微地形和小氣候區(qū)線路覆冰影響因素分析及工程實例

康基偉

(河南電網建設管理公司，河南鄭州450000)

0 引言

2008年初，全國各地尤其是南方數省遭遇了罕見雨雪冰凍災害，給電力系統(tǒng)的安全運行帶來了重大災難.此次冰災中，華中、華東、華南、西南均出現了輸電線路倒塔、斷線、斷股、金具損壞等嚴重事故，尤其是220 kV及500 kV線路由于輸電距離遠，沿線周圍環(huán)境復雜多樣，輸電走廊跨經河流、峽谷、高山林區(qū)等微地形和小氣候區(qū)，受損情況尤為嚴重.國家西電東送戰(zhàn)略深層推進，屆時會有更多電力線路跨越河流、峽谷、高山林區(qū)等微地形和小氣候區(qū)，這些區(qū)域往往存在誘發(fā)覆冰的因素，在必要的地段若不采取加強措施，實際覆冰厚度將超出設計標準，造成電網安全隱患.因此，在線路規(guī)劃、設計、建設、運行、維護中需重點考慮微地形和小氣候區(qū)的特殊性，在這方面進行分析研究也是十分必要的，期望為提升電網御冰能力提供理論依據，減少惡劣氣象條件下重大冰災事故的發(fā)生.

1 覆冰的成因及分類

輸電線路的覆冰受諸多因素的影響［1］，比如:溫度、濕度、風速及風向、冷暖空氣對流、環(huán)流、海拔高程、線路直徑、電場及負荷電流等氣象因素、地形因素以及導地線自身因素.當大氣中的過冷水滴在下落或隨風漂移的過程中與低于0℃的輸電線路表面碰觸并被捕獲時將迅速凝結成冰，這就是輸電線路的覆冰.

我國地處東南亞季風區(qū)，氣候現象復雜多樣，氣溫、降雨、風速及風向等隨地區(qū)變化大.在華中、西南及西北地區(qū)由于受大氣環(huán)流的影響，每年來自西伯利亞地區(qū)的大規(guī)模冷濕氣流會大范圍撲襲這些地區(qū)并造成復雜且嚴重的冰情.當冷鋒過境時，風速加劇，溫度猛降，沖入我國華中及西南地區(qū)的暖濕環(huán)境后，冷暖氣團相互碰撞推擠，較輕的暖濕氣團被迫上升，較重的冷氣團沉降，覆蓋近地面物體，外層高空大氣呈低溫環(huán)境，水以冰晶態(tài)存在.當冰晶由高空大氣進入暖氣團時融化為水，再進入近地面過冷環(huán)境時迅速釋放熱量成過冷卻水滴，與低于0℃的線路碰觸時凝結成冰，形成覆冰.氣象資料顯示我國南方冬季寒冷且風力強、霧氣重、雨滴大，總會出現短時的霧凇或雨凇天氣，平均持續(xù)3～15 d.時間雖短，但其突發(fā)性給整個電力網帶來的危害卻不容忽視［2-4］.

覆冰按形成條件及性質可分為雨凇、霧凇、混合凍結三類，如表 1［5-9］所示.

2 微地形和小氣候因素對覆冰的作用機理及典型實例

2.1 微地形對覆冰的影響及典型實例

微地形特征［10］:(1)地形突出，比周圍地形明顯更高(特別是相對于迎風面);(2)迎風面一側較大范圍的地域內，海拔高程處于相比較低的范圍內.常見因素有山脈走向、埡口、中山臺地、山脊以及水汽含量等.

