渝東南地區(qū)輸電線路覆冰劃分依據(jù)分析

楊亞?wèn)|

摘 要：輸電線路覆冰災(zāi)害嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)安全，并給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了巨大損失。對(duì)于高海拔無(wú)人區(qū)，交通、運(yùn)行維護(hù)條件極差。探索和分析該地區(qū)覆冰劃分依據(jù)，對(duì)送電線路設(shè)計(jì)和防護(hù)具有重要的指導(dǎo)作用。收集渝東南地區(qū)大量的覆冰觀測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)覆冰調(diào)查計(jì)算結(jié)果，建立該地區(qū)覆冰厚度與海拔相對(duì)關(guān)系。結(jié)果表明，在排除微地形和微氣象區(qū)的情況下，渝東南地區(qū)輸電線路覆冰厚度隨海拔增加變化顯著。

關(guān)鍵詞：渝東南;覆冰;海拔;劃分依據(jù)

中圖分類號(hào)：TM75;P429 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）34-0-03

Basis Analysis of Icing Classification for Transmission Lines in

Southeast Chongqing

YANG Yadong

（Power China Henan Electric Power Survey & Design Institute Co.， Ltd.， Zhengzhou Henan 450007）

Abstract： Transmission line icing disaster seriously affects the safety of power system，and bring huge losses to the national economy.For the high-altitude no-man’s land with extremely poor traffic and operation and maintenance conditions， it is important to explore and analyze the basis of ice division in this area for the design and protection of power transmission lines. By collecting a large number of ice cover observation data in Southeast Chongqing and combined with the calculation results of field ice cover investigation to establish the relative relationship between ice cover thickness and altitude in this area. The results show that the ice thickness of transmission lines in Southeast Chongqing and Chongqing changes significantly with the increase of altitude when the microtopography and micrometeorological areas are excluded.

Keyword： Southeast Chongqing;ice;altitude;basis of classification

近年來(lái)，隨著全球氣候變暖，反常、極端天氣頻繁發(fā)生，冰凍災(zāi)害天氣次數(shù)逐漸增多，影響范圍也越來(lái)越大。而輸電線路會(huì)直接受到冰凍天氣的影響，因覆冰引起的電網(wǎng)故障率也在不斷增加，給國(guó)民生活及經(jīng)濟(jì)造成了嚴(yán)重危害[1]。

重慶市位于我國(guó)西南地區(qū)，而渝東南地區(qū)高壓線較多。渝東南地區(qū)主要包括黔江區(qū)、彭水縣、武隆區(qū)、石柱縣、秀山縣和酉陽(yáng)縣。該區(qū)域有向上、錦蘇±800 kV直流等多條特、超高壓輸電線路，分布密集，是重要的國(guó)家電網(wǎng)高壓線路走廊，也是重慶覆冰災(zāi)害多發(fā)區(qū)域[1]。

特殊的地形條件和氣候特征，導(dǎo)致該區(qū)域覆冰災(zāi)害情況復(fù)雜多樣，加之近幾年極端天氣頻發(fā)，覆冰災(zāi)害呈增多趨勢(shì)，嚴(yán)重影響了區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，針對(duì)作為超高壓、特高壓線路走廊的渝東南地區(qū)進(jìn)行覆冰研究，對(duì)線路設(shè)計(jì)及采取相應(yīng)抗冰措施意義重大。

1 渝東南地區(qū)地形及氣象特征

重慶地勢(shì)由南北向長(zhǎng)江河谷逐級(jí)降低，西北部和中部以丘陵、低山為主，東南部靠大巴山和武陵山兩座大山脈，坡地較多，全市地貌類型分中山、低山、高丘陵、中丘陵、低丘陵、緩丘陵、臺(tái)地和平壩8大類，地形地貌各樣，以山地和丘陵為主。其中，山地（中山和低山）面積62 413.24 km，占轄區(qū)面積75.8%，故重慶有“山城”之稱。但重慶的高山峻嶺多集中在東南部及東北部，特別是渝東南地區(qū)，地處大婁山和武陵山北端余脈，地形地貌多變，大型山脈居多，大部分山脈海拔在800 m以上，其中最高峰接近2 000 m，縱橫交錯(cuò)，高山、低谷遍布其間。

區(qū)域山脈水系發(fā)育，氣候溫和、濕潤(rùn)，降雨量大、水氣充沛。渝東南地區(qū)平均氣溫為15.1～17.7 ℃，極端最高氣溫為37.5～42.7 ℃，最低氣溫為-5.6～-1.3℃，多年平均降水量在1 017.6～1 333.6 mm，多年平均濕度在80%左右。該區(qū)域立體氣候明顯，特別是高海拔地帶，冬季云霧不散并伴有毛毛雨，當(dāng)氣溫驟降時(shí)，會(huì)出現(xiàn)冰凍天氣。特殊的地形條件和氣候特征導(dǎo)致該區(qū)域輸電線路極易產(chǎn)生覆冰，對(duì)輸電線路的運(yùn)行和維護(hù)造成極大危害。

