架空輸電線路覆冰觀測站的選址和設(shè)計(jì)

(中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230601)

覆冰觀測站是為了觀測高壓輸電線路通道的導(dǎo)線覆冰情況而設(shè)立的站點(diǎn)，亦稱為觀冰站點(diǎn)。

覆冰是輸電線路設(shè)計(jì)和運(yùn)行中重要的荷載條件和氣象因素，其設(shè)計(jì)取值的高低對(duì)工程造價(jià)影響較大。相比于風(fēng)速、氣溫等氣象要素的觀測，覆冰觀測的站點(diǎn)較少，尤其是高山大嶺等易覆冰的區(qū)域，覆冰觀測站點(diǎn)尤其少。覆冰觀測需要進(jìn)行冰厚和冰重的測量，自動(dòng)化程度較低，基本靠人工進(jìn)行測量，增加了建設(shè)和運(yùn)行的難度和成本。

為了積累覆冰資料，滿足輸電線路的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行的需要，在規(guī)劃或已建的輸電線路通道附近設(shè)置觀冰站點(diǎn)是必要的。

觀冰站點(diǎn)根據(jù)設(shè)立的目的和作用主要有兩類。一類是為規(guī)劃的輸電線路提供覆冰觀測數(shù)據(jù)，站點(diǎn)設(shè)立在規(guī)劃的輸電線路通道附近；另一類是為已建的輸電線路提供實(shí)時(shí)覆冰觀測數(shù)據(jù)，為輸電線路安全運(yùn)行提供可供決策的數(shù)據(jù)，并積累該區(qū)域的覆冰觀測資料。

觀冰站點(diǎn)根據(jù)觀測區(qū)域的重要性和覆冰代表性，可分為觀冰站和觀冰點(diǎn)兩種類型。觀冰站的觀測資料應(yīng)代表區(qū)域性的覆冰特性，觀測設(shè)施應(yīng)包括雨凇塔、地面氣象觀測場和值班室(站房)。觀冰點(diǎn)的觀測資料應(yīng)代表局部地段或微地形的覆冰特性，觀測設(shè)施主要為雨凇架。

與觀冰點(diǎn)相比，觀冰站需要的觀測場地更大，設(shè)備更多，本文主要研究觀冰站的選址和設(shè)計(jì)。

1 觀冰站的選址

1.1 選址原則

觀冰站選址的原則，應(yīng)該在輸電線路通道內(nèi)選擇覆冰量級(jí)較大的、覆冰過程較多的，對(duì)通道覆冰條件代表性較好的區(qū)域。觀冰站的觀測場應(yīng)地勢開闊、氣流通暢，不受周圍地物的遮擋影響。由于覆冰期內(nèi)，需要人員進(jìn)駐觀測，觀冰站應(yīng)盡量選擇在交通便利以及水源、供電條件較好的地方。

1.2 選址實(shí)例

筆者參與建設(shè)的觀冰站的設(shè)立目的主要是監(jiān)測已建輸電線路通道的覆冰情況，以下結(jié)合安徽省內(nèi)第一座觀冰站的工程實(shí)例進(jìn)行分析。該觀冰站位于金寨縣大別山區(qū)，±500 kV宜華直流輸電線路通道附近。

