架空輸電線路設計冰區劃分方法綜述

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

架空輸電線路設計冰區劃分方法綜述

郭新春
(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

冰區劃分是架空輸電線路設計的關鍵問題之一，對線路工程建設的經濟合理性及運行的安全可靠性具有重要影響。針對目前國內輸電線路設計冰區劃分方法及應用進行了介紹，對其存在的問題和發展趨勢分別進行了探討和展望。

輸電線路；冰區劃分；應用

0 前 言

導線覆冰指在一定的氣象條件下，雨凇、霧凇、雨霧凇混合凍結物和濕雪凝附在導線上的現象。導線覆冰會導致導線和桿塔的荷載增加、迎風面積擴大，極易產生不穩定的弛振，常造成線路跳閘、閃絡、扭轉、斷線、倒塔等事件，從而導致停電等事故。中國的電網建設從局部小區域發展到局部大區域，越來越多的輸電線路開始穿越一些高山大嶺的重冰區，電網冰災開始大量出現，導線覆冰問題引起了國內學術界和工程設計人員的高度關注。隨著全國電網的聯網建設與西南水電建設的快速發展，高海拔山區輸電線路覆冰問題將愈發突出，因此，架空輸電線路設計冰區劃分成為了線路抗冰安全設計的關鍵技術之一，對電網工程建設的經濟合理性及運行的安全可靠性具有重要意義。

1 方法及應用

目前，國內電網工程規劃設計中主要采用數理統計、歷史覆冰調查等方法來確定線路設計冰厚，再結合其他參考資料確定冰區劃分；嘗試將數值模擬和數字冰區劃分技術引入工程實踐。

1.1 數理統計方法

數理統計方法是基于工程區域長系列實測覆冰數據，運用統計學的方法對覆冰量級進行分析，研究導出其概念規律性。在工程區域或鄰近區域具有實測覆冰系列資料時，需搜集覆冰過程極值進行統計分析。首先按DL/T 5509-2015《架空輸電線路覆冰勘測規程》給出的公式計算標準冰厚，即將不同形狀、不同密度的覆冰換算為標準狀態下(覆冰橫截面為圓形，密度為0.9 g/cm3)的冰體厚度。然后，根據標準冰厚數據系列進行頻率計算，得到設計重現期下的標準冰厚成果。最后，按線路工程設計標準和布設條件進行設計冰厚計算，通過進行高度、線徑、地形、走向等訂正得到路徑區段的設計冰厚成果。

在覆冰計算過程中，涉及到的覆冰密度、形狀系數、高度換算、線徑換算和地形換算等參數應由當地實測覆冰資料計算分析確定。無資料地區可按DL/T 5509-2015《架空輸電線路覆冰勘測規程》相關規定選用。

當工程區域內觀冰站或高山氣象站有10年以上的年最大覆冰觀測資料時，觀測站設計冰厚應采用頻率計算方法確定。頻率計算中概率分布模型應根據冰厚時間序列的分布特性選用，并應選擇其中與觀測數據擬合最佳的模型計算值作為測站設計冰厚采用值。覆冰概率分布模型應選用P-Ⅲ型、極值Ⅰ型、GPD型，也可選用威布爾、伽馬及第一類貝塔等分布模型。

表1 峨眉山站標準冰厚超門限值出現次數泊松分布的χ2檢驗

在觀冰站或高山氣象站覆冰觀測年限僅有5～10年時，測站設計冰厚可采用廣義帕雷托概率分布(generalized pareto distribution,GPD)模型計算[1]。GPD分布模型是一種極值概率分布模型，GPD分布采用基于超門限值法(peak-over-threshdd,POT)，能充分利用有限樣本信息，增加極值樣本量。其優越性為短序列覆冰設計冰厚的估計提供了理論基礎。在GPD分布中，通過超門限覆冰次數的泊松分布擬合檢驗，結合Hill圖解，提出了POT抽樣門限確定的方法。2008年南方地區電網罕見冰災后，西南電力設計院有限公司采用GPD分布模型對導線覆冰冰厚極值概率分布模擬的適用性進行了專項研究，結果表明，中國導線覆冰冰厚極值的概率分布符合GPD模型，其擬合精度高于以往常用的極值Ⅰ型。

下面以峨眉山氣象站為例，采用GPD模型計算不同重現期的設計冰厚。利用峨眉山氣象站積冰資料，選取門限值，得到相應超門限極值次數序列，見表1。再計算不同門限值下的Hill估計量，考察Hill估計量隨門限值的演變情況，見圖1。

圖1 峨眉山站標準冰厚的Hill圖

結合圖1中Hill估計量隨門限值變化趨于穩定的點，可以確定峨眉山站的最佳門限值約為11 mm。再利用峨眉山站的超門限極值冰厚系列，進行GPD模型重現期極值計算，計算結果見表2。

