遼寧電網(wǎng)輸電線路舞動的氣象影響分析

張忠瑞，王 飛，張 巍

(1．遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006;2．東北電力科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110006)

2009年11月9日至2010年2月25日，受4起雨雪、大風(fēng)、低溫等惡劣天氣影響，遼寧省輸電線路發(fā)生了不同程度的舞動事故，涉及10～500 kV各電壓等級的輸配電線路，舞動范圍之廣、涉及設(shè)備之多、危害影響之大，為歷年罕見，電網(wǎng)迎峰度冬安全形勢異常嚴(yán)峻［1］。為做好輸電線路防舞動工作，對4起線路舞動發(fā)生時的氣象情況進(jìn)行調(diào)查、分析，找出影響線路舞動發(fā)生的氣象因素，為線路防舞動工作的開展提供依據(jù)。

1 凍雨天氣形成過程

凍雨天氣的形成條件比較特殊，在遼寧地區(qū)凍雨天氣并不常出現(xiàn)。據(jù)氣象部門專家介紹，逆溫層是凍雨發(fā)生的必要條件之一。

大氣中冷暖空氣相遇，產(chǎn)生相互作用，形成上暖下冷的空氣結(jié)構(gòu)，此時，地面溫度在0℃以下，地面以上500～3 000 m卻是暖空氣，溫度在0℃以上。降水云系由冰晶或雪花組成，冰晶或雪花下落到暖層開始融化，變成水滴。在下落到地面之前，盡管氣溫開始遞減，但由于冷氣層溫度及厚度不足以讓水滴再次結(jié)為冰晶，從而形成低于0℃的過冷水滴。過冷水滴碰到低于0℃的地面物體就會迅速結(jié)冰，從而形成雨凇現(xiàn)象。

這種從下向上冷—暖—更冷大氣溫度的垂直結(jié)構(gòu)具備了產(chǎn)生凍雨的天氣條件。

2 遼寧地區(qū)近5年冬季氣象情況

遼寧省地處歐亞大陸東岸，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。主要氣象特點:冬冷夏暖，寒冷期長;春秋短促多風(fēng);南濕北干，雨量集中;日照充足，四季分明。近5年來冬季氣溫整體呈上升趨勢，平均降水量呈明顯增多趨勢。省內(nèi)各地區(qū)氣象情況與歷年平均值對比見表1～表5。

3 2009～2010年冬季氣象情況

3.1 “1·20”災(zāi)害天氣

2010年1月18日起，一股強冷空氣進(jìn)入我國北部并東移南下，先后影響西北地區(qū)東部及中東部大部分地區(qū)。19日該強冷空氣經(jīng)內(nèi)蒙古進(jìn)入遼寧，導(dǎo)致遼寧省全省出現(xiàn)雨雪大風(fēng)天氣，部分地區(qū)小雨轉(zhuǎn)中雪，并伴有6～7級大風(fēng) (東北風(fēng))，局部地區(qū)風(fēng)力達(dá)8級，氣溫普遍下降12～16℃。營口、鞍山、本溪、大連地區(qū)氣象條件最為惡劣。但此次災(zāi)害天氣影響范圍小、時間短，造成25條線路舞動。舞動時各地區(qū)的氣象情況如下。

表1 營口地區(qū)近5年冬季 (12月～2月)氣象情況

表2 盤錦地區(qū)近5年冬季 (12月～2月)氣象情況

表3 本溪地區(qū)近5年冬季 (12月～2月)氣象情況

表4 鐵嶺地區(qū)近5年冬季 (12月～2月)氣象情況

表5 沈陽地區(qū)近5年冬季 (12月～2月)氣象情況

a． 營口地區(qū)氣象情況

營口地區(qū)1月19～21日溫度、濕度、風(fēng)速曲線見圖1。由圖1可見，19日23:00至20日03:00溫度下降很快，由3.1℃降至－2.9℃，并持續(xù)降低。這個時段的濕度維持在80%以上，同時風(fēng)向由南風(fēng)、東南風(fēng)轉(zhuǎn)為北風(fēng)、東北風(fēng)，風(fēng)速不斷加強，至20日04:00風(fēng)速已達(dá)10 m/s。

