云南省電網冰區分布圖的研究及繪制

謝銀昌，林小柏， 王 磊

(1.云南省電力設計院，云南 昆明 650011；2.云南電網公司電力研究院，云南 昆明 650217)

覆冰是一種自然現象，就電力系統而言，覆冰是自然災害。嚴重覆冰對電力系統安全運行有著災難性的影響，導致電力線路機械和電氣性能的急劇下降，引起斷線、倒塔、絕緣子閃絡等多種事故，造成巨大的經濟損失。

云南省位于我國的西南地區，境內山脈連綿起伏，河流縱橫交錯，地貌復雜，云南省境內立體氣候顯著，氣象災難頻繁。受季風氣候影響，普遍存在的微地形、微氣候特征，決定了云南省是全國覆冰嚴重的地區之一。

云南省電網冰區分布圖反映了一定區域內覆冰的分布規律，是輸電線路防冰、抗冰設計的基礎資料。進行輸電線路建設或改造時，覆冰分布圖能提供科學依據，選擇最安全、經濟的路徑和抗冰設計。進行輸電線路抗冰設計時，針對線路路徑的覆冰情況，因地制宜的選擇不同的設計標準，既能有效的進行抗冰，又能節約工程造價。覆冰分布圖對防冰、抗冰工作具有指導意義，抗冰、防冰、融冰等技術提供技術支撐能對重冰區進行巡查和監控，能有效的防治冰災事故發生。本課題的研究及繪制云南省電網冰區分布圖對電網設計及安全運行具有重大的理論意義及工程應用價值。

1 覆冰類型與覆冰研究現狀

輸電線路覆冰的類型與氣象因素有密切的聯系，不同的氣象因素組合可形成不同的覆冰類型。通常將導線覆冰分為以下幾類。

雨淞：一般是由水滴直徑較大的過冷卻雨或毛毛雨降落形成，密度接近 0.9 g/cm3。密度大于0.7 g/cm3的冰稱為雨凇，雨凇視感為透明或半透明、密實、無孔隙，手感為堅硬、光滑、濕潤、粘附力很強，形狀色澤為橢圓形、光滑似玻璃。在雨凇覆冰情況下，覆冰是連續增長。雨淞覆冰是最嚴重的一種導線覆冰形式。

霧淞：風攜帶霧中或云中的過冷卻水滴與導線表面碰撞而形成霧凇，密度在0.1～0.3 g/cm3之間，霧凇分為粒狀和晶狀兩種，其中粒狀霧凇視感為粗顆粒、不透明，手感為脆、較濕潤，形狀色澤為橢圓形、白色；晶狀霧凇視感為細粒、不透明，手感為松、脆、干燥，形狀色澤為針狀、純白色。霧凇是冬季高海拔山區輸電線路最常見的一種覆冰形式。

混合淞：通常是過冷卻水滴在導線上形成的雨淞與霧淞交替混合凍結形成的不透明的覆冰，密度在0.2～0.6 g/cm3之間，混合淞視感為成層或不成層，似毛玻璃，較密實，基本無孔隙，手感為較堅硬、較濕潤，形狀為橢圓形或圓形。混合淞形成時間較長，覆冰厚度可以達到幾百mm，危害特別大。輸電線路事故多半是在混合淞下發生。

濕雪：是自然降雪粘附在輸電線路上而形成的。密度在0.2～0.4g/cm3之間，空氣中的干雪或冰晶很難粘結在導線表面，即使降落在上面，也很容易被風吹掉。當空氣中的雪含有過冷卻水滴，變成濕雪后才容易粘附在導線上。此外還有白霜，是空氣中的濕氣與0℃以下的冷物體接觸時，濕氣在冷物表面凝華形成的，一般覆冰量不會很大，不會對輸電線路造成很大的危害。

2 云南導線覆冰成因分析

影響我國的絕大部分冷空氣均來自極地地區的冷空氣爆發。當極地渦旋運動的中心偏離北極時，極地冷空氣隨著渦旋運動的偏離從新地島附近進入西伯利亞，在冬季強烈的陸地冷卻輻射作用下變得干冷，沿途不斷南下變性后從新疆維吾爾自治區進入我國，然后由西北逐漸向東和東南推進，進入太平洋后整個過程結束，所經地區一般出現劇烈的降溫和雨雪天氣。

