微地形和小氣候區線路覆冰影響因素分析及工程實例

康基偉

(河南電網建設管理公司，河南鄭州450000)

0 引言

2008年初，全國各地尤其是南方數省遭遇了罕見雨雪冰凍災害，給電力系統的安全運行帶來了重大災難.此次冰災中，華中、華東、華南、西南均出現了輸電線路倒塔、斷線、斷股、金具損壞等嚴重事故，尤其是220 kV及500 kV線路由于輸電距離遠，沿線周圍環境復雜多樣，輸電走廊跨經河流、峽谷、高山林區等微地形和小氣候區，受損情況尤為嚴重.國家西電東送戰略深層推進，屆時會有更多電力線路跨越河流、峽谷、高山林區等微地形和小氣候區，這些區域往往存在誘發覆冰的因素，在必要的地段若不采取加強措施，實際覆冰厚度將超出設計標準，造成電網安全隱患.因此，在線路規劃、設計、建設、運行、維護中需重點考慮微地形和小氣候區的特殊性，在這方面進行分析研究也是十分必要的，期望為提升電網御冰能力提供理論依據，減少惡劣氣象條件下重大冰災事故的發生.

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、風速及風向、冷暖空氣對流、環流、海拔高程、線路直徑、電場及負荷電流等氣象因素、地形因素以及導地線自身因素.當大氣中的過冷水滴在下落或隨風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成冰，這就是輸電線路的覆冰.

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

覆冰按形成條件及性質可分為雨凇、霧凇、混合凍結三類，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(特別是相對于迎風面);(2)迎風面一側較大范圍的地域內，海拔高程處于相比較低的范圍內.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，自投運以來，重覆冰事故多有發生;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月連續兩次發生覆冰倒塔斷線事故，也受其特殊地形條件影響.2008年冰災事故中，云南500 kV宣威曲靖線#178～#179附近800 m范圍內有多個水庫，冬季霧大、風大、空氣潮濕，#169～#185位于大德基東北至西南風槽埡口帶，氣溫低于0℃時，在冷氣流作用下覆冰也多次發生［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

受季風氣候影響，我國冬季風向多為北風或西北風，當山脈呈東西走向，與風向大致垂直時，在迎風坡形成強勢阻擋，使冷氣團移動緩慢，局部出現冷濕環境，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線路經過苗嶺山脈南坡，地處迎風段，冬季覆冰嚴重［11］.

2.1.2 山體結構(風道、山脊、埡口)因素

山脊、埡口地段易形成嚴重覆冰，此情況多集中在兩湖、四川和云貴山區，如湖北荊門漢江風道，東西兩側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強力地涌向這里，迫使該地區的暖氣團持續抬升，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，覆冰厚度與海拔高度大致呈正比關系.海拔愈高，覆冰愈易，冰愈厚，且多為霧凇;反之，則不易結冰，冰厚薄，且多為雨凇或混合淞.這是由于隨海拔的升高，風速及水霧密度均隨之增大所致.某一環境下開始結冰的海拔高度稱為凝結高度.在我國，線路覆冰凝結高度的地域特點是西高東低，北高南低.在凝結高度點以上，覆冰隨海拔的升高而增厚［6］.

前蘇聯學者布琴斯基提出了頓巴斯地區覆冰平均直徑和海拔高度的經驗關系［11］:

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

前蘇聯頓巴斯地區與我國恩施地區海拔高度與覆冰厚度的關系［11］見圖1與圖2.

傳統認為，我國線路重覆冰區集中在西南海拔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.但湖南洞庭湖平原海拔150～600 m處也發生了嚴重覆冰，這啟發我們對海拔與覆冰的關系需要重新認識和研究［14］.

2.1.5 全封閉或半封閉的盆地、水庫壩區的冷湖效應

由于盆地和壩區地形的封閉性，冷濕氣流一旦入侵，沒有消散通道，會長期回環滯留，后續冷濕氣流也會繼續不斷的補充進來，造成該區域的持續低溫、潮濕，形成局部范圍的“冷湖”.輸電線路跨越“冷湖”，會產生較嚴重的雨凇、霧凇覆冰，如四川夾金山尾脈的二郎山區域、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(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。防護林以連片林地、林帶或林網形式營造，利于防風阻風，改道風向，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，覆冰發生幾率降低及厚度減小.經研究，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林的防護效應.有資料［2］顯示，林帶對覆冰有著良好的防護效應，如表3所示.

結合三北防護林有關資料［15］分析得，當林帶偏角0°時，防風效應最好，偏角越大，效果越差;偏角30°以內效能降低不顯著，但超過30°～45°時效能降低很快.

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

2.2 小氣候對覆冰的影響及典型實例

影響線路覆冰的氣象因素主要有4種，即環境溫度、環境濕度、風速及風向、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(氣溫及導線溫度必須低于0℃);②強濕度(相對濕度＞88%);③風速0～7.5 m/s;④風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，導線有一個最大覆冰直徑，當導線超過該直徑值后，導線將不會覆冰.導線最大覆冰直徑與 α1α2α3之積成正比，α1，α2，α3分別為過冷卻水滴與導線接觸時的碰撞率、捕獲率及凍結系數.其中，碰撞率與導線直徑成反比，與水滴半徑的平方及風速成正比，因此較大直徑的水滴易在導線上形成覆冰［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聯性進行了研究［17］，根據試驗數據，經過相關性的數學擬合，分別推導出了導線覆冰厚度與溫度、濕度及風速中的某一單一因子數學關系式.

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

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

覆冰厚度T與環境風速w的關系如公式(4)所示: T=-0.288 8w+9.487 1;

鄂西地區線路覆冰速度與溫度的曲線關系［2］如圖3 所示.

