遼寧省特定重現(xiàn)期舞動區(qū)域分布圖繪制

李永勝，楊加倫，鄭維剛，劉彬，高正旭

(1. 中國石油天然氣管道通信電力工程有限公司，河北 廊坊 065000；2. 中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100053；3. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；4. 武漢區(qū)域氣候中心，湖北 武漢 430074)

0 引言

嚴(yán)重的架空輸電線路舞動可以給電網(wǎng)造成電氣和機械方面的故障，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失和社會影響[1-9]。2020年2月14—17日，環(huán)渤海地區(qū)發(fā)生了大面積舞動事故，涉及天津、冀北、河北、遼寧和山東的架空輸電線路，波及10～500 kV交流線路、1 000 kV特高壓交流線路和±800 kV特高壓直流線路，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來較大影響。為降低舞動災(zāi)害對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行影響，科研和工程技術(shù)人員針對舞動防治開展了大量研究[10-14]。實際上，舞動防治工作貫穿架空輸電線路的規(guī)劃、設(shè)計、基建、運維與檢修等各個環(huán)節(jié)。舞動區(qū)域分布圖客觀反映了架空輸電線路舞動發(fā)生頻率大小和強弱程度，是開展線路防舞動設(shè)計和舞動治理的重要依據(jù)，有效促進了中國架空輸電線路防舞動技術(shù)水平的提升。

目前，電網(wǎng)災(zāi)害分布圖主要有冰區(qū)[15-16]、風(fēng)區(qū)[17-18]、舞動區(qū)[1-3]、污區(qū)[19-20]、雷區(qū)[21-22]、涉鳥故障分布[23-24]等。其中，電網(wǎng)冰區(qū)、風(fēng)區(qū)和舞動區(qū)分布圖依據(jù)氣象數(shù)據(jù)繪制而成，且冰區(qū)和風(fēng)區(qū)分布圖均包括30年、50年和100年一遇3種重現(xiàn)期，分別適用于110～220 kV、330～750 kV和特高壓交直流線路。電網(wǎng)舞動區(qū)域分布圖未涉及重現(xiàn)期的概念，應(yīng)用時未區(qū)分架空輸電線路的電壓等級，導(dǎo)致難以根據(jù)不同電壓等級線路開展針對性的防舞動工作。常用的舞動區(qū)域劃分方法包括發(fā)生頻次法[3]、舞動系數(shù)法[8]和氣象地理法[3]。發(fā)生頻次法是將一定時間段內(nèi)（一般為5年或10年）輸電線路舞動事故發(fā)生的平均次數(shù)作為分區(qū)指標(biāo)，如蘇聯(lián)的舞動區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)是舞動周期每5年1次以上的為多舞動區(qū)，特別強烈的為強舞動區(qū)；每5～10年不多于1次的為輕舞動區(qū)；每10年少于1次的為少舞動區(qū)。舞動系數(shù)法是指依據(jù)舞動發(fā)生的條件（誘因）及氣象、地理情況的調(diào)研分析，結(jié)合實際線路舞動情況，采用舞動系數(shù)進行舞動強度表示的方法。該方法相對較復(fù)雜，需估算舞動系數(shù)，但該方法更能反映某地區(qū)導(dǎo)線舞動的實際情況，對尚未建成大量線路的地方同樣具有指導(dǎo)作用。氣象地理法綜合考慮氣象和地理因素對舞動區(qū)域劃分的作用，通過統(tǒng)計分析歷史氣象資料，得到10年舞動氣象日數(shù)，再結(jié)合地形特征，對10年舞動氣象日數(shù)進行修訂，得到修訂后的10年舞動日數(shù)，按照舞動日數(shù)的多少劃分舞動區(qū)域，再結(jié)合運維經(jīng)驗，對劃分不合理的舞動區(qū)域進行調(diào)整，最終得到舞動區(qū)域分布圖。

本文在電網(wǎng)舞動區(qū)域分布圖繪制中引入重現(xiàn)期的概念，基于廣義極值分布模型計算遼寧省62個氣象臺站30年、50年和100年一遇的舞動極值日數(shù)，繪制了遼寧電網(wǎng)不同重現(xiàn)期電網(wǎng)舞動區(qū)域分布圖，適用于各電壓等級架空輸電線路舞動防治工作。

1 舞動資料

1.1 氣象臺站資料

選取遼寧省62個氣象臺站1999—2020年共計21年冬季逐日氣象資料。文獻[4]分析了氣壓、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、水汽壓、相對濕度、最小相對濕度、20:00至次日20:00降水、蒸發(fā)、風(fēng)速、日照、08:00至次日08:00降水等12個單要素對覆冰舞動的影響，發(fā)現(xiàn)最低氣溫、相對濕度和風(fēng)速在特定區(qū)間對覆冰舞動較為敏感。

因此，影響覆冰舞動的主要氣象因子選定為最低溫度、相對濕度與風(fēng)速。鑒于遼寧省冬季主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)，選取遼寧省冬季逐日西風(fēng)風(fēng)向下日最大風(fēng)速、日平均相對濕度、日最低溫度等氣象資料作為舞動區(qū)域分布圖繪制的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 線路運行資料