由于青藏高原的阻擋作用，影響云南省的冷空氣過程與全國大多數地區明顯不同。30多年的統計分析表明，影響云南省的冷空氣過程可以分為三大路徑：東北路徑、偏東路徑和西北路徑三個方向，其頻率分布見圖1。云南省的導線覆冰與冷空氣的路徑、強弱息息相關，故云南省覆冰主要集中在滇東北、滇東地區、滇西北地區和滇東南地區。

圖1 影響云南的冷空氣路徑及其頻率分布圖

云南省1971～2000年冰凍天氣分布圖如圖2，可以看出云南省冰凍天氣分布大致呈西北—東南向，基本沿高黎貢山、無量山、哀牢山等山脈為界。冰凍天數最多的是滇東北的鎮雄和威信，年平均可達50～80 d，其次是滇東北的昭通和魯甸、滇西北的德欽和貢山，年平均為30～50 d，滇東的曲靖市各縣區、滇西北的維西、蘭坪、劍川，年平均為10～30 d，滇中地區、滇西北東南部地區和滇東南地區年平均為10 d以下。

圖2 云南省1971～2000年冰凍天氣分布圖

從圖3“云南省50多年來冰凍天氣連續日數極值分布圖”，可以看出冰凍天氣連續日數極值大值區域仍然是滇東和滇西北地區。鎮雄和威信冰凍天氣連續日數極值達40～60 d，滇東大部分地區、德欽和貢山等地為20～40 d，滇中、滇東南和滇西北部分地區為5～10 d，滇西南部分高海拔地區僅為1～2 d。

綜合上述，由于影響云南的三大路徑冷空氣的發生頻率、影響范圍、嚴重程度各不相同，使得云南省覆冰主要集中在滇東、滇東北地區，其次是滇西北地區，再次是滇東南地區。云南冰凍天氣最嚴重的是滇東北和滇東地區，其次是滇西北地區，滇中和滇東南地區較輕，滇西南除高海拔地區外，幾乎沒有冰凍天氣。

3 云南易覆冰區覆冰特點

圖3 云南省50多年來冰凍天氣連續日數極值分布圖

云南地形以山地為主，大致以玉龍山、元江谷地和云嶺山脈南段為界，分為東西兩部分。東部是云貴高原的一個組成部分，稱為云南高原；西部是橫斷山地，屬橫斷山系南段。東部及西部地形地貌的差異，是造成東西電線覆冰不同的基礎。北方南下冷空氣注入四川盆地后，沿大涼山的東側進入云南。到滇東北遇到昭通東南方、南方、西南方的石門坎、尖山、堂瑯山和萊靈山，會澤東南的牯牛山，昆明東北的梁王山等山脈，冷空氣受阻趨于靜止，形成昆明靜止鋒。此靜止鋒在滇東北最長可停留10～15 d之久，鋒面逆溫明顯，下層過冷卻水汽也比西部多，常形成凍結天氣。滇西北地區雖然海拔高、氣溫低，但寒流受到青藏高原的阻擋，冬季常在該地區形成低渦，基本上沒有“昆明靜止鋒”產生的天氣，故與滇東北相較電線覆冰相對較輕，持續時間較短。但該地區立體氣候明顯，在海拔高程、空氣濕度等凍結條件滿足的情況下，仍會出現粘附濕雪及粒狀霧凇的現象。

在這種冷空氣活動和大地形的綜合作用下，導致云南省東重西輕、北重南輕的電線覆冰分布特點。覆冰厚度在30 mm及以上地區主要分布在滇東及滇東北地區，如昭通地區的鎮永甲線、永甘甲乙線、威甘線、威鎮多線、大鎮線、鎮鎮線、昭大線、曲靖地區的宣曲線、宣以線、云貴交界的羊盤線及東川地區的以東線等，均與昆明靜止鋒有關。滇西北的碧羅雪山由于空氣濕度大、海拔高，局部微地形、微氣象點也會出現冰厚30 mm的情況，如福蘭線、福劍線、大華橋送出線等。覆冰厚度20 mm也是東部大于西部、北部大于南部，主要集中在滇東北、滇東、滇西北及部分滇中地區。

云南滇東、滇北地區、滇東南的電線覆冰主要表現為雨凇、霧凇及混合凍結，而滇西北地區則主要表現為粘附濕雪。

4 冰區分布圖的繪制

4.1 覆冰模型的建立

根據云南省冷空氣的路徑、強弱及各區域覆冰性質，將云南省區劃為五個大區域，即：滇東北和滇東、滇西北、滇東南、滇中及滇西南五個大區域，然后再根據每個區域內形成覆冰的特點、覆冰性質又進行細化，形成局部區域的覆冰模型，見圖4。

