北疆電線積冰的分布及區(qū)劃

張小軍，莊文兵，肯巴提·波拉提

（1.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，新疆，烏魯木齊830011；2.新疆氣象服務(wù)中心，新疆，烏魯木齊 830002）

雨凇、霧凇凝附在導(dǎo)線上或濕雪凍結(jié)在導(dǎo)線上的現(xiàn)象，稱為電線積冰[1]。冰附著在輸電線路上，會(huì)增加輸電線的質(zhì)量，從而導(dǎo)致線路短路、桿塔倒塌、冰閃跳閘等事故，嚴(yán)重的電線積冰甚至?xí)?dǎo)致輸電線路崩潰，因此電線積冰導(dǎo)致的事故是國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一[2]。2009年2月5—7日，塔城電力公司、阿勒泰電力公司所屬3條110 kV線路先后因積冰跳閘4次。塔城電力公司所屬2條線路2月7日先后發(fā)生垂直排列的導(dǎo)線由于不均勻積冰造成相間距離不足而跳閘[3]。目前，電線積冰資料的應(yīng)用研究主要集中在電力和氣象等部門(mén)，研究?jī)?nèi)容包括電線積冰的類型和分布、電線積冰預(yù)報(bào)模型及預(yù)警發(fā)布、制定輸電線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算電線積冰重現(xiàn)期極值等[4]。李云鵬等[5]2010年利用新疆歷年電線積冰觀測(cè)資料對(duì)新疆電線積冰的時(shí)空分布、種類以及電線積冰出現(xiàn)時(shí)的氣象條件進(jìn)行了初步分析，得出北疆出現(xiàn)電線積冰多于南疆，南疆山區(qū)多于平原，新疆電線積冰以霧凇為主，出現(xiàn)電線積冰的氣象條件為當(dāng)日最低氣溫在0℃以下，空氣相對(duì)濕度＞70%等的結(jié)論。我國(guó)電網(wǎng)現(xiàn)行規(guī)范是針對(duì)不同等級(jí)（110～330、500、750 kV）的線路，采用多年一遇標(biāo)準(zhǔn)冰厚進(jìn)行抗冰設(shè)計(jì)。但由于缺乏系統(tǒng)和連續(xù)的電線積冰觀測(cè)數(shù)據(jù)，這方面的研究成果較少。實(shí)際情況是，大部分輸電線路是根據(jù)當(dāng)?shù)匕l(fā)生過(guò)的電線積冰災(zāi)害，估算該地的設(shè)計(jì)冰厚參數(shù)，與實(shí)際情況差異較大，存在較大的任意性和盲目性[6]。因此對(duì)新疆電線積冰的時(shí)空分布規(guī)律深入研究，對(duì)合理地確定設(shè)計(jì)冰厚、優(yōu)化電力工程設(shè)計(jì)有著重要的意義。

1 資料與方法

氣象站的積冰觀測(cè)采用直徑約4 mm、長(zhǎng)1 m鐵（鋼）絲導(dǎo)線，使用電線積冰架，由南北向和東西向兩組構(gòu)成，從積冰架上的導(dǎo)線開(kāi)始形成積冰起，至積冰消失止，稱為一次積冰過(guò)程[7]。由于氣象部門(mén)對(duì)電線積冰的觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與輸電線的實(shí)際狀況不一致，遠(yuǎn)比輸電線細(xì)，因此從2011年1月1日起，全國(guó)有電線積冰觀測(cè)業(yè)務(wù)的氣象臺(tái)站在原有4 mm導(dǎo)線積冰觀測(cè)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上新增直徑為26.8 mm、220 kV電力傳輸主干線電纜的積冰觀測(cè)業(yè)務(wù)[8]。氣象站所用的電線積冰觀測(cè)材料表面光滑；而輸電線路所用的線則為多股鋼芯鋁絞線或鋼絞線，表面粗糙，橫截面積要大于氣象觀測(cè)用線，當(dāng)達(dá)到一定的溫度條件后凍雨、濕雪、雨夾雪也容易形成電線積冰。因此形成的電線積冰要較氣象觀測(cè)的直徑、厚度及重量值都要大。

1.1 資料

本文選用北疆1986—2015年具有電線積冰觀測(cè)的，滿足數(shù)據(jù)連續(xù)性和完整性分析要求的8個(gè)氣象站。阿勒泰、福海、塔城、精河、伊寧、昭蘇、烏魯木齊和奇臺(tái)的積冰資料（圖1），可以較好地代表北疆地區(qū)的電線積冰情況。