表1 不同類型覆冰的性質Tab.1 The features of different types of ice

在高山大嶺中，線路覆冰受地形影響較大.如:貴州220 kV雞江Ⅱ回線路，東有海拔1 500 m以上的大山，西臨水源，冬季來自北方的冷空氣在此受阻，又有充足水汽，自投運以來，重覆冰事故多有發(fā)生;湖北500 kV葛雙Ⅱ回線路的#231～#237段地形抬升，跨越海拔近500 m的山頂，在1993年11月、1994年11月連續(xù)兩次發(fā)生覆冰倒塔斷線事故，也受其特殊地形條件影響.2008年冰災事故中，云南500 kV宣威曲靖線#178～#179附近800 m范圍內有多個水庫，冬季霧大、風大、空氣潮濕，#169～#185位于大德基東北至西南風槽埡口帶，氣溫低于0℃時，在冷氣流作用下覆冰也多次發(fā)生［11-13］.

我國輸電線路覆冰伴隨有顯著的微地形特征，如表 2［2，11］所示.

表2 典型微地形分類及地貌特征Tab.2 Sorts and topographic features of typical micro-terrain

2.1.1 山脈走向及坡向因素

受季風氣候影響，我國冬季風向多為北風或西北風，當山脈呈東西走向，與風向大致垂直時，在迎風坡形成強勢阻擋，使冷氣團移動緩慢，局部出現冷濕環(huán)境，加重覆冰程度，如貴州220 kV雞江I、II回，110 kV久新線以及多條35 kV線路經過苗嶺山脈南坡，地處迎風段，冬季覆冰嚴重［11］.

2.1.2 山體結構(風道、山脊、埡口)因素

山脊、埡口地段易形成嚴重覆冰，此情況多集中在兩湖、四川和云貴山區(qū)，如湖北荊門漢江風道，東西兩側分別為大別山尾脈和秦嶺尾脈，每到冬季北方寒冷氣流都持續(xù)強力地涌向這里，迫使該地區(qū)的暖氣團持續(xù)抬升，形成重覆冰;云南220 kV者昭II回，位于西南向東北走向山脈段，#97～#99耐張段地處埡口，氣溫低，濕度大，易覆冰［12-13］.

2.1.3 地表水體因素

臨近江河、湖泊和水庫的地方，空氣水分充足，線路覆冰嚴重，如江西梅嶺比鄰鄱陽湖;安徽黃山南靠長江;云南梁王山兩面臨湖;湖南雪峰山北對洞庭湖.這些區(qū)域水汽充足，濃霧覆蓋，冬季覆冰極易形成［2］.

2.1.4 海拔高度因素

某范圍內，覆冰厚度與海拔高度大致呈正比關系.海拔愈高，覆冰愈易，冰愈厚，且多為霧凇;反之，則不易結冰，冰厚薄，且多為雨凇或混合淞.這是由于隨海拔的升高，風速及水霧密度均隨之增大所致.某一環(huán)境下開始結冰的海拔高度稱為凝結高度.在我國，線路覆冰凝結高度的地域特點是西高東低，北高南低.在凝結高度點以上，覆冰隨海拔的升高而增厚［6］.

前蘇聯(lián)學者布琴斯基提出了頓巴斯地區(qū)覆冰平均直徑和海拔高度的經驗關系［11］:

式中:D是覆冰直徑mm;h是海拔高度m;e是自然對數底;ai、bi是隨覆冰類型和地區(qū)而變化的系數.該地區(qū)霧凇覆冰時ai=7.76，bi=0.32;雨凇覆冰時ai=4.47，bi=0.003 7.

前蘇聯(lián)頓巴斯地區(qū)與我國恩施地區(qū)海拔高度與覆冰厚度的關系［11］見圖1與圖2.

傳統(tǒng)認為，我國線路重覆冰區(qū)集中在西南海拔1 000～1 500 m、華東海拔700 m及以上、湖南海拔600 m及以上地區(qū).但湖南洞庭湖平原海拔150～600 m處也發(fā)生了嚴重覆冰，這啟發(fā)我們對海拔與覆冰的關系需要重新認識和研究［14］.