圖4 云南省覆冰模型、冰區區劃及冰區預警預報流程圖

滇東北及滇東區域覆冰模型研究時，研究人員依據Kathleen F研究的成果做為基礎，選取滇東及滇東北22個站點最冷月(1月份)平均氣溫、最低氣溫、平均風速值、相對濕度和降水量，再結合云南滇東北的實際情況構建了相應的覆冰模型如式(1)所示：

式中：P為降水率；N為凍雨時數；V為風速；ρi為冰密度；ρw為水密度W=0.067 P0.846為空氣液態水含量。通過實際考察的覆冰資料與22個站點的氣象觀測資料反算系數，得到較為合理的系數取值(K=0.0013)，由此計算得到22個站點冬季最冷月的覆冰量。

由于長序列完整覆冰資料很難獲得，遠不能滿足輸電線路工程設計的需求。因此，充分利用現有氣象站常規氣象觀測資料(覆冰四要素：氣溫、濕度、降水和風速風向)、冷空氣襲經路徑、強弱、影響范圍及下墊面情況建立覆冰模型及未來通過上述氣象預報資料預測近期覆冰厚度的方法。對輸電線路規劃、工程設計及已建輸電線路的設計、運行和維護都具有非常重要的現實意義。

4.2 冰區劃分原則

根據“南方電網冰區分布圖繪制方法”(2013年試行版)，劃分冰區應遵循地區相似性與差異性的原則，按照不同的指標分級進行劃分。在同一冰區，計算用覆冰參數應盡量相同，同時考慮立體氣候特點和地形影響，在進行不同冰區劃分時，又要遵循以下原則：

(1)一個冰區內各點的覆冰量要基本接近。

(2)一個冰區應屬同一氣候區，形成覆冰的天氣條件應大致相同。

(3)一個冰區內應地形條件類似，同一地理位置海拔相當。

(4)對風口、埡口、分水嶺、迎風坡、山頂突出處等微地形、微氣候區，宜酌情加大處理。

4.3 冰區劃分依據

(1)云南省五個大區域覆冰模型成果；

(2)覆冰成因及影響覆冰的氣象條件分析結果；

(3)區域各調查點設計冰厚的分析計算結果；

(4)區域氣象站、觀冰站覆冰分析計算結果；

(5)區域地形、海拔及植被分類結果；

(6)區域已建輸電線路設計冰區及運行資料；

(7)區域冰雪災害記錄和報告。

4.4 冰區劃分技術方法

云南地形復雜多樣，氣候呈現地域變化，覆冰是地形因子與氣候因子綜合影響的結果，相應的覆冰呈現了地域性規律，冰區劃分應充分考慮各種可能的影響因素。冰區劃分主要依照以下步驟進行：

(1)根據覆冰成因及影響覆冰的氣象條件分析結果，結合類似地形(經緯度、海拔、相對高差、植被分類)、氣候帶(氣溫、濕度 、風、日照)內覆冰存在相近特征的規律，以各調查點設計冰厚分析計算結果為依據，對覆冰地區按地形環境與覆冰條件基本一致原則進行覆冰地形氣候分區；

(2)在同一類似地形氣候區內，依據覆冰資料(包括觀測、調查覆冰及已建線路設計覆冰、運行資料、鄰近類似區冰雪災害記錄或報告)地點及該地點的地形氣候特征類比延伸確定其代表的類似子區域，以該點的覆冰量近似代表子區域的覆冰量。

(3)對各子區域的覆冰量作歸類整合連接形成冰區圖。覆冰量級及區劃見圖5。

4.5 云南冰區圖的繪制

根據云南省電力設計院及云南省氣象臺研究的“云南電網覆冰區劃模型”及氣象臺(站)的觀測資料、電線覆冰觀測記錄、氣象災害史料、現有電力、通信線的設計運行經驗，進行統計、計算、分析、歸納，用計算機在1∶25萬電子地形圖上分區域，進行圖層分類和屬性編碼、轉換矢量空間數據及屬性、投影坐標系統轉換、采用克里金或其它空間插值分析法及冰區的海拔跨度構建冰區分級圖層，通過GIS疊加分析、圖層融合等步驟。繪制出“云南省電網冰區分布圖草圖”；現場考察組攜帶“云南省電網冰區分布圖草圖”進行全省性實地普查，到各地州(市)電力、氣象部門、電信部門及交通運輸部門征詢意見，對各地區較大的山脈、“微地形、微氣象點”及輸電線路的典型事故地段進行實地考察，進一步調查核實“云南省電網冰區分布圖草圖”；根據現場考察論證結果，對“云南省電網冰區分布圖草圖”的復核及修正，最終根據制圖標準，制作項目所需的地圖符號、庫文件實現地圖要素符號化處理及標注屬性、圖面調整裝飾，形成1∶250000的“云南省電網冰區分布圖”矢量圖及JPG柵格圖(云南省50年一遇冰區分布圖見圖5)。