工程區(qū)域覆冰情況：±500 kV宜華直流輸電線路通過安徽省的大別山區(qū)，部分區(qū)域海拔較高，加上附近響洪甸水庫的水汽條件影響，覆冰較重，曾在2008年發(fā)生過冰災(zāi)事故。2008年1月10日開始，安徽省自北向南開始出現(xiàn)全省性雨雪天氣，11日起，位于大別山區(qū)的金寨、霍山兩地也開始降雨，雨量中等，金寨縣10日和11日還同時(shí)伴有大霧，能見度為300～700 m，12日起兩地的降雨轉(zhuǎn)為降雪，并一直持續(xù)到23日。1月17日上午，因雪后惡劣氣象條件影響，位于霍山、金寨交界處高海拔地區(qū)的三峽往華東送電的電力大動(dòng)脈±500 kV宜華直流輸電線路#1146～#1153耐張段線路因覆冰損毀嚴(yán)重，其中4基鐵塔嚴(yán)重受損。事故段線路地處大別山腹地，為宜華線全線高程最高的耐張段，塔位高程434～874 m。事發(fā)當(dāng)日電力部門的現(xiàn)場巡查資料表明：線路導(dǎo)線表面覆冰厚度為18～23mm，個(gè)別地方覆冰厚度達(dá)到60mm，事發(fā)地段積雪深度30～35 cm。事故段路徑是±500 kV宜華線在安徽境內(nèi)海拔最高的區(qū)域，覆冰災(zāi)害較嚴(yán)重，擬在事故段路徑通道建設(shè)一座觀冰站。

±500 kV宜華線#1151塔原海拔高程874.4 m，為該線路安徽境內(nèi)最高處，該路徑段原導(dǎo)線設(shè)計(jì)冰厚為10mm，2008年因覆冰導(dǎo)致倒桿斷線，之后該段路徑進(jìn)行了修復(fù)重建，在重建時(shí)一方面提高了覆冰設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，另一方面進(jìn)行了局部遷改，降低了路徑的海拔高程，現(xiàn)塔位海拔高程467 m。大別山區(qū)的導(dǎo)線覆冰厚度，除微地貌影響外，與海拔關(guān)系密切相關(guān)，海拔越高，覆冰越重?？紤]到設(shè)立本觀冰站的目的主要是為了監(jiān)測±500 kV宜華線的冬季導(dǎo)線覆冰，觀冰站的選址應(yīng)盡量靠近現(xiàn)狀路徑，并與現(xiàn)狀路徑海拔相當(dāng)。

觀冰站的場地尺寸和面積應(yīng)該能夠滿足雨凇塔和氣象要素觀測設(shè)備的布置要求，同時(shí)應(yīng)能滿足值班室的建設(shè)要求。由于觀冰站一般位于山區(qū)，一般難以找到面積較大的平整場地，需對(duì)山包進(jìn)行挖填方處理。為減少挖填方，觀冰站的觀測場和值班室也可以根據(jù)地形分開布置，中間以道路相連，但是值班室距離觀測場不宜太遠(yuǎn)，以便于人員往返觀測。

根據(jù)以上原則，結(jié)合地形圖并經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，本觀冰站觀測場選擇在±500 kV宜華線#1151塔南側(cè)的一個(gè)小山包上，觀測場位置四周較空曠，地面植被以低矮的茶樹為主，海拔高程470 m左右。當(dāng)?shù)囟局鲗?dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，站址北部區(qū)域?yàn)轫懞榈樗畮鞄靺^(qū)，水庫庫區(qū)與站址之間無山脈和障礙物遮擋，氣流通暢。站址南側(cè)約70 m處山坡下即為水泥公路，附近有村民居住，交通便利，水電接入方便。由于小山包面積較小，值班室根據(jù)地形選擇在觀測場東側(cè)約100 m的小山包腳下平地處。觀冰站區(qū)域地形圖見圖1，觀冰站的觀測場和值班室衛(wèi)片圖見圖2。

圖1 觀冰站區(qū)域地形圖

圖2 觀冰站的觀測場和值班室衛(wèi)片圖

2 觀冰站的設(shè)計(jì)

結(jié)合±500 kV宜華線觀冰站的工程實(shí)例，觀冰站設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容介紹如下。

2.1 觀測場

根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求，雨凇塔由兩組相互垂直的鋼結(jié)構(gòu)架組成，布置檔距應(yīng)不小于10 m，且氣象觀測儀器距離觀測場邊緣護(hù)欄需不小于3 m，因此觀測場尺寸不宜小于16×16 m，本例觀冰站觀測場選擇16×16 m的觀測場地。

