架空輸電線路設(shè)計(jì)冰區(qū)劃分方法綜述

(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

架空輸電線路設(shè)計(jì)冰區(qū)劃分方法綜述

郭新春
(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

冰區(qū)劃分是架空輸電線路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一，對(duì)線路工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)合理性及運(yùn)行的安全可靠性具有重要影響。針對(duì)目前國內(nèi)輸電線路設(shè)計(jì)冰區(qū)劃分方法及應(yīng)用進(jìn)行了介紹，對(duì)其存在的問題和發(fā)展趨勢分別進(jìn)行了探討和展望。

輸電線路；冰區(qū)劃分；應(yīng)用

0 前 言

導(dǎo)線覆冰指在一定的氣象條件下，雨凇、霧凇、雨霧凇混合凍結(jié)物和濕雪凝附在導(dǎo)線上的現(xiàn)象。導(dǎo)線覆冰會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線和桿塔的荷載增加、迎風(fēng)面積擴(kuò)大，極易產(chǎn)生不穩(wěn)定的弛振，常造成線路跳閘、閃絡(luò)、扭轉(zhuǎn)、斷線、倒塔等事件，從而導(dǎo)致停電等事故。中國的電網(wǎng)建設(shè)從局部小區(qū)域發(fā)展到局部大區(qū)域，越來越多的輸電線路開始穿越一些高山大嶺的重冰區(qū)，電網(wǎng)冰災(zāi)開始大量出現(xiàn)，導(dǎo)線覆冰問題引起了國內(nèi)學(xué)術(shù)界和工程設(shè)計(jì)人員的高度關(guān)注。隨著全國電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)建設(shè)與西南水電建設(shè)的快速發(fā)展，高海拔山區(qū)輸電線路覆冰問題將愈發(fā)突出，因此，架空輸電線路設(shè)計(jì)冰區(qū)劃分成為了線路抗冰安全設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)電網(wǎng)工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)合理性及運(yùn)行的安全可靠性具有重要意義。

1 方法及應(yīng)用

目前，國內(nèi)電網(wǎng)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中主要采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、歷史覆冰調(diào)查等方法來確定線路設(shè)計(jì)冰厚，再結(jié)合其他參考資料確定冰區(qū)劃分；嘗試將數(shù)值模擬和數(shù)字冰區(qū)劃分技術(shù)引入工程實(shí)踐。

1.1 數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法

數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法是基于工程區(qū)域長系列實(shí)測覆冰數(shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)覆冰量級(jí)進(jìn)行分析，研究導(dǎo)出其概念規(guī)律性。在工程區(qū)域或鄰近區(qū)域具有實(shí)測覆冰系列資料時(shí)，需搜集覆冰過程極值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。首先按DL/T 5509-2015《架空輸電線路覆冰勘測規(guī)程》給出的公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)冰厚，即將不同形狀、不同密度的覆冰換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)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(jù)標(biāo)準(zhǔn)冰厚數(shù)據(jù)系列進(jìn)行頻率計(jì)算，得到設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下的標(biāo)準(zhǔn)冰厚成果。最后，按線路工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和布設(shè)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)冰厚計(jì)算，通過進(jìn)行高度、線徑、地形、走向等訂正得到路徑區(qū)段的設(shè)計(jì)冰厚成果。

在覆冰計(jì)算過程中，涉及到的覆冰密度、形狀系數(shù)、高度換算、線徑換算和地形換算等參數(shù)應(yīng)由當(dāng)?shù)貙?shí)測覆冰資料計(jì)算分析確定。無資料地區(qū)可按DL/T 5509-2015《架空輸電線路覆冰勘測規(guī)程》相關(guān)規(guī)定選用。

當(dāng)工程區(qū)域內(nèi)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(shí)，觀測站設(shè)計(jì)冰厚應(yīng)采用頻率計(jì)算方法確定。頻率計(jì)算中概率分布模型應(yīng)根據(jù)冰厚時(shí)間序列的分布特性選用，并應(yīng)選擇其中與觀測數(shù)據(jù)擬合最佳的模型計(jì)算值作為測站設(shè)計(jì)冰厚采用值。覆冰概率分布模型應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)冰厚超門限值出現(xiàn)次數(shù)泊松分布的χ2檢驗(yàn)

