云南東部高海拔山區風電場集電線路在高頻率大覆冰天氣影響下的覆冰量級探討

陳 浩

中國電建集團貴州電力設計研究院有限公司，貴州貴陽 550002

1 覆冰天氣特征

1.1 云南冬季冷空氣路徑

云南是我國西南邊陲省份，其西北部為西藏高原南延部分，東部為云貴高原西半部，整體處于我國第一二級階梯的過渡地帶。主要受西北、東北、偏東三面冷空氣影響：西北路徑冷空氣來自西藏高原且勢力較強，當冷空氣南下時冷氣團受到大地形作用而下沉，造成劇烈的輻散，影響過程以降溫為主，但當冷空氣南下碰到南面暖濕氣流時，滇西北地區會出現降溫降雨及雨霧凇冰凍天氣。

東北路徑是冷空氣侵入云南最常見的的路徑。該路徑冷空氣與西北路徑冷空氣來源一致，主要在高空西風引導系統影響下繼續沿大地形向東南移動，在途徑四川盆地后從海拔相對較低的滇東北侵入云南。與西北路徑冷空氣不同，東北路徑冷空氣到達云南東部邊緣時即會出現鋒生過程，形成昆明準靜止鋒或冷鋒。當西南存在有利于水汽輸送的系統配合時，滇東、滇東北常會出現降溫降雨及雨凇、霧凇等冰凍天氣。

偏東路徑是侵入云南冷空氣中次多的路徑，偏東路徑冷空氣來源與西北、東北路徑有較大的差異，其是冷高壓南下至北緯25°以南后，受冷高壓西側的偏東或東南氣流引導向西移動，形成回流侵入云南的冷空氣。

1.2 云南冬季冰凍天氣的氣候分布

云南省冰凍天氣分布分為明顯的無和有兩個冰凍天氣區，分界線基本沿高黎貢山、無量山、哀牢山等山脈，以東以北絕大部分地區都會出現不同程度的冰凍天氣；以西以南為非冰凍天氣區，只有極少數高海拔地區有少量冰凍天氣出現。

多年平均氣候下，冰凍天數最多的為滇東北的鎮雄和威信，冰凍日數連續天數極值達40～60d，其次為滇東大部分地區、德欽、貢山等地為20～40d；滇中、滇東南及西北部分地區為5～10d；滇西南部分高海拔地區為1d。冰凍天氣連續日數體現了冰凍天氣的持續性，持續性越長其災害性越強。

1.3 風電場區域覆冰特征

風電場處于滇東地勢突出的東華山脈腹地，冬季受東北路及偏東路冷空氣影響較大，南下冷空氣因云貴高原地形的阻擋極易形成昆明準靜止鋒，導致低層濕空氣的輻合加強，水汽充足，流場上東西、南北方向對吹風向加之地形對準靜止鋒的阻滯作用，使其長時間滯留在滇東地區，加之東華山脈隆起地形，使得該地區冬季凝凍天氣嚴重而頻繁，形成凝凍災害。

據調查了解，風電場所在的云南東部高海拔區域連續冰凍日數極值為20～40d，至1983年五十多年來，共出現了五次大覆冰天氣，分別為1983、1993、2000、2008年及2018年，其中，1983年持續時間15～20d；1993年、2000年初持續20～25d；2008年持續時間約25d左右，每次冰災都造成大量的林木倒伏、配電線路倒桿斷線及電力、交通、信息中斷等事故，可見該區域整體具有大覆冰天氣頻率高、持續時間長、災害影響大的特點。

2 冰災期間區域線路設計運行情況及現場覆冰調查

2.1 瀘西風電場35kV集電線路

瀘西風電場共分為五期建設，為2011～2015年先后建成投運，走線高程在2000～2460m之間，五期線路均為20mm冰區設計，設計依據為橫亙場區東西走向的云彌220kV線路在本區域的20mm冰區設計。2018年1～2月極端低溫凝凍期間，風電場集電線路出現嚴重的覆冰事故，事故主要造成I～III期塔材及導線不同程度受損，經現場踏勘了解，事故段基本位于2300m以上的山脊、風口、迎風坡等水汽豐富的微地形微氣象區域，極易形成密實厚重的覆冰，造成冰災事故。同時，位于地勢相對較低的山腰及地形較為封閉的槽谷區域走線的其他線路冰災影響甚微。