b． 鞍山地區(qū)氣象情況

圖1 營口地區(qū)1月19～21日溫度、濕度、風(fēng)速曲線

鞍山地區(qū)1月19～20日溫度、濕度、風(fēng)速曲線見圖2。根據(jù)當(dāng)天實時曲線分析，鞍山地區(qū)從19日21:00開始降雨，并轉(zhuǎn)小雪，一直持續(xù)到20日04:00，氣溫迅速由5℃下降至－5℃，19日20:00至20日03:00，相對濕度均在99%，北風(fēng)5～6級。實測總降水量為2.5 mm，其中降雪0.5 mm，覆冰厚度2～3 mm。

圖2 鞍山地區(qū)1月19～20日溫度、濕度、風(fēng)速曲線

c． 本溪地區(qū)氣象情況

本溪地區(qū)1月18～21日溫度、濕度、風(fēng)速曲線見圖3。2010年1月19日02:00～1月20日05:00，本溪地區(qū)由于前段時間氣溫回升，近地面溫度高，氣溫均處在0℃以上。1月19日17:00開始受南下強冷空氣影響，出現(xiàn)雨夾雪天氣。降水先以雨的形式開始，夜間隨著氣溫的下降逐漸轉(zhuǎn)為降雪天氣。1月20日06:00氣溫開始迅速下降，11:00溫度已降為－7.5℃。大部分地區(qū)降溫幅度8～10℃，局部地區(qū)降溫幅度達(dá)20℃，氣溫明顯下降并伴有偏北風(fēng)，風(fēng)速3～9 m/s。由于先降雨、空氣濕度較大，架空輸電線路積聚許多水分，雨轉(zhuǎn)雪過程溫度開始迅速下降、風(fēng)力增大，風(fēng)向也轉(zhuǎn)為西北向，為覆冰提供了充足的天氣條件。

圖3 本溪地區(qū)1月18～21日溫度、濕度、風(fēng)速曲線

3.2 “2·25”災(zāi)害天氣

2010年2月24日起，受冷暖氣流交替影響，導(dǎo)致遼寧省全省出現(xiàn)不同程度的凍雨天氣，并伴有5～6級大風(fēng) (北風(fēng))，局部地區(qū)風(fēng)力達(dá)8級，氣溫在短時間內(nèi)普遍下降10～14℃。此次凍雨災(zāi)害天氣，影響時間長，造成162條線路舞動。舞動時各地區(qū)的氣象變化情況如下。

a． 大連地區(qū)2月23～26日氣象情況

大連地區(qū)2月23～26日溫度、濕度、風(fēng)速曲線見圖4。由圖4可以看出，大連地區(qū)24日13:00開始溫度下降，至18:00由10℃降到0℃，且仍在持續(xù)降低。這個時段的濕度維持在80%以上，并開始降小雨，20:00雨量加大，濕度達(dá)到99%。14:00風(fēng)向由東南風(fēng)轉(zhuǎn)為北風(fēng)或東北風(fēng)，風(fēng)速不斷加強，至25日04:00風(fēng)速穩(wěn)定在12 m/s左右。上述條件非常有利于導(dǎo)線覆冰。

圖4 大連地區(qū)2月23～26日溫度、濕度、風(fēng)速曲線

b． 營口地區(qū)2月23～26日氣象情況

營口地區(qū)2月23～26日溫度、濕度、風(fēng)速曲線見圖5。由圖5可以看出，營口地區(qū)24日12:00開始溫度下降很快，從7.2℃降到－1.5℃，且持續(xù)降低。這個時段的濕度維持在80%以上，14:00風(fēng)向由東南風(fēng)轉(zhuǎn)為北風(fēng)或東北風(fēng)，風(fēng)速不斷加強，至20:00風(fēng)速穩(wěn)定在7.5 m/s左右。營口地區(qū)先雨后雪，氣溫下降，風(fēng)向北風(fēng)或東北風(fēng)，持續(xù)大風(fēng)，導(dǎo)線覆冰，東西走向及西南走向線路形成舞動。