在觀冰站或高山氣象站覆冰觀測年限僅有5～10年時(shí)，測站設(shè)計(jì)冰厚可采用廣義帕雷托概率分布(generalized pareto distribution,GPD)模型計(jì)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(yōu)越性為短序列覆冰設(shè)計(jì)冰厚的估計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。在GPD分布中，通過超門限覆冰次數(shù)的泊松分布擬合檢驗(yàn)，結(jié)合Hill圖解，提出了POT抽樣門限確定的方法。2008年南方地區(qū)電網(wǎng)罕見冰災(zāi)后，西南電力設(shè)計(jì)院有限公司采用GPD分布模型對(duì)導(dǎo)線覆冰冰厚極值概率分布模擬的適用性進(jìn)行了專項(xiàng)研究，結(jié)果表明，中國導(dǎo)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(jì)算不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)冰厚。利用峨眉山氣象站積冰資料，選取門限值，得到相應(yīng)超門限極值次數(shù)序列，見表1。再計(jì)算不同門限值下的Hill估計(jì)量，考察Hill估計(jì)量隨門限值的演變情況，見圖1。

圖1 峨眉山站標(biāo)準(zhǔn)冰厚的Hill圖

結(jié)合圖1中Hill估計(jì)量隨門限值變化趨于穩(wěn)定的點(diǎn)，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(jìn)行GPD模型重現(xiàn)期極值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

利用短期1～5年覆冰觀測資料計(jì)算設(shè)計(jì)冰厚的關(guān)鍵問題是確定短期實(shí)測最大覆冰的重現(xiàn)期。西南電力設(shè)計(jì)院有限公司應(yīng)用覆冰相關(guān)氣象要素與覆冰持續(xù)日數(shù)組成覆冰氣象指數(shù)(覆冰強(qiáng)度指數(shù))，進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)頻率分析評(píng)估2008年罕見覆冰的重現(xiàn)期，取得了較好的效果；江蘇省電力設(shè)計(jì)院基于覆冰強(qiáng)度概念，提出了一種簡單的適用于中、輕冰區(qū)的重現(xiàn)期分析模型[2]。

表2 峨眉山站設(shè)計(jì)冰厚計(jì)算結(jié)果

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

1)在每一個(gè)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(shí)段)，一個(gè)冬半年中的覆冰天氣過程總個(gè)數(shù)記為M。選擇的年數(shù)為25年。

2)評(píng)定每一個(gè)覆冰天氣過程中的主要覆冰氣象要素對(duì)覆冰的貢獻(xiàn)量。某日的覆冰氣象指數(shù)等于各要素貢獻(xiàn)量之和。覆冰主要?dú)庀笠貙?duì)覆冰貢獻(xiàn)量標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 覆冰主要?dú)庀笠貙?duì)覆冰貢獻(xiàn)量標(biāo)準(zhǔn)

3)一個(gè)覆冰過程的覆冰氣象指數(shù)等于覆冰過程逐日覆冰氣象指數(shù)之和除以覆冰過程總?cè)諗?shù)。在一個(gè)冬半年中可計(jì)算出M個(gè)覆冰氣象指數(shù)。

4)從一個(gè)冬半年的M個(gè)覆冰氣象指數(shù)中選擇最大者為該年最大覆冰過程相應(yīng)的年最大覆冰氣象指數(shù)。

5)按照步驟1)至步驟4)，針對(duì)25個(gè)冬半年，逐一計(jì)算并選擇年最大覆冰氣象指數(shù)，可得到連續(xù)25年的最大覆冰氣象指數(shù)統(tǒng)計(jì)樣本。

6)應(yīng)用25年年最大覆冰氣象指數(shù)樣本進(jìn)行頻率計(jì)算，分析實(shí)測或調(diào)查覆冰值的重現(xiàn)期。

1.2 歷史覆冰調(diào)查方法

歷史覆冰調(diào)查方法是通過向工程區(qū)域有關(guān)部門和當(dāng)?shù)鼐用裾{(diào)查搜集歷史覆冰情況、災(zāi)害記錄和研究成果等來分析工程設(shè)計(jì)冰厚。當(dāng)線路工程區(qū)域缺乏覆冰實(shí)測資料時(shí)，歷史覆冰調(diào)查方法是解決輸電線路冰區(qū)劃分問題的重要手段。覆冰調(diào)查可以提供當(dāng)?shù)馗脖亩ㄐ郧闆r和定量資料，并通過沿線地形、氣候特征與當(dāng)?shù)貧庀筚Y料綜合分析，以及與鄰近地區(qū)的實(shí)測覆冰資料進(jìn)行地形、氣候條件的類比分析，估算沿線標(biāo)準(zhǔn)冰厚。

