云南東部高海拔山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)集電線路在高頻率大覆冰天氣影響下的覆冰量級(jí)探討

陳 浩

中國(guó)電建集團(tuán)貴州電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽(yáng) 550002

1 覆冰天氣特征

1.1 云南冬季冷空氣路徑

云南是我國(guó)西南邊陲省份，其西北部為西藏高原南延部分，東部為云貴高原西半部，整體處于我國(guó)第一二級(jí)階梯的過(guò)渡地帶。主要受西北、東北、偏東三面冷空氣影響：西北路徑冷空氣來(lái)自西藏高原且勢(shì)力較強(qiáng)，當(dāng)冷空氣南下時(shí)冷氣團(tuán)受到大地形作用而下沉，造成劇烈的輻散，影響過(guò)程以降溫為主，但當(dāng)冷空氣南下碰到南面暖濕氣流時(shí)，滇西北地區(qū)會(huì)出現(xiàn)降溫降雨及雨霧凇冰凍天氣。

東北路徑是冷空氣侵入云南最常見(jiàn)的的路徑。該路徑冷空氣與西北路徑冷空氣來(lái)源一致，主要在高空西風(fēng)引導(dǎo)系統(tǒng)影響下繼續(xù)沿大地形向東南移動(dòng)，在途徑四川盆地后從海拔相對(duì)較低的滇東北侵入云南。與西北路徑冷空氣不同，東北路徑冷空氣到達(dá)云南東部邊緣時(shí)即會(huì)出現(xiàn)鋒生過(guò)程，形成昆明準(zhǔn)靜止鋒或冷鋒。當(dāng)西南存在有利于水汽輸送的系統(tǒng)配合時(shí)，滇東、滇東北常會(huì)出現(xiàn)降溫降雨及雨凇、霧凇等冰凍天氣。

偏東路徑是侵入云南冷空氣中次多的路徑，偏東路徑冷空氣來(lái)源與西北、東北路徑有較大的差異，其是冷高壓南下至北緯25°以南后，受冷高壓西側(cè)的偏東或東南氣流引導(dǎo)向西移動(dòng)，形成回流侵入云南的冷空氣。

1.2 云南冬季冰凍天氣的氣候分布

云南省冰凍天氣分布分為明顯的無(wú)和有兩個(gè)冰凍天氣區(qū)，分界線基本沿高黎貢山、無(wú)量山、哀牢山等山脈，以東以北絕大部分地區(qū)都會(huì)出現(xiàn)不同程度的冰凍天氣；以西以南為非冰凍天氣區(qū)，只有極少數(shù)高海拔地區(qū)有少量冰凍天氣出現(xiàn)。

多年平均氣候下，冰凍天數(shù)最多的為滇東北的鎮(zhèn)雄和威信，冰凍日數(shù)連續(xù)天數(shù)極值達(dá)40～60d，其次為滇東大部分地區(qū)、德欽、貢山等地為20～40d；滇中、滇東南及西北部分地區(qū)為5～10d；滇西南部分高海拔地區(qū)為1d。冰凍天氣連續(xù)日數(shù)體現(xiàn)了冰凍天氣的持續(xù)性，持續(xù)性越長(zhǎng)其災(zāi)害性越強(qiáng)。

1.3 風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域覆冰特征

風(fēng)電場(chǎng)處于滇東地勢(shì)突出的東華山脈腹地，冬季受東北路及偏東路冷空氣影響較大，南下冷空氣因云貴高原地形的阻擋極易形成昆明準(zhǔn)靜止鋒，導(dǎo)致低層濕空氣的輻合加強(qiáng)，水汽充足，流場(chǎng)上東西、南北方向?qū)Υ碉L(fēng)向加之地形對(duì)準(zhǔn)靜止鋒的阻滯作用，使其長(zhǎng)時(shí)間滯留在滇東地區(qū)，加之東華山脈隆起地形，使得該地區(qū)冬季凝凍天氣嚴(yán)重而頻繁，形成凝凍災(zāi)害。