圖5 營口地區(qū)2月23～26日溫度、濕度、風(fēng)速曲線

c． 葫蘆島地區(qū)2月24～25日氣象情況

葫蘆島地區(qū)2月24～26日溫度、濕度、風(fēng)速曲線見圖6。從2月24日08:00開始，葫蘆島地區(qū)出現(xiàn)大霧天氣，到14:00氣溫開始迅速下降，風(fēng)向由南轉(zhuǎn)北，風(fēng)力逐漸加強。至18:00地面氣溫降至0℃附近，并出現(xiàn)3～5 mm降水，加上持續(xù)6～9.6 m/s的北風(fēng)，具備結(jié)冰條件。到20:00輸電線路出現(xiàn)覆冰。

d． 盤錦地區(qū)2月24～25日氣象情況

盤錦地區(qū)2月24～26日溫度、濕度、風(fēng)速曲線見圖7。由圖7可見，盤錦地區(qū)2月24日14:00氣溫一直持續(xù)在0℃以上，15:00開始下降，16:00出現(xiàn)雨雪天氣，氣溫開始迅速降低，2月24日15:00～25日04:00大氣相對濕度均在85%以上，2月24日15:00～22:00風(fēng)力不大，風(fēng)向多為偏南風(fēng)、東南風(fēng)、西風(fēng)，25日00:00風(fēng)向轉(zhuǎn)為西北風(fēng)、偏北風(fēng)。

e． 沈陽地區(qū)2月24～25日氣象分析

沈陽地區(qū)2月24～26日溫度、濕度、風(fēng)速曲線見圖8。由圖8可見，沈陽地區(qū)2月24日14:00氣溫一直持續(xù)在2℃以上，15:00開始下降，隨后出現(xiàn)雨雪天氣，氣溫開始迅速降低。2月24日15:00～2月25日04:00大氣相對濕度均在99%，2月24日15:00～16:00風(fēng)力不大，風(fēng)向多為南風(fēng)或偏南風(fēng)，24日20:00風(fēng)力開始加大，風(fēng)向轉(zhuǎn)為北風(fēng)、偏北風(fēng)。上述條件非常有利于導(dǎo)線積冰。

圖8 沈陽地區(qū)2月24～26日溫度、濕度、風(fēng)速曲線

f． 鞍山地區(qū)2月23～25日氣象情況

圖9 鞍山地區(qū)2月23～25日溫度、濕度、風(fēng)力曲線

鞍山地區(qū)2月23～25日溫度、濕度、風(fēng)力曲線見圖9。24日鞍山地區(qū)降水量14 mm，臺安地區(qū)11 mm，海城地區(qū)7 mm，岫巖地區(qū)5 mm。雨轉(zhuǎn)雪后氣溫逐漸下降，造成鞍山市路面結(jié)冰，建筑物、植被等覆冰嚴(yán)重。24日下午至夜間，小雨轉(zhuǎn)雪，北風(fēng)4～5級，氣溫2～3℃。25日北風(fēng)4～5級，最低氣溫－4℃。24日17:00開始降雨，19:00雨量加大，一直持續(xù)到25日03:00，氣溫由0℃下降至－3℃，形成典型的凍雨天氣，造成輸電線路覆冰嚴(yán)重，平均厚度超過8 mm，現(xiàn)場目測導(dǎo)線覆冰10～20 mm。

g． 遼陽地區(qū)2月24～25日氣象情況

遼陽地區(qū)2月24～25日溫度、濕度、風(fēng)速曲線見圖10。由圖10可以看出，遼陽地區(qū)2月24日14:00氣溫一直持續(xù)在8℃以上，15:00開始下降，隨后出現(xiàn)雨雪天氣，氣溫開始迅速降低;2月24日15:00～2月25日04:00大氣相對濕度均在99%。2月24日15:00～22:00風(fēng)力不大，風(fēng)向多為南風(fēng)、偏南風(fēng)，25日00:00風(fēng)力開始加大，風(fēng)向轉(zhuǎn)為北風(fēng)、西北風(fēng)。上述條件有利于導(dǎo)線覆冰。