覆冰調(diào)查資料包括：覆冰年份，調(diào)查覆冰點(diǎn)位置，覆冰點(diǎn)地形及海拔，覆冰附著物名稱、直徑、離地高度及與覆冰主導(dǎo)風(fēng)向的夾角，覆冰后的長徑，覆冰持續(xù)時(shí)間，覆冰形狀及性質(zhì)，覆冰時(shí)天氣現(xiàn)象(霧天、雨天、雪天、陰天、晴天)，覆冰災(zāi)害情況，資料可靠性評(píng)價(jià)等。

輸電線路覆冰調(diào)查一般在沿線附近村鎮(zhèn)居民點(diǎn)、廠礦、高山電視臺(tái)、移動(dòng)通信基站等進(jìn)行，同時(shí)還要搜集相關(guān)省、市、縣的低溫、冰凌、降雪等有關(guān)資料。調(diào)查范圍是規(guī)劃線路的整個(gè)覆冰區(qū)段。調(diào)查點(diǎn)應(yīng)選擇能代表沿線地形特征的地點(diǎn)，如山間盆地、山脊、山腰、埡口等，此外，特別要注意布設(shè)不同高程的調(diào)查點(diǎn)，以了解不同高程的覆冰情況。對(duì)特殊地形點(diǎn)，如風(fēng)口、迎風(fēng)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(jìn)行覆冰調(diào)查外，還應(yīng)作實(shí)地踏勘，繪制地形草圖，辨明冬季主導(dǎo)風(fēng)向，觀察氣候、植被情況，簡測高程，初步估計(jì)該地的寒冷程度和降水量，以及覆冰的大小[3]。

覆冰調(diào)查多為定性資料，定量資料也大部分為目測數(shù)據(jù)，誤差較大，因此對(duì)覆冰調(diào)查資料要進(jìn)行可靠性程度評(píng)價(jià)?？赏ㄟ^區(qū)域性的低溫、冰凌、降雪天氣資料審查其發(fā)生時(shí)間是否一致；通過附近氣象站實(shí)測資料和史料記載審查出現(xiàn)大覆冰的可能性；通過冰害情況審查其合理性。

1.3 數(shù)字冰區(qū)劃分方法

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

數(shù)字冰區(qū)劃分主要有以下3種途經(jīng)：1)整合區(qū)域內(nèi)覆冰實(shí)測、調(diào)查資料和地形數(shù)據(jù)，通過空間插值得到區(qū)域覆冰區(qū)劃；2)基于覆冰增長機(jī)理和觀測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立覆冰數(shù)學(xué)模型，模擬得到工程區(qū)域覆冰等級(jí)；3)利用區(qū)域內(nèi)大量覆冰和氣象實(shí)測資料以及數(shù)字高程數(shù)據(jù)，建立覆冰量與氣象或地形因子的數(shù)學(xué)關(guān)系，與地理信息平臺(tái)相結(jié)合計(jì)算生產(chǎn)區(qū)域覆冰空間分布。

2008年南方地區(qū)電網(wǎng)罕見冰災(zāi)后，國內(nèi)科研和設(shè)計(jì)單位加強(qiáng)了導(dǎo)線覆冰觀測與實(shí)驗(yàn)研究，提出了一些覆冰數(shù)學(xué)模型和數(shù)字化冰區(qū)成果。例如，西南電力設(shè)計(jì)院有限公司與高校合作，建立了二郎山區(qū)域覆冰數(shù)學(xué)模型以及基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的數(shù)字冰區(qū)劃分系統(tǒng)[4]，并在西南山區(qū)的重覆冰輸電線路的勘測設(shè)計(jì)中進(jìn)行了嘗試性的應(yīng)用，應(yīng)用效果見圖2。

此外，氣象部門基于大區(qū)域電線積冰和氣象觀測數(shù)據(jù)，建立覆冰與氣象因子或地形因子的大、中尺度統(tǒng)計(jì)模型；電網(wǎng)企業(yè)與科研、設(shè)計(jì)單位合作，提出了所轄地區(qū)的大范圍數(shù)字化冰區(qū)分布成果。