2.1.5 全封閉或半封閉的盆地、水庫壩區(qū)的冷湖效應

由于盆地和壩區(qū)地形的封閉性，冷濕氣流一旦入侵，沒有消散通道，會長期回環(huán)滯留，后續(xù)冷濕氣流也會繼續(xù)不斷的補充進來，造成該區(qū)域的持續(xù)低溫、潮濕，形成局部范圍的“冷湖”.輸電線路跨越“冷湖”，會產生較嚴重的雨凇、霧凇覆冰，如四川夾金山尾脈的二郎山區(qū)域、云貴高原向湘西丘陵過渡的三穗縣、云南西北部橫斷山脈的德欽縣、整個湖南省地區(qū)(從東南西三面向北傾斜開口的馬蹄形狀)［4，11］.

2.1.6 人工營造的微地形因素

通過改變局部地表的狀況，可形成人工微地形。防護林以連片林地、林帶或林網形式營造，利于防風阻風，改道風向，使水汽的移動速度大大降低，輸送距離明顯縮短，從而使輸電線覆冰形成條件減弱，覆冰發(fā)生幾率降低及厚度減小.經研究，林木種類、高度、面積、密度、排列方式及營造方法等決定著防護林的防護效應.有資料［2］顯示，林帶對覆冰有著良好的防護效應，如表3所示.

結合三北防護林有關資料［15］分析得，當林帶偏角0°時，防風效應最好，偏角越大，效果越差;偏角30°以內效能降低不顯著，但超過30°～45°時效能降低很快.

表3 林帶對覆冰的防護效應Tab.3 The effect of tree belt on preventing icing

2.2 小氣候對覆冰的影響及典型實例

影響線路覆冰的氣象因素主要有4種，即環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、風速及風向、過冷卻水滴直徑等［2］.它們的綜合作用決定了線路的覆冰狀況.覆冰的形成因素雖然眾多，但以下條件［5］必須具備:①低溫(氣溫及導線溫度必須低于0℃);②強濕度(相對濕度＞88%);③風速0～7.5 m/s;④風向與線路方向垂直偏約±50°范圍.

另外，水滴直徑也是覆冰程度的重要制約因素.理論上，導線有一個最大覆冰直徑，當導線超過該直徑值后，導線將不會覆冰.導線最大覆冰直徑與 α1α2α3之積成正比，α1，α2，α3分別為過冷卻水滴與導線接觸時的碰撞率、捕獲率及凍結系數.其中，碰撞率與導線直徑成反比，與水滴半徑的平方及風速成正比，因此較大直徑的水滴易在導線上形成覆冰［16］.所以，過冷水滴直徑對線路覆冰的影響是必須考慮的.

英國氣象局對覆冰與氣象因素的關聯(lián)性進行了研究［17］，根據試驗數據，經過相關性的數學擬合，分別推導出了導線覆冰厚度與溫度、濕度及風速中的某一單一因子數學關系式.

覆冰厚度T與環(huán)境溫度t的關系如公式(2)所示: T=-2.191 9t-7.118;

覆冰厚度T與環(huán)境濕度h的關系如公式(3)所示: T=-0.844 9h+77.616;

覆冰厚度T與環(huán)境風速w的關系如公式(4)所示: T=-0.288 8w+9.487 1;

鄂西地區(qū)線路覆冰速度與溫度的曲線關系［2］如圖3 所示.

圖3 覆冰增長速度與溫度關系Fig.3 The relationship between temperature and growth rate of ice

由于覆冰是受多種因素共同作用的，從單一因子去擬合求解是不準確的，相關性較差，無法用于實際的分析計算.因此需要建立一個包含溫度、濕度、風速等多氣象參數在內的數學模型，以提高各個氣象因素與覆冰的相關系數，進而能夠對覆冰厚度做出正確的分析和判斷.根據湘西地區(qū)歷年覆冰記錄，提出覆冰厚度與風速、溫度間的經驗關系［11］，如公式(5)所示.