利用短期1～5年覆冰觀測資料計算設計冰厚的關鍵問題是確定短期實測最大覆冰的重現期。西南電力設計院有限公司應用覆冰相關氣象要素與覆冰持續日數組成覆冰氣象指數(覆冰強度指數)，進行經驗頻率分析評估2008年罕見覆冰的重現期，取得了較好的效果；江蘇省電力設計院基于覆冰強度概念，提出了一種簡單的適用于中、輕冰區的重現期分析模型[2]。

表2 峨眉山站設計冰厚計算結果

覆冰氣象指數頻率分析方法中選擇歷年(冬半年)最大覆冰指數時，基本資料處理及計算步驟如下：

1)在每一個冬半年(一般為10月至次年3月)中，選擇日平均氣溫低于或等于0℃的天氣過程(時段)，一個冬半年中的覆冰天氣過程總個數記為M。選擇的年數為25年。

2)評定每一個覆冰天氣過程中的主要覆冰氣象要素對覆冰的貢獻量。某日的覆冰氣象指數等于各要素貢獻量之和。覆冰主要氣象要素對覆冰貢獻量標準見表3。

表3 覆冰主要氣象要素對覆冰貢獻量標準

3)一個覆冰過程的覆冰氣象指數等于覆冰過程逐日覆冰氣象指數之和除以覆冰過程總日數。在一個冬半年中可計算出M個覆冰氣象指數。

4)從一個冬半年的M個覆冰氣象指數中選擇最大者為該年最大覆冰過程相應的年最大覆冰氣象指數。

5)按照步驟1)至步驟4)，針對25個冬半年，逐一計算并選擇年最大覆冰氣象指數，可得到連續25年的最大覆冰氣象指數統計樣本。

6)應用25年年最大覆冰氣象指數樣本進行頻率計算，分析實測或調查覆冰值的重現期。

1.2 歷史覆冰調查方法

歷史覆冰調查方法是通過向工程區域有關部門和當地居民調查搜集歷史覆冰情況、災害記錄和研究成果等來分析工程設計冰厚。當線路工程區域缺乏覆冰實測資料時，歷史覆冰調查方法是解決輸電線路冰區劃分問題的重要手段。覆冰調查可以提供當地覆冰的定性情況和定量資料，并通過沿線地形、氣候特征與當地氣象資料綜合分析，以及與鄰近地區的實測覆冰資料進行地形、氣候條件的類比分析，估算沿線標準冰厚。

覆冰調查資料包括：覆冰年份，調查覆冰點位置，覆冰點地形及海拔，覆冰附著物名稱、直徑、離地高度及與覆冰主導風向的夾角，覆冰后的長徑，覆冰持續時間，覆冰形狀及性質，覆冰時天氣現象(霧天、雨天、雪天、陰天、晴天)，覆冰災害情況，資料可靠性評價等。

輸電線路覆冰調查一般在沿線附近村鎮居民點、廠礦、高山電視臺、移動通信基站等進行，同時還要搜集相關省、市、縣的低溫、冰凌、降雪等有關資料。調查范圍是規劃線路的整個覆冰區段。調查點應選擇能代表沿線地形特征的地點，如山間盆地、山脊、山腰、埡口等，此外，特別要注意布設不同高程的調查點，以了解不同高程的覆冰情況。對特殊地形點，如風口、迎風坡、山嶺(山脊)、鄰近湖泊等大水體的山地、盆地與山地的交匯地帶等除進行覆冰調查外，還應作實地踏勘，繪制地形草圖，辨明冬季主導風向，觀察氣候、植被情況，簡測高程，初步估計該地的寒冷程度和降水量，以及覆冰的大小[3]。

覆冰調查多為定性資料，定量資料也大部分為目測數據，誤差較大，因此對覆冰調查資料要進行可靠性程度評價。可通過區域性的低溫、冰凌、降雪天氣資料審查其發生時間是否一致；通過附近氣象站實測資料和史料記載審查出現大覆冰的可能性；通過冰害情況審查其合理性。

1.3 數字冰區劃分方法

數字冰區劃分方法是基于覆冰、氣象和地形數據，利用數字化和信息化技術手段獲取工程區域覆冰空間區劃。目前，架空輸電線路的冰區劃分主要是由人工整合相關信息完成。對于資料缺乏且不具備調查條件的偏遠地區的重覆冰區域，通過傳統方法解決資料短缺重冰區線路冰區劃分問題較為困難。因此，采用新的技術手段來探索局部區域覆冰空間分布十分必要。