2.2 云彌220kV線路

該線路為2007年12月投運，風電場所在區段均為20mm冰區設計、30m/s大風設計，線路走線高程在2000～2320m之間，中部翻越東華山脈，均避開了地勢突兀的山脊區域，線路至2007年底投運以來未曾發生過冰災事故。根據現場查勘，該線路檔距較小排列緊密，且翻越山脈段耐張塔較多，無大高差大轉角等情況，整體抗冰能力較強。

2.3 永寧—三塘35kVI、II回線路

該線路為2013年建成投運，風電場區域設計冰厚為20mm，本區域走線高程在2100～2330m之間，至投運以來未曾出現過冰災事故，運行良好。經現場查勘，該線路除中部翻越東華山脈外，整體走線地勢較低，且中部跨越山脈段均避開了地勢突兀的山嶺區域，均沿山間槽谷及冬季背風坡區域走線，受冷空氣直接影響相對較弱。

綜上所訴，本次冰災期間受損線路均位于地勢突出的山嶺、迎風坡等微地形微氣候區域，因設計標準低于實際覆冰量級造成冰災事故，而附近其余線路均避開了該微地形氣候區域，受災影響甚微。

3 冰災期間的取樣冰厚計算

3.1 I期I回2018年1月冰災事故段覆冰計算

李子菁I期I回線路18年1月8日～11日持續4d的凌動期間內，根據云南恒安電力工程有限公司設計院相關專家事故段取樣實測（2300～2350m），取樣導線為支線LGJ-120/25，線徑15.74mm，冰重1.16kg，長0.3m。根據《電力工程氣象勘測技術規程》（DL/T 5158—2012）標準冰厚計算公式：

計算得到標準冰厚B0=29.94mm，超過設計允許覆冰20mm，使桿塔導線處于超限狀態。

3.2 I期I回2018年2月冰災事故段覆冰計算

2018年1月28日～2月8日為期12d的凝凍期間，2月7日取樣實測（2300～2350m），取樣導線為主線LGJ-240/40，線徑21.66mm，冰重1.4kg，長0.3m。同樣，根據標準冰厚計算公式，計算得到標準冰厚B0=32mm，超過設計允許覆冰20mm，使桿塔導線處于超限狀態。

3.3 III期II回冰災事故段覆冰計算

II回N25塔大號側地面（高程2380m）取樣：地線冰筒型號GJX-35線徑8.0mm，冰筒長度0.25m，稱重0.44kg，完好率55.5%，折算實際冰重體積后根據以上公式計算得到標準冰厚B0=35mm，超過設計允許覆冰20mm，使桿塔導線處于超限狀態。

由以上冰災期間取樣實測計算結果可知，事故段基本位于2300m以上高程的山脊區域，取樣計算標準冰厚基本位于30mm冰區，均超過了原來20mm冰區設計標準，造成荷載超限引起冰災事故。

4 覆冰研究成果分析

云南地區覆冰情況復雜多樣，由于缺乏長期、系統的覆冰觀測，覆冰資料嚴重短缺，獲得覆冰資料的方式僅靠少數氣象站冬季電線結冰觀測數據、零星電力通信線路覆冰事故、歷史覆冰災害記錄等，由于覆冰資料來源范圍較廣而零散，給線路設計覆冰取值帶來相當大的難度。針對以上情況，云南電網有限責任公司、電力實驗研究院聯合中國能建云南省電力設計研究院有限公司等多家單位對云南省覆冰氣候開展了分析研究工作，以省內各個氣象站觀測數據作為基礎資料，構建氣象要素與覆冰強度關系模型，結合部分線路實測覆冰數據，得到云南全省各區域、各頻率基本覆冰區劃，于2016年7月編制完成云南省冰區分布繪制圖。該研究成果對云南省內線路覆冰設計具有較好的指導意義，已在工程實際運用。根據云南省冰區分布研究成果，風電場區域冰區分布情況，如圖1所示。