觀測場內(nèi)布置雨凇塔和一套自動(dòng)氣象觀測設(shè)備，配備視頻監(jiān)測裝置。為了滿足雨凇塔布置的方向要求，觀測場的布置方向應(yīng)與當(dāng)?shù)囟局鲗?dǎo)風(fēng)向相一致。

與本觀冰站相距最近的氣象站為霍山氣象站，根據(jù)霍山氣象站的風(fēng)向觀測資料，其冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)?；羯綒庀笳疚挥诖髣e山區(qū)東北部邊緣，本工程位于大別山區(qū)，區(qū)域地勢總體東北低，西南高，本工程與霍山氣象站之間無高山大嶺阻隔，直線距離僅約28 km，因此本觀冰站的冬季主導(dǎo)風(fēng)向選用霍山氣象站的風(fēng)向觀測資料，為東北風(fēng)。由于觀測場的布置方向應(yīng)與當(dāng)?shù)囟局鲗?dǎo)風(fēng)向相一致，本觀冰站觀測場的布置方向?yàn)楸逼珫|45°。

本例觀冰站觀測場原始地貌為小山包，地形高差較大，根據(jù)要求，需設(shè)計(jì)成地形平整的一塊平臺(tái)。根據(jù)觀測場地形和地質(zhì)條件，考慮采用將整個(gè)觀測場地做成混凝土平板的框架結(jié)構(gòu)，采用不同的柱長進(jìn)入土層，混凝土平板上覆土綠化。

觀測場場地整平的時(shí)候需要注意：觀測場四周的地形和樹木高度不得高于觀測場的設(shè)計(jì)標(biāo)高，以防止四周突出的地物對(duì)通過觀測場的氣流有遮擋，影響觀測結(jié)果。

觀測場內(nèi)設(shè)觀測便道，空地區(qū)域值草皮。為防止外來因素?fù)p壞設(shè)備，對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，觀測場四周設(shè)置稀疏圍欄，圍欄所用材料宜不反光或弱反光。

本例觀冰站觀測場平面位置圖見圖3。

圖3 觀測場平面位置圖

2.2 觀測設(shè)備

2.2.1 雨凇塔

觀測場內(nèi)設(shè)置兩組雨凇塔，雨凇塔由兩組相互垂直的鋼結(jié)構(gòu)架組成，布置方向?yàn)槎局鲗?dǎo)風(fēng)向的平行方向和垂直方向，并考慮覆冰、大風(fēng)、雷電、地質(zhì)等因素的影響，設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)采用50 a一遇。雨凇塔布置檔距采用10.0 m，并設(shè)置爬梯和護(hù)欄，便于觀測和維護(hù)。導(dǎo)線懸掛點(diǎn)高度為離地2.2 m和離地10.0 m，導(dǎo)線型號(hào)為LGJ－400/50；同時(shí)在雨凇塔外側(cè)懸掛絕緣子串，用于觀察絕緣子串的覆冰情況。雨凇塔示意圖見圖4。

圖4 雨凇塔示意圖

2.2.2 自動(dòng)氣象觀測設(shè)備

觀測場內(nèi)設(shè)置一套自動(dòng)氣象觀測設(shè)備，用于觀測覆冰同時(shí)的氣象要素，包括風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、氣壓、溫度和濕度等。設(shè)備包含主采集系統(tǒng)、雨量傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器、太陽能供電系統(tǒng)、風(fēng)桿(10m高)等。自動(dòng)氣象觀測設(shè)備示意圖見圖5。

2.2.3 視頻監(jiān)測裝置

視頻監(jiān)測裝置安裝在雨凇塔上，對(duì)導(dǎo)線覆冰進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測。

2.2.4 人工覆冰觀測設(shè)備

圖5 自動(dòng)氣象觀測設(shè)備示意圖

由于目前覆冰自動(dòng)觀測技術(shù)尚不成熟，覆冰觀測以人工觀測為主，需配備相應(yīng)的人工覆冰觀測設(shè)備。

人工覆冰觀測設(shè)備包括游標(biāo)卡尺、合頁箱、取冰刀具、臺(tái)秤及量杯等。

(1)游標(biāo)卡尺：用以測定積冰直徑和厚度。

(2)合頁箱：用以截取導(dǎo)線上的積冰物。直徑為15 cm和25 cm兩種規(guī)格的，應(yīng)各配置兩個(gè)，供不同方向的導(dǎo)線使用，按導(dǎo)線方向定向?qū)Ｓ?。覆冰?yán)重的地區(qū)，還可以再配置兩個(gè)直徑為40 cm的合頁箱。