圖10 遼陽地區(qū)2月24～25日溫度、濕度、風(fēng)速曲線

h． 鐵嶺地區(qū)2月23～26日氣象情況

鐵嶺地區(qū)2月23～25日溫度、濕度、風(fēng)速曲線見圖11。2月24日午后到夜間，鐵嶺各地出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雪天氣。降水量鐵嶺為14.8 mm，開原為26.8 mm，昌圖為12.8 mm，西豐為27.7 mm，調(diào)兵山為23.4 mm，北部地區(qū)積雪深度達(dá)6～8 cm。這次降水過程北部地區(qū)以降雪為主，東部、南部以降雨為主，其中鐵嶺、開原出現(xiàn)凍雨，輸電線路表面形成了雨凇。這次大范圍的凍雨天氣，是近十幾年來最嚴(yán)重的一次。

圖11 鐵嶺地區(qū)2月23～25日溫度、濕度、風(fēng)速曲線

i． 本溪地區(qū)2月23～26日氣象情況

本溪地區(qū)2月23～26日溫度、濕度、風(fēng)速曲線見圖12。2月23日18:00～2月25日03:00氣溫一直持續(xù)在0℃以上，2月25日04:00開始下降，06:00～07:00出現(xiàn)雨雪天氣，氣溫開始迅速降低，2月23日01:00～2月25日02:00大氣相對濕度99%，2月23日03:00～25日22:00風(fēng)力不大，風(fēng)向多為南風(fēng)、西南風(fēng)，25日23:00風(fēng)力開始加大，風(fēng)向轉(zhuǎn)為北風(fēng)、偏北風(fēng)。上述條件非常有利于形成導(dǎo)線覆冰。

圖12 本溪地區(qū)2月23～26日溫度、濕度、風(fēng)速曲線

通過以上9個地區(qū)的氣象分析可以看出:舞動發(fā)生前，各地區(qū)溫度相對較高 (6～10℃)，隨后在相近時段開始降雨、降溫，風(fēng)向由南風(fēng)轉(zhuǎn)為北風(fēng);本次降雨是由遼寧北部開始，鐵嶺、沈陽地區(qū)降雨開始時間在24日15:00左右，遼陽、鞍山地區(qū)在17:00左右，營口、大連在20:00左右。相鄰地區(qū)開始降雨時間從北向南差1～2 h，這與冷空氣向南推進(jìn)的速度有關(guān)系;由風(fēng)力情況可以看出，遼寧北部鐵嶺、沈陽風(fēng)力在4～5級，南部營口、大連地區(qū)風(fēng)力在5～6級;遼寧中部鞍山、盤錦、葫蘆島覆冰較厚為10～15 mm，南部大連、營口覆冰較薄為2～3 mm，北部鐵嶺、沈陽、遼陽覆冰為5～10 mm。

3.3 “3·20”雨雪天氣情況

2010年3月18～20日，遼寧全省范圍為雨雪天氣，但未發(fā)生線路舞動跳閘，3月20日遼寧省天氣情況見圖13，鞍山地區(qū)3月18～20日溫度、濕度、風(fēng)速曲線見圖14。

由鞍山地區(qū)氣象曲線可以看出，從19日14:00開始降雨，隨后轉(zhuǎn)為雨夾雪，一直持續(xù)到20日08:00。在這一時間段內(nèi)，溫度一直在3℃左右，風(fēng)速為0～3.0 m/s，降雨量較大，相對濕度較高，但沒有明顯降溫過程，風(fēng)力較小，未形成舞動條件。

4 線路舞動原因

導(dǎo)線覆冰是造成導(dǎo)線舞動的必要條件，半液態(tài)的雨點凝集在導(dǎo)線迎風(fēng)面偏上方，形成導(dǎo)線偏心結(jié)冰。由于導(dǎo)線偏心結(jié)冰，改變了導(dǎo)線的幾何形狀，使導(dǎo)線的一側(cè)形成一個翼面［2］。

當(dāng)勁風(fēng)吹過時，表現(xiàn)出一定空氣動力特性。風(fēng)在導(dǎo)線上部通過，氣流速度增大，導(dǎo)線所受壓力減小;風(fēng)在導(dǎo)線下部通過，氣流速度減小，導(dǎo)線所受的壓力增大，因此，導(dǎo)線受一個向上的升力和一個水平的推力。由于升力、推力、導(dǎo)線重力及導(dǎo)線風(fēng)偏后的回彈力的交替作用，產(chǎn)生垂直振蕩和水平振蕩，二者耦合將產(chǎn)生舞動［3］。