據(jù)調(diào)查了解，風(fēng)電場(chǎng)所在的云南東部高海拔區(qū)域連續(xù)冰凍日數(shù)極值為20～40d，至1983年五十多年來(lái)，共出現(xiàn)了五次大覆冰天氣，分別為1983、1993、2000、2008年及2018年，其中，1983年持續(xù)時(shí)間15～20d；1993年、2000年初持續(xù)20～25d；2008年持續(xù)時(shí)間約25d左右，每次冰災(zāi)都造成大量的林木倒伏、配電線路倒桿斷線及電力、交通、信息中斷等事故，可見(jiàn)該區(qū)域整體具有大覆冰天氣頻率高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、災(zāi)害影響大的特點(diǎn)。

2 冰災(zāi)期間區(qū)域線路設(shè)計(jì)運(yùn)行情況及現(xiàn)場(chǎng)覆冰調(diào)查

2.1 瀘西風(fēng)電場(chǎng)35kV集電線路

瀘西風(fēng)電場(chǎng)共分為五期建設(shè)，為2011～2015年先后建成投運(yùn)，走線高程在2000～2460m之間，五期線路均為20mm冰區(qū)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)依據(jù)為橫亙場(chǎng)區(qū)東西走向的云彌220kV線路在本區(qū)域的20mm冰區(qū)設(shè)計(jì)。2018年1～2月極端低溫凝凍期間，風(fēng)電場(chǎng)集電線路出現(xiàn)嚴(yán)重的覆冰事故，事故主要造成I～I(xiàn)II期塔材及導(dǎo)線不同程度受損，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘了解，事故段基本位于2300m以上的山脊、風(fēng)口、迎風(fēng)坡等水汽豐富的微地形微氣象區(qū)域，極易形成密實(shí)厚重的覆冰，造成冰災(zāi)事故。同時(shí)，位于地勢(shì)相對(duì)較低的山腰及地形較為封閉的槽谷區(qū)域走線的其他線路冰災(zāi)影響甚微。

2.2 云彌220kV線路

該線路為2007年12月投運(yùn)，風(fēng)電場(chǎng)所在區(qū)段均為20mm冰區(qū)設(shè)計(jì)、30m/s大風(fēng)設(shè)計(jì)，線路走線高程在2000～2320m之間，中部翻越東華山脈，均避開(kāi)了地勢(shì)突兀的山脊區(qū)域，線路至2007年底投運(yùn)以來(lái)未曾發(fā)生過(guò)冰災(zāi)事故。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘，該線路檔距較小排列緊密，且翻越山脈段耐張塔較多，無(wú)大高差大轉(zhuǎn)角等情況，整體抗冰能力較強(qiáng)。

2.3 永寧—三塘35kVI、II回線路

該線路為2013年建成投運(yùn)，風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域設(shè)計(jì)冰厚為20mm，本區(qū)域走線高程在2100～2330m之間，至投運(yùn)以來(lái)未曾出現(xiàn)過(guò)冰災(zāi)事故，運(yùn)行良好。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘，該線路除中部翻越東華山脈外，整體走線地勢(shì)較低，且中部跨越山脈段均避開(kāi)了地勢(shì)突兀的山嶺區(qū)域，均沿山間槽谷及冬季背風(fēng)坡區(qū)域走線，受冷空氣直接影響相對(duì)較弱。

綜上所訴，本次冰災(zāi)期間受損線路均位于地勢(shì)突出的山嶺、迎風(fēng)坡等微地形微氣候區(qū)域，因設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低于實(shí)際覆冰量級(jí)造成冰災(zāi)事故，而附近其余線路均避開(kāi)了該微地形氣候區(qū)域，受災(zāi)影響甚微。

3 冰災(zāi)期間的取樣冰厚計(jì)算

3.1 I期I回2018年1月冰災(zāi)事故段覆冰計(jì)算

李子菁I期I回線路18年1月8日～11日持續(xù)4d的凌動(dòng)期間內(nèi)，根據(jù)云南恒安電力工程有限公司設(shè)計(jì)院相關(guān)專家事故段取樣實(shí)測(cè)（2300～2350m），取樣導(dǎo)線為支線LGJ-120/25，線徑15.74mm，冰重1.16kg，長(zhǎng)0.3m。根據(jù)《電力工程氣象勘測(cè)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5158—2012）標(biāo)準(zhǔn)冰厚計(jì)算公式：

計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)冰厚B0=29.94mm，超過(guò)設(shè)計(jì)允許覆冰20mm，使桿塔導(dǎo)線處于超限狀態(tài)。

