山陽縣氣象站位于河谷地帶，地勢較低，而大部分輸電線路走在山區(qū)，海拔相對更高，地形也更為復雜。因此，輸電線路所處地區(qū)的氣溫相對更低；風速也相對更大。

4.3 覆冰過程的氣象要素分析

為了更好的分析本次覆冰災害，我們收集了山陽縣氣象站同期觀測的氣象要素，并根據(jù)收集到的資料繪制覆冰同期相關氣象要素變化圖，如下：

圖6 覆冰同期相關氣象要素變化圖

導線覆冰首先是由氣象條件決定的，是受溫度、濕度、冷暖空氣對流、環(huán)流以及風等因素決定的綜合物理現(xiàn)象。導線覆冰的必要氣象條件是：①具有足可凍結(jié)的氣溫，即0 ℃以下；②具有較高的濕度，即空氣相對濕度一般在85 %以上；③具有可使空氣中水滴運動之風速，即大于1 m/s的風速。

根據(jù)調(diào)查，本次線路覆冰增長階段主要發(fā)生在22日21時至23日8時這一時段。從圖6可以看出，本時段氣象站的平均溫度維持在0℃左右、相對濕度約為100 %、風速為0 m/s～1 m/s、降水量約為32.7 mm、積雪深度達100 mm。

山陽縣氣象站的海拔高度為660.2 m，但是輸電線路走徑大多位于海拔1000m以上的山上，高于氣象站300 m以上。由于山陽縣境內(nèi)再無其它氣象站，根據(jù)對流層氣溫直減率的平均值0.65 ℃/100 m來推算輸電線路處的溫度約為-2 ℃左右；考慮到線路處的海拔更高且地形復雜，風速也相對更大一些。滿足了上述覆冰的氣象要素外，加上當時降水的配合，最終形成了本次冰雪災害事故。

4.4 根據(jù)調(diào)查覆冰進行標準冰厚的換算及分析

由于線路覆冰種類多，同時覆冰厚度與線路所經(jīng)過地區(qū)的氣象條件、線路走徑、所處高程、地形地貌、線路特性等有關。現(xiàn)場發(fā)生的覆冰厚度衡量對比的手段是根據(jù)調(diào)查點的調(diào)查冰厚換算為標準冰厚。

根據(jù)DL/T5158—2002《電力工程氣象勘測技術規(guī)程》提供的技術方法計算標準冰厚，即：

式中：B0為標準冰厚，mm；R為覆冰半徑(包括導線)，mm；r為導線半徑，mm；Ks為覆冰形狀系數(shù)(Ks=b/a)；ρ為實測或調(diào)查覆冰密度，g/cm3。

通過對災害事故現(xiàn)場的實際情況(現(xiàn)場地形地貌勘察、救援人員的口述)分析，我們認為本次覆冰類型霧凇與濕雪的混合物，密度取0.2～0.4較為合適，通過計算得出本次最大覆冰厚度為16.4 mm，一般覆冰厚度在7 mm～13 mm之間。

4.5 對事故點地理環(huán)境的分析

山陽縣地處秦嶺南坡，絕大部分是群山綿亙，主要山脈有流嶺、鶻嶺和鄖嶺，基本呈東西走向。流嶺位于北部，一般海拔在1600 m～1900 m之間；鶻嶺橫貫中部，最高海拔2074 m；南部為鄖西大梁，一般海拔在1640 m～1842 m之間。

從本次事故發(fā)生的范圍和所處的地形地貌條件來看，覆冰嚴重地區(qū)位于山陽縣的流嶺、鶻嶺和鄖嶺及周邊地區(qū)，這一地區(qū)海拔在1700 m～2100 m，均高于四周地形，地形復雜，氣候多變。每年冬春季節(jié)，南北氣流交匯，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。

根據(jù)現(xiàn)場勘察，本次線路覆冰事故在微地形地段發(fā)生較多。例如本次受災最嚴重的35 kV杏戶線5#塔嚴重扭曲、倒塌，就位于戶恒九里坪南坡半山腰的埡口處。這些地段本來屬于微地形區(qū)段，易造成冷暖氣流在抬升與下沉過程中交匯，形成微氣候條件，造成比其他地區(qū)更嚴重的冰情而引起事故發(fā)生。

經(jīng)過對現(xiàn)場的勘察，本次事故發(fā)生較多的微地形主要包括以下地段：

⑴地形突然抬升的陡坡地段。

⑵線路走徑靠近河流的地段。

⑶風口、埡口和分水嶺等特殊地形。

此外，根據(jù)現(xiàn)場的覆冰特點來看，高海拔地段比低海拔覆冰要重，迎風面比背風面要重。

5 結(jié)論和建議

5.1 結(jié)論

通過對本次冰災事故全面調(diào)查收資和對調(diào)查數(shù)據(jù)計算分析，我們認為本次冰雪災害事故主要是由于極端天氣引發(fā)的，屬于偶遇事件，并不能從根本上改變該地區(qū)氣象分區(qū)的性質(zhì)，但局部微地形地段應考慮適當提高設計標準或在設計時對鐵塔、導線留有余度，避免超設計荷載情況發(fā)生。

5.2 建議

⑴本次災害中，35 kV以上線路主要在微地形微氣候地段發(fā)生冰災事故，因此，建議在線路的設計過程中應該加強微地形微氣候的分析，從設計上提高電網(wǎng)的抗冰能力。

⑵由于本次覆冰災害事故對主網(wǎng)影響較小，但10 kV配網(wǎng)線路損失慘重，共有33條10 kV配網(wǎng)線路發(fā)生倒桿斷線。因此，建議對配網(wǎng)改造進行統(tǒng)籌安排，提前改造，提高配網(wǎng)的抗冰能力。

⑶由于我省目前覆冰觀測資料較少，建議在覆冰較重地區(qū)及重要輸電走廊地區(qū)設立長期觀冰站，積累覆冰資料，為電網(wǎng)設計提供第一手觀測資料。

⑷電力部門應該加強與氣象部門的合作，對易產(chǎn)生覆冰事故的天氣進行提前預測，做好覆冰事故的防范工作。

⑸應該做好冰災事故的應急預案，一旦發(fā)生冰災事故，能夠在第一時間做出反應，將事故損失降低到最小程度。

[1]DL/T 5158—2002，電力工程氣象勘測技術規(guī)程[S]．

[2]DL/T 5440—2009，重覆冰架空輸電線路設計技術規(guī)程[S]．

[3]趙永生，王富榮，等．我國南方地區(qū)電網(wǎng)覆冰事故分析及應對措施研究[J]．電力勘測設計，2009，(1)．

[4]陳家瑂．導、地線覆冰成因及影響因素的分析與思考[J]．江西電力職業(yè)技術學院學報，2008，(21)．

[5]Masoud Farzaneha.黃新波等譯．電網(wǎng)的大氣覆冰[M]．北京：中國電力出版社，2010．

[6]周淑貞，等．氣象學與氣候?qū)W[M]．北京：高等教育出版社，2004．

Investigation of "3.22" Ice Disaster in Shangluo

CHAO Rui, FENG Xiao-xu
(Shaanxi Electric Power Design Institute, Xi’an 710054, China)

According to the accident statistics and fi eldwork of "3.22" ice disaster in Shangluo,the article analyse the causes of this disasters from the weather system,meteorological and geographical factors.In allusion to the problem re fl ected from the icing accident,we presents some measures to design and operation.

transmission lines, icing, weather.

P462

B

1671-9913(2011)01-0033-04

2010-11-04

晁銳(1985-)，男，助理工程師，主要從事電力工程水文氣象勘測工作。