式中:T是覆冰厚度，mm;n是持續(xù)冰凍天數;t是環(huán)境溫度，℃;v是風速，m/s.

湘西地區(qū)線路覆冰與環(huán)境溫度、風速的數據統(tǒng)計如表4所示.

特別指出，傳統(tǒng)認為:覆冰成長快慢與導線表面的水汽接收率有關，即覆冰速度與風速成正系數相關.現場觀測表明［2］，導線覆冰成長速度并不與風速完全成正比，如圖4所示.

輸電線路覆冰除受前述各微地形、小氣候因素約束外，還受季節(jié)因素和線路自身導線的影響［5］.如:(1)導線剛度;(2)導線直徑;(3)導線載流及周圍電場強度.

表4 不同綜合條件下的覆冰情況Tab.4 Icing status in various conditions

圖4 湖北西部近40 a數據統(tǒng)計Fig.4 Nearly 40 years’statistics in western Hubei

3 防治措施

3.1 逐步完善微地形和小氣候區(qū)覆冰原始資料的積累及整理

有關微環(huán)境的歷史資料還很匱乏，不同微環(huán)境下覆冰的成長形狀和密度各不相同，全國范圍內微地形和小氣候區(qū)的劃分以及相關基礎數據的收集問題亟待解決.基礎數據的收集對線路冰災原因的分析、防冰措施的選擇、除冰技術的研究、抗冰方案的設計都是不可或缺的.因此，典型微環(huán)境區(qū)應設立觀冰哨，收集和整理輸電線路微地形、小氣候特征覆冰的原始數據，逐步建立完善的基礎數據庫，并加強測量人員的技術培訓和數據采集設備的改進，以提高原始數據的可信性，為新建線路規(guī)劃及已投運線路改造提供可靠的氣象依據.

3.2 規(guī)劃微環(huán)境下的特殊抗冰方案

2008年，華中、華東、華南以及西南大范圍內出現覆冰倒塔、斷線事故.通過具體分析，發(fā)現云南、貴州、湖南等多地區(qū)的輸電線路覆冰事故具有微地形、小氣候的顯著特征，比如云南曲靖8個縣市［13］，后據現場勘查，該地區(qū)輸電線路受災地段線路覆冰厚度均超過設計值，部分地段甚至超過設計值兩倍之多，充分帶有微地形、小氣候特征.若全面提高線路設計標準，則可能造成不必要的資源浪費.鑒于此，今后線路規(guī)劃及設計時應充分考慮該因素的影響，在總體設計標準的基礎上重點加強高海拔、大濕度、低氣溫、大檔距、強風口等微環(huán)境下的局部抗冰設計.

3.3 加強微地形和小氣候區(qū)氣象參數的動態(tài)監(jiān)測

在因微環(huán)境引起覆冰事故的多發(fā)地段，應加強氣象條件的實時監(jiān)測，從而快速準確的掌握線路異常情況，合理有效的采取抗冰措施，防止冰災隱患于未然.

3.4 進一步開展導線覆冰與各地形參數、氣象參數的關聯(lián)性研究

現有對覆冰機理的解釋均建立在既有經驗公式和數學模型上，各地形參數、氣象參數并沒有得到很好的擬合，這些理論模型推演結果與運行實際還存在較大差距.可在這方面做進一步的研究，以期在制定防冰、抗冰方案時具有指導意義.

4 結論

我國是個幅員遼闊、地形復雜、氣候多樣的國家，這決定了我國微地形區(qū)、微氣象點廣泛分布，歷年來的冰災事故分析表明微地形、小氣候因素對輸電線覆冰均有不同程度的不利影響，隨著我國特高壓電網持續(xù)建設，輸電線路將跨度更遠，走廊將分布更多的微氣象點、途徑更多微地形區(qū)，筆者對微地形、小氣候區(qū)特征的有關分析，將為規(guī)避線路覆冰事故提供借鑒.

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