圖1 風電場區域30年一遇冰區分布圖

根據最新的云南30年一遇冰區分布圖所示，風電場地區位于重覆冰區，30年一遇覆冰量級在20～30mm之間，且整個風電場山脊及臨近山腰區段均為30mm冰區量級，山腰往山間洼地過渡區段均為20mm冰區，與區域冰災期間取樣計算及現場覆冰調查情況基本吻合，大范圍冰區量級趨于一致。但冰區分布成果圖僅能大范圍體現海拔高低與覆冰程度的直接關系，未考慮到線路實際走線的地形地貌，如微地形氣候區域及山間槽谷等區域覆冰影響特性，冰區分布圖對沿線冰區劃分起到宏觀指導作用，但冰區的具體劃分還應結合地形條件（微地形、微氣象區）、氣候特征、覆冰數據、已建線路設計條件及運行情況等綜合分析確定。

5 冰災事故分析及冰區量級劃分

本次受災的風電場集電線路設計覆冰均為20mm，設計依據為附近已建的云彌220kV線路，根據區域已建線路得設計運行情況、現場覆冰調查情況及冰災期間取樣實測覆冰計算結果綜合分析，事故主要原因為線路設計覆冰取值未考慮實際地形地貌尤其是微地形氣候區域的覆冰影響。本次冰災事故段均位于2300m以上地勢突出的山脊迎風坡、風口等微地形微氣候區域，該區域極易形成嚴重覆冰，通過冰災期間3次實地取冰樣本，標準冰厚均位于30mm冰區量級，超過了原來20mm冰區設計標準，造成荷載超限引起冰災事故。而同區域2300m以下地勢相對較低的山腰及地形較為封閉的槽谷區域覆冰相對輕微，極少出現冰災事故，同時結合區域已建線路的設計運行經驗、現場覆冰調查情況及冰區分布成果圖，基本確定本區域2300m以上地帶位于30mm冰區量級，2300m以下區域位于20mm冰區量級以內。

6 結論及建議

（1）隨著越來越多的風力發電項目建設，大量的集電線路處于復雜的高海拔山地地形走線，設計覆冰不能僅依靠附近單條線路的設計標準作為設計依據，必須結合實際地形地貌考慮微地形微氣候因素綜合確定覆冰取值。

（2）在高海拔重覆冰山區進行電力線路建設時，應盡量避開地勢突兀的山嶺、迎風坡、風口等極易形成嚴重覆冰的微地形微氣候區域，降低線路受災風險。如若無法避讓應進行抗冰加強處理，以提高線路的整體抗冰能力。

（3）本區域整體具有大覆冰天氣頻率高、持續時間長、災害影響大的特點，覆冰以雨霧混合淞為主，在同一區域內覆冰厚度基本是隨海拔升高而增大，不同區域的覆冰則除了考慮海拔外，還應考慮當地植被、地形等多方面條件的共同影響。在高海拔重覆冰山區確定線路覆冰量級時應以實測覆冰資料為主，結合已建線路的設計運行經驗和覆冰調查確定線路的覆冰量級；在沒有觀冰資料時，應以已建線路的設計和運行經驗為主，同時應結合線路實際走線確定覆冰量級；既沒有觀冰資料，也沒有已建線路的情況下，主要依據覆冰調查確定覆冰量級，在有明顯微地形、微氣候區覆冰量級應根據實地勘查確定，覆冰量級可以較一般地形區提高一個或幾個量級；同時應用覆冰研究成果對覆冰量級取值結果進行驗證。

（4）在云南東部還存在大量人煙稀少的高寒山區，合理確定覆冰量級仍有相當的難度，建議增設相應的觀冰點從而為該區域的電力覆冰取值提供定量的依據。