數字冰區劃分主要有以下3種途經：1)整合區域內覆冰實測、調查資料和地形數據，通過空間插值得到區域覆冰區劃；2)基于覆冰增長機理和觀測實驗數據，建立覆冰數學模型，模擬得到工程區域覆冰等級；3)利用區域內大量覆冰和氣象實測資料以及數字高程數據，建立覆冰量與氣象或地形因子的數學關系，與地理信息平臺相結合計算生產區域覆冰空間分布。

2008年南方地區電網罕見冰災后，國內科研和設計單位加強了導線覆冰觀測與實驗研究，提出了一些覆冰數學模型和數字化冰區成果。例如，西南電力設計院有限公司與高校合作，建立了二郎山區域覆冰數學模型以及基于地理信息系統(GIS)的數字冰區劃分系統[4]，并在西南山區的重覆冰輸電線路的勘測設計中進行了嘗試性的應用，應用效果見圖2。

此外，氣象部門基于大區域電線積冰和氣象觀測數據，建立覆冰與氣象因子或地形因子的大、中尺度統計模型；電網企業與科研、設計單位合作，提出了所轄地區的大范圍數字化冰區分布成果。

隨著中國電網工程建設的快速發展，輸電線路覆冰區劃研究水平不斷提高，但由于覆冰基礎資料的缺乏，受尺度、精度和適用條件等限制，因此目前已建覆冰模型均存在一定局限性，難以大范圍推廣應用。

2 問題與展望

2.1 存在問題

盡管中國電網工程設計和建設歷經高速發展，輸電線路覆冰研究也取得了長足進步，但在導線覆冰分布與區劃研究中仍面臨著一些問題，亟待解決：

圖2 西南山區某輸電線路局部區段50年一遇冰區圖

1)覆冰基礎資料缺乏。目前中國具有電線積冰觀測的氣象臺站相對較少，電力企業在電網易覆冰區域設立的觀冰站點仍舊稀疏，而易覆冰地區輸電線路一般位于山地，這些區域基本都是覆冰資料空白區，導致線路工程設計冰區劃分缺少實測數據支撐。

2)調查成果存在不確定性。對于無實測資料易覆冰區，輸電線路設計冰區劃分的傳統方法是依據當地調查資料進行一系列換算得出。調查資料能準確地定性反映區域之間覆冰的嚴重程度，但要準確地定量反映區域覆冰分布、特別是地形復雜的山地覆冰分布，存在較大的不確定性。

3)數字冰區劃分技術存在局限性。目前覆冰數學模型與數字化冰區成果，受尺度、精度和適用條件等限制，難以直接應用于工程實踐或進行大范圍推廣。

2.2 發展展望

覆冰對輸電線路的經濟可靠設計和安全穩定運行有著重要影響，隨著西部大開發和“西電東送”的不斷推進，高海拔山區輸電線路覆冰問題將愈發突出，因此，輸電線路設計冰區劃分成為了電網設計的關鍵問題。歸納起來，輸電線路覆冰分布與區劃研究的發展趨勢包括以下幾個方面：1)開展大范圍覆冰觀測與基礎研究；2)建立重點區域覆冰氣象數據綜合利用數據庫；3)加強新方法與新技術的研發與應用；4)提高覆冰模型適用性與數字化冰區成果精度。

3 結 語

隨著中國西南水電開發以及長距離、大規模輸電通道建設的持續推進，輸電線路將不可避免地穿越西南山區的嚴重覆冰地帶，線路覆冰問題將愈發突出，對設計冰區劃分的準確性與可靠性寄予了更高要求。面對覆冰基礎資料缺乏以及分析方法不確定性和局限性問題，亟須加大覆冰觀測與基礎研究的投入，推進新技術與新方法在輸電線路冰區劃分中的應用，為電網工程的經濟合理建設與安全可靠運行提供強有力的技術支撐。

[1] 江志紅，劉冬，劉渝，等.導線覆冰極值的概率分布模擬及其應用試驗[J]. 大氣科學學報，2010，33(4): 385-394.

[2] 潘曉春. 中、輕冰區輸電線路設計冰厚分析計算[J]. 電力建設，2008，29(12): 31-33.

[3] 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.

[4] 熊海星，江志紅，陳權亮，等. 輸電線路覆冰研究及應用技術開發[R]. 成都：西南電力設計院，2011.

Zoning of icing area is one of the key issues for the design of overhead transmission lines, and has important impact on economic rationalization and operation reliability of power grid engineering. The zoning methods of icing area and its application are introduced aiming at the current transmission lines in China. The problems in engineering applications are discussed, and the development trend of icing survey is introduced.

transmission line; zoning of icing area; application

TM726

A

1003-6954(2017)05-0047-04

郭新春(1983)，高級工程師、博士，從事電力水文氣象勘察和研究。

2017-06-27)