隨著中國電網(wǎng)工程建設(shè)的快速發(fā)展，輸電線路覆冰區(qū)劃研究水平不斷提高，但由于覆冰基礎(chǔ)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(yīng)用。

2 問題與展望

2.1 存在問題

盡管中國電網(wǎng)工程設(shè)計(jì)和建設(shè)歷經(jīng)高速發(fā)展，輸電線路覆冰研究也取得了長足進(jìn)步，但在導(dǎo)線覆冰分布與區(qū)劃研究中仍面臨著一些問題，亟待解決：

圖2 西南山區(qū)某輸電線路局部區(qū)段50年一遇冰區(qū)圖

1)覆冰基礎(chǔ)資料缺乏。目前中國具有電線積冰觀測的氣象臺(tái)站相對(duì)較少，電力企業(yè)在電網(wǎng)易覆冰區(qū)域設(shè)立的觀冰站點(diǎn)仍舊稀疏，而易覆冰地區(qū)輸電線路一般位于山地，這些區(qū)域基本都是覆冰資料空白區(qū)，導(dǎo)致線路工程設(shè)計(jì)冰區(qū)劃分缺少實(shí)測數(shù)據(jù)支撐。

2)調(diào)查成果存在不確定性。對(duì)于無實(shí)測資料易覆冰區(qū)，輸電線路設(shè)計(jì)冰區(qū)劃分的傳統(tǒng)方法是依據(jù)當(dāng)?shù)卣{(diào)查資料進(jìn)行一系列換算得出。調(diào)查資料能準(zhǔn)確地定性反映區(qū)域之間覆冰的嚴(yán)重程度，但要準(zhǔn)確地定量反映區(qū)域覆冰分布、特別是地形復(fù)雜的山地覆冰分布，存在較大的不確定性。

3)數(shù)字冰區(qū)劃分技術(shù)存在局限性。目前覆冰數(shù)學(xué)模型與數(shù)字化冰區(qū)成果，受尺度、精度和適用條件等限制，難以直接應(yīng)用于工程實(shí)踐或進(jìn)行大范圍推廣。

2.2 發(fā)展展望

覆冰對(duì)輸電線路的經(jīng)濟(jì)可靠設(shè)計(jì)和安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要影響，隨著西部大開發(fā)和“西電東送”的不斷推進(jìn)，高海拔山區(qū)輸電線路覆冰問題將愈發(fā)突出，因此，輸電線路設(shè)計(jì)冰區(qū)劃分成為了電網(wǎng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。歸納起來，輸電線路覆冰分布與區(qū)劃研究的發(fā)展趨勢包括以下幾個(gè)方面：1)開展大范圍覆冰觀測與基礎(chǔ)研究；2)建立重點(diǎn)區(qū)域覆冰氣象數(shù)據(jù)綜合利用數(shù)據(jù)庫；3)加強(qiáng)新方法與新技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用；4)提高覆冰模型適用性與數(shù)字化冰區(qū)成果精度。

3 結(jié) 語

隨著中國西南水電開發(fā)以及長距離、大規(guī)模輸電通道建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，輸電線路將不可避免地穿越西南山區(qū)的嚴(yán)重覆冰地帶，線路覆冰問題將愈發(fā)突出，對(duì)設(shè)計(jì)冰區(qū)劃分的準(zhǔn)確性與可靠性寄予了更高要求。面對(duì)覆冰基礎(chǔ)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(chǔ)研究的投入，推進(jìn)新技術(shù)與新方法在輸電線路冰區(qū)劃分中的應(yīng)用，為電網(wǎng)工程的經(jīng)濟(jì)合理建設(shè)與安全可靠運(yùn)行提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

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[2] 潘曉春. 中、輕冰區(qū)輸電線路設(shè)計(jì)冰厚分析計(jì)算[J]. 電力建設(shè)，2008，29(12): 31-33.

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[4] 熊海星，江志紅，陳權(quán)亮，等. 輸電線路覆冰研究及應(yīng)用技術(shù)開發(fā)[R]. 成都：西南電力設(shè)計(jì)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(jí)工程師、博士，從事電力水文氣象勘察和研究。

2017-06-27)