2 區(qū)域電網(wǎng)覆冰調(diào)查計(jì)算

渝東南地區(qū)已建高壓輸電線路密集，是冬季覆冰災(zāi)害高發(fā)地區(qū)。近20年來(lái)，因冰凍天氣引起線路故障很多，其中倒塔斷線事故時(shí)有發(fā)生。為了獲取詳細(xì)的原始覆冰資料，需對(duì)渝東南各縣區(qū)高海拔、低海拔及覆冰多發(fā)區(qū)域進(jìn)行實(shí)地踏勘和覆冰調(diào)查，同時(shí)走訪各個(gè)縣區(qū)電力部門、通信部門和氣象部門，收集輸電線路故障發(fā)生時(shí)第一時(shí)間所觀測(cè)到的覆冰數(shù)據(jù)和大量冰凍天氣下的線路運(yùn)維數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)對(duì)區(qū)域內(nèi)各海拔山脈的調(diào)查分析，覆冰密度的選取是在調(diào)查的基礎(chǔ)上參考地方供電運(yùn)維部門通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的照片及稱重、實(shí)測(cè)覆冰長(zhǎng)短徑，并采用下列公式進(jìn)行計(jì)算而綜合取定。

ρ=4G/πL（ab-4r） （1）

式中：ρ為覆冰密度，g/cm;G為冰的質(zhì)量，g;L為覆冰體長(zhǎng)度，m;a為覆冰體長(zhǎng)徑（含導(dǎo)線），mm;b為覆冰體短徑（含導(dǎo)線），mm;r為導(dǎo)線半徑，mm。

標(biāo)準(zhǔn)冰厚可根據(jù)實(shí)地踏勘調(diào)查覆冰資料，采用下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：B為標(biāo)準(zhǔn)冰厚，mm;R為覆冰半徑（含導(dǎo)線），mm;K為覆冰形狀系數(shù)，等于覆冰短徑與覆冰長(zhǎng)徑的比值。

無(wú)實(shí)測(cè)資料的地區(qū)，覆冰密度可根據(jù)調(diào)查的覆冰質(zhì)地、形狀色澤、附著力、視感及覆冰時(shí)的天氣情況，并根據(jù)《電力工程氣象勘測(cè)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5158—2021）[2]中各類覆冰的密度范圍表進(jìn)行選用，如表1所示。

根據(jù)實(shí)測(cè)資料結(jié)果及調(diào)查選用結(jié)果綜合分析可知，渝東南地區(qū)海拔較低處覆冰類型以雨凇為主，較高的山脈上覆冰類型以雨霧混合凇為主，密度為0.5～0.7 g/cm3。其色澤半透明，質(zhì)地較硬，附著力較強(qiáng)，生長(zhǎng)速度較快，對(duì)導(dǎo)線危害較大，如圖1所示。

通過(guò)對(duì)渝東南各區(qū)域280個(gè)點(diǎn)位調(diào)查、匯總并進(jìn)行合理性檢查和可靠性程度評(píng)價(jià)，選取合理的調(diào)查數(shù)據(jù)并根據(jù)覆冰調(diào)查公式進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)調(diào)查計(jì)算結(jié)果與收集的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析，得出不同海拔下的覆冰冰厚，結(jié)果如表2所示。

在不考慮微地形、微氣象等特殊環(huán)境影響下，根據(jù)以上各統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)繪制覆冰厚度隨海拔變化關(guān)系圖（見圖2），并根據(jù)關(guān)系曲線擬合出該區(qū)域覆冰厚度與海拔之間的關(guān)系公式：

B=1.680 9e

式中：B為覆冰厚度，mm;?為海拔，m。

通過(guò)繪制的覆冰厚度隨海拔變化關(guān)系曲線圖可看出渝東南地區(qū)電線結(jié)冰厚度隨著海拔增加而增加，并且變化顯著。對(duì)于個(gè)別特殊微地形區(qū)域，高海拔山脈上的輸電線路結(jié)冰更為嚴(yán)重。不同地區(qū)覆冰厚度與海拔的經(jīng)驗(yàn)公式為[2]：

B=ke （4）

式中：k和β是地區(qū)和覆冰類型變化參數(shù)。

該經(jīng)驗(yàn)公式與本研究所得公式（3）相似。閻同喜對(duì)導(dǎo)線覆冰氣象參數(shù)的分析研究得出，輸電線路所經(jīng)地段的海拔和地形會(huì)與氣象站地有較大差別，覆冰厚度會(huì)隨海拔的增加而增加[3]。根據(jù)蔣興良等通過(guò)研究重慶覆冰與海拔關(guān)系得出反映重慶覆冰隨著海拔變化的函數(shù)