圖5 云南省50年一遇冰區分布圖

5 結論與展望

云南省電網冰區分布圖的研究基于云南2008年電網覆冰災害、1983年等覆冰較為嚴重年份的實地覆冰調查，總結出云南電網的受災事故類型及電網覆冰特征，結合云南獨特的氣候及地理條件等因素，進行統計、計算、分析、歸納出不同的覆冰組合，用計算機在1：250000電子地形圖上分區域歸納云南電網覆冰分布規律，且作為冰區的劃分依據，得到不同重現期的覆冰區劃圖。

云南省電網冰區分布圖反映了一定區域內覆冰的分布規律，是輸電線路防冰、抗冰設計的基礎資料。進行輸電線路建設或改造時，覆冰分布圖能提供科學依據，選擇最安全、經濟的路徑和抗冰設計。進行輸電線路抗冰設計時，針對線路路徑的覆冰情況，因地制宜的選擇不同的設計標準，既能有效的進行抗冰，又能節約工程造價。覆冰分布圖對防冰、抗冰工作具有指導意義，抗冰、防冰、融冰等技術提供技術支撐能對重冰區進行巡查和監控，能有效的防治冰災事故發生。繪制云南省電網冰區分布圖對電網設計及安全運行具有重大的理論意義及工程應用價值。本文主要得到以下結論：

(1)通過多年的統計資料，并結合云南特殊的地形地貌、地理位置、天氣氣候特征等方面，總結分析出影響云南省的三大冷空氣路徑，其發生的頻率為：東北路徑為63%，西北路徑為28%，偏東路徑為9%。即云南省覆冰天氣現象主要出現在滇東北及滇東地區，其次是滇西北地區，最少是出現在滇東南及其他地區。

(2)云南地處低緯度高海拔地區，山高谷深，立體氣候明顯。輸電線路通常經過寒帶、寒溫帶、溫帶、亞熱帶等多種氣候類型。這種獨特的地形地貌和多樣的氣候特征，決定了輸電線路氣象條件的特殊性、局部性、多樣性及復雜性。云南電線覆冰分布特點為滇東北、滇東及滇東南地區的電線覆冰主要表現為雨凇及雨凇為主的混合凍結，而滇西北地區則主要表現為粘附濕雪。

(3)云南省滇西南大部地區及溝谷、平壩地區冬季溫度稍高，氣溫很難將至0C以下，不易形成覆冰現象，只有在海拔較高的山區，由于氣溫低、空氣濕度大，冬季常形成雨雪冰凍及大霧天氣，為覆冰的形成提供了有利條件。

(4)由于云南境內微地形、微氣候點眾多，風口、埡口、峽谷風道、迎風面等微地形地區會造成局部地區導線上覆冰嚴重增加，這些區域的覆冰厚度不能根據大范圍內的氣象數據來確定，所以在冰區區劃時進行了“兩微”校訂，最終得到較為合理、準確的冰區分布圖，但是“兩微”校訂是非常復雜的，實際工程勘測中需進一步復核。

(5)覆冰是一種自然現象，屬小概率事件，而影響覆冰的因素多且復雜。到目前為止，國內外尚沒有完全解決電網覆冰問題。因此本項目對云南電網覆冰的調查也不是很全面，針對云南電網覆冰分布我們只積累了較少的數據，在后續的研究中，需進行長期的覆冰觀測，不斷完善云南省電網冰區分布圖。

[1]蔣興良，易輝．輸電線路覆冰及防護[M]．北京：中國電力出版社，2002．

[2]丁杰，等．2008年南方冰災及其成因分析[J]．安徽農業科學，2009，37(09)．

[3]段旭，等．云南省冰凍災害氣候區劃[J]．高原氣象，2011，30(03)．

[4]張懷孔．滇東及滇東北地區電線覆冰模型研究[J]．電力勘測設計，2007，(4)．

[5]王守禮，李家垣．云南高海拔地區電線覆冰問題研究[M]．昆明：云南科技出版社，1993．

[6]謝銀昌．云南省滇東北地區覆冰過程重現期的研究[R]．昆明：云南省電力設計院，2013．