圖1 電線積冰站點(diǎn)分布

1.2 計(jì)算方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)冰厚計(jì)算方法

由于電線導(dǎo)線直徑的差異、電線積冰形狀差距，結(jié)冰密度不同，無(wú)法直接使用觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。因此，需將不同天氣條件下形成的不同的電線結(jié)冰換算成統(tǒng)一比重的標(biāo)準(zhǔn)冰厚，標(biāo)準(zhǔn)冰厚指的是積冰等效為均勻覆裹導(dǎo)線、密度為0.9 g/cm3的冰層厚度值。本文使用的公式如下：

式中，B0為標(biāo)準(zhǔn)冰厚，Ks為積冰形狀系數(shù)（積冰短徑與積冰長(zhǎng)徑的比值），R為積冰半徑（包括導(dǎo)線），r為電線直徑，ρ為積冰密度。

1.2.2 極值I型分布和皮爾遜_III型分布

極值I型分布是極值漸進(jìn)分布的一種理論模式[9-12]，用于擬合最大值的分布時(shí)，其分布函數(shù)為：

F（x）=exp{-exp[-α（x-μ）]}。 （2）式中，α為分布的尺度參數(shù)，α＞0，μ為分布的位置參數(shù)。只要利用已有的標(biāo)準(zhǔn)冰厚序列合理估算出參數(shù)α、μ的數(shù)值，則F（x）被唯一確定。

根據(jù)分布函數(shù)，通過(guò)矩法計(jì)算參數(shù)。參數(shù)α、μ與矩的關(guān)系為：

一階矩（數(shù)學(xué)期望）：

其中，y≈0.57722。

二階矩（方差）：

由此得到：

參數(shù)已知的情況下，重現(xiàn)期為R（概率為1/R）的標(biāo)準(zhǔn)冰厚重現(xiàn)水平采用下式進(jìn)行推算：

皮爾遜_III型分布函數(shù)為：

式中，Γ（α）為伽馬函數(shù)，xp為設(shè)計(jì)值，α、β為分布參數(shù)，分別表示為：

1.2.3 設(shè)計(jì)冰厚計(jì)算方法

輸電線路工程積冰設(shè)計(jì)時(shí)需要將重現(xiàn)期冰厚進(jìn)行海拔高度、線徑、特殊地形等訂正和調(diào)查等幾個(gè)步驟，推算出區(qū)間其它典型點(diǎn)的設(shè)計(jì)冰厚[13-14]。而氣象站點(diǎn)多建在地形開(kāi)闊地區(qū)，故本文只做高度訂正。根據(jù)最新規(guī)范規(guī)定設(shè)計(jì)高度全部為10 m。因此，

式中，Kh為距地面高度訂正系數(shù)，h0為觀測(cè)導(dǎo)線距地面高度，為2 m，h為設(shè)計(jì)導(dǎo)線距地面高度，α應(yīng)由積冰觀測(cè)資料計(jì)算確定。無(wú)資料地區(qū)可采用0.22[13]，本文取0.22，得Kh為1.4249。

因此，距地面10 m高度處的積冰厚度：

式中，b為標(biāo)準(zhǔn)冰厚。

2 電線積冰分布

受地理環(huán)境的影響，不同地區(qū)的電線積冰日數(shù)（表1）明顯不同。電線積冰出現(xiàn)最多的是福海，年平均為33.2 d；最少的是塔城，年平均為3.4 d。從年代際變化來(lái)看，除塔城外，其余站電線積冰日數(shù)都呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

表1 1986—2015年各年代電線積冰日數(shù) d

電線積冰是一種季節(jié)性現(xiàn)象，大多發(fā)生在冬半年，從當(dāng)年10月—次年4月均可發(fā)生，集中出現(xiàn)在12月—次年2月。最早出現(xiàn)在9月（昭蘇1989年9月26日），最晚持續(xù)到5月（奇臺(tái)1985年5月14日）。從各站情況來(lái)看（表2），福海、精河、奇臺(tái)和伊寧4個(gè)站的電線積冰發(fā)生在1月的最多，占全年的27%以上；其次發(fā)生在12月，分別是昭蘇和烏魯木齊，占全年的22%以上；阿勒泰電線積冰發(fā)生在2月的最多，占全年的22%；塔城電線積冰發(fā)生在2月和12月較多，占全年的22.6%。

表2 1986—2015年各月電線積冰出現(xiàn)頻率/%

3 電線積冰標(biāo)準(zhǔn)冰厚

3.1 標(biāo)準(zhǔn)冰厚

由表3可知，30 a平均標(biāo)準(zhǔn)冰厚最厚在昭蘇（13.2mm），最薄的在精河（2.2mm）。從年代際分布看，1986—2005年，福海、塔城和奇臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)冰厚厚度增加，塔城增加近2倍，其它站標(biāo)準(zhǔn)冰厚均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。2005年以后，各站的標(biāo)準(zhǔn)冰厚都明顯減小，最小的精河只有1.4 mm。