公式[4-5]：

B=21.247 8e-28_034 8 （5）

該公式能進(jìn)一步說(shuō)明重慶輸電線路的覆冰隨著海拔遵循指數(shù)規(guī)律變化。

為驗(yàn)證這一變化規(guī)律，本次收集到重慶市武隆車盤山區(qū)域高海拔地段模擬輸電線路導(dǎo)線架設(shè)的觀冰點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并計(jì)算出等效冰厚，如表3所示。臨近高海拔地區(qū)綠蔥坡（海拔1 820 m）和金佛山（海拔1 920 m）觀冰站觀冰統(tǒng)計(jì)資料計(jì)算出的設(shè)計(jì)最大覆冰值分別為53.2 mm和52.0 mm，而低海拔區(qū)域（800～1 200 m）實(shí)測(cè)的最大覆冰厚度為5.0～19.3 mm。

海拔/m 向上、錦蘇線 張隆線覆冰最大值/mm 覆冰類型 覆冰最大值/mm 覆冰類型1 400 28.0 混合凇 28.2 混合凇以上實(shí)測(cè)觀冰數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果可以進(jìn)一步驗(yàn)證該區(qū)域高海拔地帶的線路覆冰值變化顯著這一特性。

3 渝東南地區(qū)覆冰劃分依據(jù)

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，山區(qū)的植被生態(tài)逐年改善，空氣濕度逐年增加，空氣中的水汽含量和水汽飽和度增加。而對(duì)于河流水系較多的渝東南山區(qū)，水汽更加充足，且空氣中水分不易流失。當(dāng)冷鋒過(guò)境后，受海拔溫差的影響，山谷水濕熱蒸汽向山上升騰，高海拔區(qū)域空氣中的水汽含量持續(xù)增加甚至過(guò)飽和，表現(xiàn)形態(tài)為低溫、云霧天氣。2018年冬季1—2月份在海拔1 400 m山脈進(jìn)行濕度和溫度觀測(cè)，數(shù)據(jù)記錄如圖3和圖4所示，可看出該區(qū)域高海拔地帶在冬季出現(xiàn)相對(duì)濕度持續(xù)較高的低溫天氣。

高海拔地區(qū)的空氣相對(duì)濕度和環(huán)境溫度以及高山地區(qū)風(fēng)速都是加速形成導(dǎo)線覆冰的主要因素。輸電線路所處區(qū)域海拔越高，所對(duì)應(yīng)空氣的溫度、氣壓也越低，風(fēng)速和濕度會(huì)越大，導(dǎo)線越容易覆冰，并且有著持續(xù)、反復(fù)結(jié)冰、覆冰量級(jí)大、消融時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。沿線踏勘調(diào)查及運(yùn)行管理部門多年以來(lái)在渝東南地區(qū)800 kV、500 kV、220 kV和110 kV線路工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行中總結(jié)出的成果、經(jīng)驗(yàn)，也驗(yàn)證了該區(qū)域覆冰量級(jí)與海拔成正比的關(guān)系。

渝東南地區(qū)山脈連綿起伏，河流縱橫交錯(cuò)，空氣濕度大，微地形、微氣候區(qū)較多，在冬季極易形成覆冰。該區(qū)域又是重要的高壓線路走廊，特高壓線路和超高壓線路分布密集。因此，在進(jìn)行冰區(qū)劃分時(shí)，海拔是影響覆冰分布的一大影響因素。

4 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)輸電線路冰區(qū)進(jìn)行劃分時(shí)需考慮區(qū)域氣象、地形、大型水體、植被等諸多因素，同時(shí)要參考區(qū)域冰雪災(zāi)害報(bào)告、附近觀冰站觀測(cè)數(shù)據(jù)、已建線路設(shè)計(jì)及運(yùn)行資料而綜合判定。對(duì)于渝東南山區(qū)，地形地貌及周邊環(huán)境相近區(qū)域，隨著海拔的增加，其濕度、溫度、風(fēng)速及氣壓等影響結(jié)冰的因素也不斷變化。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，覆冰量級(jí)隨著海拔增加而增加，變化顯著。由于渝東南地區(qū)覆冰觀測(cè)站較少，可用的氣象數(shù)據(jù)也相對(duì)短缺，高海拔無(wú)人區(qū)更是無(wú)法調(diào)查出有用的數(shù)據(jù)。因此，對(duì)于渝東南無(wú)資料區(qū)域，海拔可作為線路覆冰設(shè)計(jì)劃分冰區(qū)的重要依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐焜耀，況軍，吳彬.重慶輸電線路覆冰的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案[J].中國(guó)電力教育，2008（增刊3）：619-621.

[2]國(guó)家能源局.電力工程氣象勘測(cè)技術(shù)規(guī)程：DL/T 5158—2012[S].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

[3]王熹，張庭，趙超.江西省輸電線路覆冰厚度區(qū)域性分布規(guī)律[J].勘測(cè)設(shè)計(jì)，2018（11）：21-26.

[4]閻同喜.導(dǎo)線覆冰氣象參數(shù)的分析研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2006（5）：51-52.

[5]蔣興良，杜珍，莫文強(qiáng)，等.重慶地區(qū)電網(wǎng)覆冰的海拔高度特性[J].高電壓技術(shù)，2011（6）：1336-1342.