3.2 I期I回2018年2月冰災(zāi)事故段覆冰計(jì)算

2018年1月28日～2月8日為期12d的凝凍期間，2月7日取樣實(shí)測(cè)（2300～2350m），取樣導(dǎo)線為主線LGJ-240/40，線徑21.66mm，冰重1.4kg，長(zhǎng)0.3m。同樣，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)冰厚計(jì)算公式，計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)冰厚B0=32mm，超過(guò)設(shè)計(jì)允許覆冰20mm，使桿塔導(dǎo)線處于超限狀態(tài)。

3.3 III期II回冰災(zāi)事故段覆冰計(jì)算

II回N25塔大號(hào)側(cè)地面（高程2380m）取樣：地線冰筒型號(hào)GJX-35線徑8.0mm，冰筒長(zhǎng)度0.25m，稱重0.44kg，完好率55.5%，折算實(shí)際冰重體積后根據(jù)以上公式計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)冰厚B0=35mm，超過(guò)設(shè)計(jì)允許覆冰20mm，使桿塔導(dǎo)線處于超限狀態(tài)。

由以上冰災(zāi)期間取樣實(shí)測(cè)計(jì)算結(jié)果可知，事故段基本位于2300m以上高程的山脊區(qū)域，取樣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)冰厚基本位于30mm冰區(qū)，均超過(guò)了原來(lái)20mm冰區(qū)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，造成荷載超限引起冰災(zāi)事故。

4 覆冰研究成果分析

云南地區(qū)覆冰情況復(fù)雜多樣，由于缺乏長(zhǎng)期、系統(tǒng)的覆冰觀測(cè)，覆冰資料嚴(yán)重短缺，獲得覆冰資料的方式僅靠少數(shù)氣象站冬季電線結(jié)冰觀測(cè)數(shù)據(jù)、零星電力通信線路覆冰事故、歷史覆冰災(zāi)害記錄等，由于覆冰資料來(lái)源范圍較廣而零散，給線路設(shè)計(jì)覆冰取值帶來(lái)相當(dāng)大的難度。針對(duì)以上情況，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司、電力實(shí)驗(yàn)研究院聯(lián)合中國(guó)能建云南省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司等多家單位對(duì)云南省覆冰氣候開(kāi)展了分析研究工作，以省內(nèi)各個(gè)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)資料，構(gòu)建氣象要素與覆冰強(qiáng)度關(guān)系模型，結(jié)合部分線路實(shí)測(cè)覆冰數(shù)據(jù)，得到云南全省各區(qū)域、各頻率基本覆冰區(qū)劃，于2016年7月編制完成云南省冰區(qū)分布繪制圖。該研究成果對(duì)云南省內(nèi)線路覆冰設(shè)計(jì)具有較好的指導(dǎo)意義，已在工程實(shí)際運(yùn)用。根據(jù)云南省冰區(qū)分布研究成果，風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域冰區(qū)分布情況，如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域30年一遇冰區(qū)分布圖

根據(jù)最新的云南30年一遇冰區(qū)分布圖所示，風(fēng)電場(chǎng)地區(qū)位于重覆冰區(qū)，30年一遇覆冰量級(jí)在20～30mm之間，且整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)山脊及臨近山腰區(qū)段均為30mm冰區(qū)量級(jí)，山腰往山間洼地過(guò)渡區(qū)段均為20mm冰區(qū)，與區(qū)域冰災(zāi)期間取樣計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)覆冰調(diào)查情況基本吻合，大范圍冰區(qū)量級(jí)趨于一致。但冰區(qū)分布成果圖僅能大范圍體現(xiàn)海拔高低與覆冰程度的直接關(guān)系，未考慮到線路實(shí)際走線的地形地貌，如微地形氣候區(qū)域及山間槽谷等區(qū)域覆冰影響特性，冰區(qū)分布圖對(duì)沿線冰區(qū)劃分起到宏觀指導(dǎo)作用，但冰區(qū)的具體劃分還應(yīng)結(jié)合地形條件（微地形、微氣象區(qū)）、氣候特征、覆冰數(shù)據(jù)、已建線路設(shè)計(jì)條件及運(yùn)行情況等綜合分析確定。