表3 1986—2015 年各年代電線積冰標(biāo)準(zhǔn)冰厚/mm

3.2 重現(xiàn)期冰厚

本文采用極值I型分布和皮爾遜_III型分布對(duì)各站點(diǎn)30、50和100 a的重現(xiàn)水平進(jìn)行估算（表4）。根據(jù)兩種計(jì)算方法，積冰厚度最大值出現(xiàn)在塔城站，其次為昭蘇、奇臺(tái)和阿勒泰氣象站。最小值出現(xiàn)在精河站，30、50和100 a一遇的最小積冰厚度均＜10mm。

表4 北疆8個(gè)氣象站30、50和100 a一遇積冰厚度/mm

由估算結(jié)果可以看出，基于極值I型分布的積冰厚度重現(xiàn)期估算值普遍大于皮爾遜_III型分布的估算結(jié)果，最大差距達(dá)5 mm。為檢驗(yàn)最大積冰厚度樣本序列是否符合擬合的極值I型及皮爾遜_III型分布，在0.05的顯著性水平下，對(duì)兩種方法擬合結(jié)果進(jìn)行K-S檢驗(yàn)（表5），H0代表樣本分布是擬合的分布，H1代表不擬合的分布。極值I型檢驗(yàn)結(jié)果顯示，在0.05的顯著性水平下，8個(gè)站電線積冰有7個(gè)計(jì)算的重現(xiàn)期與經(jīng)驗(yàn)重現(xiàn)期分布擬合較好，只有塔城站不滿足。而皮爾遜_III型檢驗(yàn)結(jié)果顯示，8個(gè)氣象站電線積冰標(biāo)準(zhǔn)冰厚均未通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)。因此，采用極值I型分布的電線積冰標(biāo)準(zhǔn)冰厚。

3.3 冰區(qū)劃分

輸電線路設(shè)計(jì)中把冰區(qū)稱為輕冰區(qū)、中冰區(qū)和重冰區(qū)，設(shè)計(jì)冰厚≤10mm為輕冰區(qū)，10mm<設(shè)計(jì)冰厚<20mm為中冰區(qū)，設(shè)計(jì)冰厚≥20mm為重冰區(qū)。根據(jù)極值I型重現(xiàn)期推算的設(shè)計(jì)冰厚結(jié)果來(lái)看，除了精河30、50 a一遇的設(shè)計(jì)冰厚是在中冰區(qū)以外（設(shè)計(jì)冰厚分別為8.9、10.0mm），其他各站點(diǎn)在此重現(xiàn)期都處于重冰區(qū)。而100 a一遇所有站點(diǎn)都在重冰區(qū)以內(nèi)，其中以塔城設(shè)計(jì)冰厚最厚，30、50、100 a一遇的設(shè)計(jì)冰厚分別達(dá)到46.4、53.2、62.4 mm，達(dá)到重冰區(qū)設(shè)計(jì)冰厚標(biāo)準(zhǔn)的2～3倍（表6和圖2）。

表6 設(shè)計(jì)冰厚/mm

圖2 重現(xiàn)期設(shè)計(jì)冰厚

4 結(jié)論

本文利用北疆8個(gè)氣象站30 a電線積冰觀測(cè)資料，分析了北疆電線積冰的時(shí)空分布特征，根據(jù)輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，計(jì)算出了設(shè)計(jì)冰厚，對(duì)北疆電線積冰進(jìn)行了區(qū)劃。

（1）電線積冰出現(xiàn)最多的是福海，30 a年平均為33.2d，最少的是塔城，平均為3.4 d。

（2）電線積冰大多發(fā)生在冬半年，從各月情況來(lái)看，有4個(gè)站（福海、精河、奇臺(tái)和伊寧）的電線積冰發(fā)生在1月的最多，占全年的27%以上，2個(gè)站發(fā)生在12月（昭蘇和烏魯木齊），占全年的22%以上。

（3）30 a平均標(biāo)準(zhǔn)冰厚最厚為昭蘇（13.2mm），最薄為精河（2.2mm）；從年代際分布看，積冰厚度總體上呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

（4）根據(jù)極值I型分布估算30、50和100 a最大積冰厚度重現(xiàn)水平得到積冰區(qū)劃分，除了精河30、50 a一遇的設(shè)計(jì)冰厚是在中冰區(qū)以外，其他各站點(diǎn)在此重現(xiàn)期都處于重冰區(qū)，而100 a一遇所有站點(diǎn)都在重冰區(qū)以內(nèi)。