圖3 覆冰增長速度與溫度關系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確的，相關性較差，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、風速等多氣象參數在內的數學模型，以提高各個氣象因素與覆冰的相關系數，進而能夠對覆冰厚度做出正確的分析和判斷.根據湘西地區歷年覆冰記錄，提出覆冰厚度與風速、溫度間的經驗關系［11］，如公式(5)所示.

式中:T是覆冰厚度，mm;n是持續冰凍天數;t是環境溫度，℃;v是風速，m/s.

湘西地區線路覆冰與環境溫度、風速的數據統計如表4所示.

特別指出，傳統認為:覆冰成長快慢與導線表面的水汽接收率有關，即覆冰速度與風速成正系數相關.現場觀測表明［2］，導線覆冰成長速度并不與風速完全成正比，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，還受季節因素和線路自身導線的影響［5］.如:(1)導線剛度;(2)導線直徑;(3)導線載流及周圍電場強度.

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數據統計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覆冰原始資料的積累及整理

有關微環境的歷史資料還很匱乏，不同微環境下覆冰的成長形狀和密度各不相同，全國范圍內微地形和小氣候區的劃分以及相關基礎數據的收集問題亟待解決.基礎數據的收集對線路冰災原因的分析、防冰措施的選擇、除冰技術的研究、抗冰方案的設計都是不可或缺的.因此，典型微環境區應設立觀冰哨，收集和整理輸電線路微地形、小氣候特征覆冰的原始數據，逐步建立完善的基礎數據庫，并加強測量人員的技術培訓和數據采集設備的改進，以提高原始數據的可信性，為新建線路規劃及已投運線路改造提供可靠的氣象依據.

3.2 規劃微環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出現覆冰倒塔、斷線事故.通過具體分析，發現云南、貴州、湖南等多地區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］，后據現場勘查，該地區輸電線路受災地段線路覆冰厚度均超過設計值，部分地段甚至超過設計值兩倍之多，充分帶有微地形、小氣候特征.若全面提高線路設計標準，則可能造成不必要的資源浪費.鑒于此，今后線路規劃及設計時應充分考慮該因素的影響，在總體設計標準的基礎上重點加強高海拔、大濕度、低氣溫、大檔距、強風口等微環境下的局部抗冰設計.

3.3 加強微地形和小氣候區氣象參數的動態監測

在因微環境引起覆冰事故的多發地段，應加強氣象條件的實時監測，從而快速準確的掌握線路異常情況，合理有效的采取抗冰措施，防止冰災隱患于未然.

3.4 進一步開展導線覆冰與各地形參數、氣象參數的關聯性研究

現有對覆冰機理的解釋均建立在既有經驗公式和數學模型上，各地形參數、氣象參數并沒有得到很好的擬合，這些理論模型推演結果與運行實際還存在較大差距.可在這方面做進一步的研究，以期在制定防冰、抗冰方案時具有指導意義.

4 結論

我國是個幅員遼闊、地形復雜、氣候多樣的國家，這決定了我國微地形區、微氣象點廣泛分布，歷年來的冰災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持續建設，輸電線路將跨度更遠，走廊將分布更多的微氣象點、途徑更多微地形區，筆者對微地形、小氣候區特征的有關分析，將為規避線路覆冰事故提供借鑒.

［1］歐陽麗莎，黃新波，李俊峰，等.1000kV特高壓輸電線路覆冰區的研究與劃分［J］.高壓電器，2010，46(5):4-8.

［2］蔣興良，舒立春，孫才新.電力系統污穢與覆冰絕緣［M］.北京:中國電力出版社，2009.

［3］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.

［4］黃志洲.區域覆冰氣候背景［C］//2008年自然災害對電力設施的影響與應對研討會論文集.北京:中國國家委員會，2008:340-345.

［5］陽林，郝艷捧，黎為國，等.輸電線路覆冰與導線溫度和微氣象參數關聯分析［J］.高電壓技術，2010，36(3):775-781.

［6］趙芳良，馬芳.輸電線路覆冰原因分折及對策研究［J］.電力安全技術，2010，12(6):31-35.

［7］廖祥林.導線覆冰性質分類和密度淺析［J］.電力建設，1994，15(9):17-25.

［8］苑吉河，蔣興良，易輝，等.輸電線路導線覆冰的國內外研究現狀［J］.高電壓技術，2004，30(1):6-9.

［9］FARZANEH M，BAKER T.Insulator icing test methods and procedures［J］.IEEE Trans on Power Delivery，2003，18(4):1503-1515.

［10］黎新吉.簡析“微地形”對送電線路覆冰的影響［J］.農村電氣化，1998(01):12.

［11］何永達.導線覆冰與溫度、風速之間的關系初探［C］//第五屆輸配電技術國際會議論文集.北京:中國電力企業聯合會，2005:221-229.

［12］方國和，沈杰.荊門微氣象區域輸電線路設計覆冰研究［J］.湖北電力，2005，29(增):20-24.

［13］云南電網公司曲靖供電局.曲靖電網2008年冰災受損輸電線路分析［M］.云南:云南科技出版社，2009.

［14］易輝.湖南電網冰害事故天氣成因分析［J］.電力設備，2005，6(7):37-39.

［15］代力民，王憲禮.三北防護林生態效益評價要素分析［J］.世界林業研究，2000，13(2):47-50.

［16］蔣興良，張麗華.導線覆冰碰凍率及最大覆冰直徑分析［J］.中國電機工程學報，1999，19(9):1-12.

［17］黃新波，孫欽東.線路覆冰與局部氣象因素的關系［J］.高壓電器，2008，44(4):289-294.