5 冰災(zāi)事故分析及冰區(qū)量級(jí)劃分

本次受災(zāi)的風(fēng)電場(chǎng)集電線路設(shè)計(jì)覆冰均為20mm，設(shè)計(jì)依據(jù)為附近已建的云彌220kV線路，根據(jù)區(qū)域已建線路得設(shè)計(jì)運(yùn)行情況、現(xiàn)場(chǎng)覆冰調(diào)查情況及冰災(zāi)期間取樣實(shí)測(cè)覆冰計(jì)算結(jié)果綜合分析，事故主要原因?yàn)榫€路設(shè)計(jì)覆冰取值未考慮實(shí)際地形地貌尤其是微地形氣候區(qū)域的覆冰影響。本次冰災(zāi)事故段均位于2300m以上地勢(shì)突出的山脊迎風(fēng)坡、風(fēng)口等微地形微氣候區(qū)域，該區(qū)域極易形成嚴(yán)重覆冰，通過(guò)冰災(zāi)期間3次實(shí)地取冰樣本，標(biāo)準(zhǔn)冰厚均位于30mm冰區(qū)量級(jí)，超過(guò)了原來(lái)20mm冰區(qū)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，造成荷載超限引起冰災(zāi)事故。而同區(qū)域2300m以下地勢(shì)相對(duì)較低的山腰及地形較為封閉的槽谷區(qū)域覆冰相對(duì)輕微，極少出現(xiàn)冰災(zāi)事故，同時(shí)結(jié)合區(qū)域已建線路的設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)覆冰調(diào)查情況及冰區(qū)分布成果圖，基本確定本區(qū)域2300m以上地帶位于30mm冰區(qū)量級(jí)，2300m以下區(qū)域位于20mm冰區(qū)量級(jí)以內(nèi)。

6 結(jié)論及建議

（1）隨著越來(lái)越多的風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)，大量的集電線路處于復(fù)雜的高海拔山地地形走線，設(shè)計(jì)覆冰不能僅依靠附近單條線路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，必須結(jié)合實(shí)際地形地貌考慮微地形微氣候因素綜合確定覆冰取值。

（2）在高海拔重覆冰山區(qū)進(jìn)行電力線路建設(shè)時(shí)，應(yīng)盡量避開(kāi)地勢(shì)突兀的山嶺、迎風(fēng)坡、風(fēng)口等極易形成嚴(yán)重覆冰的微地形微氣候區(qū)域，降低線路受災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。如若無(wú)法避讓應(yīng)進(jìn)行抗冰加強(qiáng)處理，以提高線路的整體抗冰能力。

（3）本區(qū)域整體具有大覆冰天氣頻率高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、災(zāi)害影響大的特點(diǎn)，覆冰以雨霧混合淞為主，在同一區(qū)域內(nèi)覆冰厚度基本是隨海拔升高而增大，不同區(qū)域的覆冰則除了考慮海拔外，還應(yīng)考慮當(dāng)?shù)刂脖?、地形等多方面條件的共同影響。在高海拔重覆冰山區(qū)確定線路覆冰量級(jí)時(shí)應(yīng)以實(shí)測(cè)覆冰資料為主，結(jié)合已建線路的設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和覆冰調(diào)查確定線路的覆冰量級(jí)；在沒(méi)有觀冰資料時(shí)，應(yīng)以已建線路的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)為主，同時(shí)應(yīng)結(jié)合線路實(shí)際走線確定覆冰量級(jí)；既沒(méi)有觀冰資料，也沒(méi)有已建線路的情況下，主要依據(jù)覆冰調(diào)查確定覆冰量級(jí)，在有明顯微地形、微氣候區(qū)覆冰量級(jí)應(yīng)根據(jù)實(shí)地勘查確定，覆冰量級(jí)可以較一般地形區(qū)提高一個(gè)或幾個(gè)量級(jí)；同時(shí)應(yīng)用覆冰研究成果對(duì)覆冰量級(jí)取值結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

（4）在云南東部還存在大量人煙稀少的高寒山區(qū)，合理確定覆冰量級(jí)仍有相當(dāng)?shù)碾y度，建議增設(shè)相應(yīng)的觀冰點(diǎn)從而為該區(qū)域的電力覆冰取值提供定量的依據(jù)。