截至2020年5月底，遼寧共有589條·次66 kV及以上架空輸電線路發(fā)生過舞動。各地區(qū)500 kV、220 kV和66 kV電壓等級舞動規(guī)模（條·次）詳見表1。500 kV架空輸電線路舞動主要分布在沈陽、遼陽、營口和錦州，占比約為83.3%；220 kV架空輸電線路舞動主要分布在大連和沈陽，占比約為76.4%；66 kV架空輸電線路舞動主要分布在大連、營口和盤錦，占比約為67.9%。

表1 遼寧架空輸電線路舞動分布情況Table 1 Conductor galloping distribution in Liaoning Province

2 統(tǒng)計方法

2.1 舞動氣象日期統(tǒng)計

對于遼寧省特定氣象臺站，當(dāng)某日氣象要素滿足表2的閾值區(qū)間要求時，將該日統(tǒng)計為1個舞動氣象日。

表2 氣象閾值區(qū)間取值Table 2 Threshold interval of meteorological elements

遼寧地區(qū)覆冰舞動多發(fā)生在秋冬季節(jié)和冬春季節(jié)轉(zhuǎn)換期間?？紤]冬季舞動季節(jié)的連貫性，統(tǒng)計每年冬季舞動日數(shù)時，時間跨度取為當(dāng)年9月1日至次年5月31日。

依據(jù)以上原則梳理，大洼氣象臺站2009—2010年冬季舞動氣象日數(shù)為5，1999—2000年冬季舞動氣象日數(shù)為4；瓦房店和盤山氣象臺站2009—2010年冬季舞動氣象日數(shù)為4；沈陽氣象臺站2011—2012年冬季舞動氣象日數(shù)為4。統(tǒng)計后，遼寧省62個氣象臺站中共有28個氣象臺站有舞動氣象日記錄。28個氣象臺站年舞動氣象日數(shù)由大到小排列后，全部非零序列如表3所示。

表3 氣象站舞動氣象日數(shù)序列Table 3 Series of galloping days recorded by meteorological stations

2.2 舞動極值日數(shù)統(tǒng)計

3 分級標(biāo)準(zhǔn)

架空輸電線路防舞設(shè)計規(guī)范明確規(guī)定了1級、2級和3級舞動區(qū)應(yīng)采取的防舞動措施。因此，將舞動等級按舞動極值日數(shù)分為0～3級。舞動等級與舞動極值日數(shù)對應(yīng)關(guān)系應(yīng)符合表4的規(guī)定。

表4 舞動等級與舞動極值日數(shù)的對應(yīng)關(guān)系Table 4 The relationship between the galloping level and the number of extremum galloping days

4 舞動區(qū)域分布圖繪制

利用克里格插值方法，以62個氣象臺站特定重現(xiàn)期舞動極值日數(shù)為基準(zhǔn)，得到氣象臺站周邊區(qū)域特定重現(xiàn)期舞動極值日數(shù)。根據(jù)表4的分級標(biāo)準(zhǔn)，可確定遼寧省全域的特定重現(xiàn)期舞動等級。30年、50年和100年一遇的舞動區(qū)域分布分別如圖1～3所示。

圖1 遼寧省30年一遇電網(wǎng)舞動區(qū)域分布Fig. 1 The galloping distribution map of Liaoning Province with the recurrence period of 30 years

圖2 遼寧省50年一遇電網(wǎng)舞動區(qū)域分布Fig. 2 The galloping distribution map of Liaoning Province with the recurrence period of 50 years

圖3 遼寧省百年一遇電網(wǎng)舞動區(qū)域分布Fig. 3 The galloping distribution map of Liaoning province for recurrence period of 100 years

遼寧地區(qū)0級舞動區(qū)占比較大，2級和3級舞動區(qū)占比較小；遼寧100年一遇舞動區(qū)域分布的3級舞動區(qū)主要集中在大連、瓦房店、營口和沈陽一帶，且3級區(qū)面積遠大于30年和50年一遇的3級舞動區(qū)面積。上述分布與表1反映的遼寧地區(qū)歷史舞動記錄基本吻合。必要時，可以依據(jù)表1數(shù)據(jù)完善舞動區(qū)域分布。

5 結(jié)論

本文基于遼寧省1999—2020年21年間62個氣象臺站冬季歷史氣象數(shù)據(jù)，繪制了遼寧30年、50年和100年一遇電網(wǎng)舞動區(qū)域分布圖，得到3方面主要結(jié)論：（1）引入了重現(xiàn)期概念，利用廣義極值分布模型計算了遼寧地區(qū)特定重現(xiàn)期舞動極值日數(shù)，統(tǒng)一了電網(wǎng)冰區(qū)、風(fēng)區(qū)和舞動區(qū)域分布圖的繪制體系與特定電壓等級架空輸電線路的防覆冰、防風(fēng)和防舞動設(shè)計體系。（2）繪制的30年、50年和100年一遇電網(wǎng)舞動區(qū)域分布圖分別適用于遼寧地區(qū)110～220 kV、330～750 kV、特高壓交直流線路的防舞動設(shè)計及改造工作。（3）繪制的不同重現(xiàn)期電網(wǎng)舞動區(qū)域分布圖與遼寧省歷史舞動記錄基本吻合，拓展了舞動區(qū)域分布圖的客觀性與實用性，有助于提升架空輸電線路抵御覆冰舞動災(zāi)害的能力和水平。