隨著風(fēng)速的增加舞動趨勢越來越大，導(dǎo)線舞動的持續(xù)時間取決于大氣條件的變化和導(dǎo)線覆冰的脫落情況。當(dāng)風(fēng)向改變、風(fēng)速降低或氣溫回升使覆冰融化脫落，舞動也就停止。

5 線路發(fā)生舞動時的氣象特點

2009～2010年冬季氣象調(diào)查分析表明，2次大面積輸電線路覆冰舞動發(fā)生時的氣象條件十分接近，舞動表現(xiàn)形式、造成的后果等都與以往的舞動情況基本一致，是典型的覆冰舞動現(xiàn)象［4，5］。線路舞動發(fā)生時主要氣象特點如下。

a． 空氣濕度較大，一般為90% ～95%，干雪不易凝結(jié)在導(dǎo)線上，雨凇、凍雨、雨夾雪是導(dǎo)線覆冰常見的氣象條件。

b． 均有一次明顯的降溫過程，氣溫在短時間內(nèi)由零上降至零下，有雨轉(zhuǎn)雪或凍雨的氣象過程。發(fā)生覆冰時溫度一般為－5～0℃，溫度過高或過低均不易形成導(dǎo)線覆冰。

c． 有持續(xù)穩(wěn)定的風(fēng)，線路發(fā)生舞動的風(fēng)速一般為5～15 m/s，風(fēng)向為北風(fēng)、西北風(fēng)。

d． 觀測到的導(dǎo)線覆冰基本為雨凇 (凍雨)，密度較高，呈不均勻形態(tài)，最大偏心厚度為2～25 mm。

6 結(jié)束語

遼寧省東部本溪、丹東、鞍山東部、大連東部地處長白山余脈，屬丘陵地帶，基本不產(chǎn)生舞動氣象，遼寧省中部營口、鞍山、本溪、大連等地區(qū)海拔較低、地勢平坦、冬季風(fēng)大，當(dāng)西伯利亞、內(nèi)蒙古寒流與黃海、渤海灣沿大連、營口、盤錦、葫蘆島、錦州等地區(qū)登陸的暖流相遇，暖濕空氣由低向高爬升，冷空氣下降，兩股氣流相遇產(chǎn)生降雨，冷空氣低于0℃時，發(fā)生凍雨。入冬時節(jié)，遼寧省由北向南出現(xiàn)輸電線路覆冰，開春時節(jié)，由南向北出現(xiàn)輸電線路覆冰。

每年的11月至次年2月是線路覆冰舞動的多發(fā)季節(jié)。各運行維護單位應(yīng)與氣象部門建立常態(tài)聯(lián)系網(wǎng)，定期收集天氣變化情況，及時掌握覆冰舞動區(qū)域，以便及時采取防舞動措施。當(dāng)易發(fā)生舞動的氣象條件來臨時提前響應(yīng)，不僅要做好線路的防護工作，而且還要收集該氣象條件來臨前后的詳細(xì)氣象資料，分析天氣變化趨勢，為研究線路舞動機理、合理制定防舞動措施提供參考依據(jù)。

［1］ 張 巍，王 飛，楊鐵軍．2009～2010年冬季遼寧電網(wǎng)輸電線路舞動分析［J］．東北電力技術(shù)，2010，31(8):14－18．

［2］ 郎振國，劉 良，徐寶臣．通遼地區(qū)輸電線路發(fā)生覆冰舞動原因及對策 ［J］．東北電力技術(shù)，2006，27(11):48－52．

［3］ 苑 舜．電網(wǎng)導(dǎo)線舞動研究方法的探討［J］．東北電力技術(shù)，2005，26(5):22－23．

［4］ 張宏志．大面積導(dǎo)線覆冰舞動事故的調(diào)查與分析［J］．東北電力技術(shù)，2001，22(12):15－19．

［5］ 蔣興良，周仿榮，王少華．輸電導(dǎo)線覆冰舞動機理及防治措施 ［J］．電力建設(shè)，2008，29(9):14－18．