(3)取冰刀具：手鋸、魚尾鉗、三棱刮刀、噴燈等，用以切割和清除積冰。

(4)臺(tái)秤：單位為g，用以測定積冰重量。

(5)量杯：通用毫升(ml)量杯，用以測定積冰體積。

(6)便攜式氣象測定儀：為選配設(shè)備，可手持即時(shí)監(jiān)測風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、大氣壓等各基本氣象要素。便攜式氣象測定儀所測氣象要素可以與自動(dòng)氣象觀測設(shè)備觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以及在自動(dòng)氣象觀測設(shè)備故障時(shí)使用。

2.3 值班室

值班室為冬季覆冰觀測期間人員入駐使用，要滿足基本的生活和觀測需要。

本例值班室場地為9×14 m，建設(shè)一座6×9.6 m的單層值班室。值班室為單層建筑，內(nèi)設(shè)工作間、休息室、客廳(餐廳)、廚房和衛(wèi)生間。值班室水源采用附近村莊的自來水，可滿足使用要求。

2.4 電源

本例觀冰站供電采用低壓線和光伏供電相結(jié)合的方式。

自動(dòng)氣象觀測設(shè)備和視頻監(jiān)測裝置均自帶光伏發(fā)電系統(tǒng)(含蓄電池)一套，滿足自身供電需求。

本例觀冰站附近有380 V交流電源經(jīng)過，就近接入380 V電源作為觀冰站生活用電電源，以及作為自動(dòng)氣象觀測設(shè)備和視頻監(jiān)測裝置的電源(與光伏供電作為雙保險(xiǎn)供電)?？紤]到設(shè)置觀冰站的區(qū)域冬天覆冰較嚴(yán)重，為保證供電可靠性，輸電線不宜采用架空敷設(shè)方式，可采用電纜直埋敷設(shè)。

2.5 智能輔助與安防系統(tǒng)

觀冰站配置1套智能輔助控制系統(tǒng)，包括圖像安全監(jiān)控及防盜報(bào)警子系統(tǒng)、智能聯(lián)動(dòng)控制子系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)圖像監(jiān)控及安防控制。

2.6 數(shù)據(jù)傳輸方式

根據(jù)覆冰監(jiān)測和資料存儲(chǔ)的需要，自動(dòng)氣象觀測設(shè)備和視頻監(jiān)測裝置采集的數(shù)據(jù)信息需要無線傳輸至遠(yuǎn)程客戶端。

本例觀冰站自動(dòng)氣象觀測設(shè)備和視頻監(jiān)測裝置均配備無線通信模塊，可自動(dòng)采集和傳輸信號(hào)。采用無線專網(wǎng)傳輸方式，即采用租賃GPRS/CDMA等公網(wǎng)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。按照信息安全防護(hù)的要求須啟用移動(dòng)運(yùn)營商提供的APN等安全服務(wù)。

3 結(jié)語

觀冰站點(diǎn)為輸電線路的覆冰厚度荷載條件選取提供基礎(chǔ)資料，為輸電線路的安全運(yùn)行提供重要保障。目前，相比于氣象站點(diǎn)，觀冰站點(diǎn)的數(shù)量很少，有關(guān)選址和設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)資料也較少。本文介紹了觀冰站點(diǎn)的作用和分類，結(jié)合安徽省內(nèi)第一座觀冰站的工程實(shí)例對(duì)觀冰站選址的原則和方法、觀冰站設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容進(jìn)行分析研究，為觀冰站的選址和設(shè)計(jì)工作積累經(jīng)驗(yàn)。