幾種典型的微地形微氣象區(qū)對輸電線路的影響

何相奎，孔 韜，董能倫，程俊翔，余 帆，馮心巍，孟 浪，佘立偉

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司宜昌運(yùn)維分部，湖北 宜昌443002）

0 引言

我國是一個地形、氣象條件復(fù)雜的國家，而地形、氣象條件的變化，往往導(dǎo)致架空輸電線路上的荷載發(fā)生改變。尤其在微地形、微氣象地區(qū)雨雪冰凍天氣下線路覆冰過載造成的破壞是非常驚人的［1］。

為此，我國研究者對微地形微氣象對輸電線路的影響進(jìn)行了深度的研究。王守禮等［1］詳細(xì)地闡述了各類微地形微氣象的氣流情況，并對微地形微氣象對送電線路的影響進(jìn)行了全面的描述，列舉了大量工程實(shí)例分析說明，但僅以地形來區(qū)分微地形和微氣象，不能涵蓋微地形微氣象區(qū)的全部特性。過寒超等［2］對宜昌市近59年來的氣候變化趨勢進(jìn)行了研究分析，詳細(xì)描述了宜昌地區(qū)氣象情況及變化趨勢，可在此基礎(chǔ)上研究該地區(qū)氣象情況。張弦［3］簡要介紹了微地形、微氣象的概念以及形成機(jī)理的分析，并對云南山區(qū)送電線路微地形、微氣象的情況進(jìn)行了研究和實(shí)地考察，但未進(jìn)行任何理論分析和定量分析。

由此可見，近年來已有不少研究者意識到微地形微氣象對輸電鐵塔影響較大，并試圖從氣象、地形等方面著手進(jìn)行分析，但少有研究者將微地形微氣象區(qū)域進(jìn)行綜合分類分析。

輸電線路中的某一小段，甚至一兩基鐵塔之間，在系統(tǒng)性天氣的影響下（局部氣候），受特殊地形影響，使得該地區(qū)某些氣候因子特別增強(qiáng)，超過該地區(qū)設(shè)計的冰、風(fēng)條件，從而可能危及輸電線路運(yùn)行的地區(qū)，稱為“微地形微氣象區(qū)”（見圖1及圖2）。

圖1 微地形微氣象區(qū)——荒口坪Fig.1 Micro-topography and micro-meteorological zone-Huangkouping

圖2 微地形微氣象區(qū)桿塔嚴(yán)重覆冰Fig.2 Micro-topography and micro-meteorological region

全國存在著成千上萬處的微地形微氣象區(qū)，有大量文獻(xiàn)［7-13］針對某一線路［14-21］或某一區(qū)域開展各類研究工作，這沒有普遍實(shí)用性，有必要將這些小的區(qū)域分類并對每一類區(qū)域做針對性的研究，供微地形、氣象區(qū)線路設(shè)計、改造及事故分析參考。

有很多研究者對輸電線路進(jìn)行的研究［22-30］以地形來對微地形微氣象區(qū)進(jìn)行分類，本文把微地形和微氣象放在一起來分析，為輸電線路設(shè)計及運(yùn)維工作提供參考。

2 幾種典型的微地形微氣象區(qū)

2.1 埡口、低溫、高濕疊加型微地形微氣象區(qū)

山脈中長條形的低洼地帶是山脈間的埡口（圖3），同時是氣流加速流過的位置，如果架空輸電線路恰橫穿于埡口地形之上，或者位于埡口之中，容易受高強(qiáng)度的側(cè)向風(fēng)影響。在線路設(shè)計及運(yùn)維中應(yīng)主要防范風(fēng)偏閃絡(luò)、雷電繞擊，其受風(fēng)特點(diǎn)為強(qiáng)力側(cè)向風(fēng)。

氣流在埡口型峽谷中穿梭，若遇到從開闊到狹窄型埡口，將引起氣壓增大，風(fēng)速陡增，當(dāng)氣流流經(jīng)橫穿埡口地形的輸電線路時，導(dǎo)線向塔身出現(xiàn)一定的位移和偏轉(zhuǎn)，使得放電間隙減小，另一方面，當(dāng)風(fēng)速增加時，如遇暴雨天氣，氣流將附著在跳線上的水滴吹拂成水柱，從而減少導(dǎo)線-桿塔之間放電間隙，增加線路閃絡(luò)概率。

圖3 埡口地形Fig.3 Yakou terrain

相關(guān)研究表明該地形風(fēng)力有以下特點(diǎn)，其一是山谷中軸線風(fēng)速超當(dāng)?shù)仄降仫L(fēng)速30%以上，山丘頂部風(fēng)速超當(dāng)?shù)仄降仫L(fēng)速40%以上，而規(guī)范要求該指標(biāo)不能超過10%；其二是埡口風(fēng)速增加量隨著兩側(cè)山丘坡度增加而增大，隨著谷口寬度增加而減小，其三是山谷中線下風(fēng)側(cè)風(fēng)速加速大于上風(fēng)側(cè)。

總結(jié)出該地形下的典型微地形微氣象為，埡口、低溫、高濕型微地形微氣象：當(dāng)風(fēng)速超標(biāo)的埡口地形區(qū)遇到低溫（0 ℃以下）和高濕氣候（濕度85%以上），流經(jīng)埡口的風(fēng)將大量過冷卻水滴源源不斷地輸向橫跨該地形的輸電線路與導(dǎo)線相碰撞，被導(dǎo)線捕獲而形成覆冰，在強(qiáng)風(fēng)和覆冰共同作用下易發(fā)生桿塔屈服、斷線等事故。

2.2 地勢抬升、低溫、水源疊加型微地形微氣象

在地形截面中，一側(cè)較低，是平原或者盆地，另一側(cè)突然升高，形成突峰或者陡崖（圖4），若附近存在充足的水汽或者水源，遭遇冷空氣時，濕冷的水汽形成氣流，沿著陡峭的山脈順勢而上，在地勢較高一側(cè)形成云霧，若氣溫降低至一定溫度以下，容易在該區(qū)域形成覆冰區(qū)。當(dāng)升起的水珠附著到輸電線路上，到達(dá)凝結(jié)高度，則會出現(xiàn)嚴(yán)重的輸電覆冰現(xiàn)象。

圖4 高山分水嶺、地勢抬升型地形Fig.4 Alpine watershed,topographic terrain

該微地形微氣象下主要防范：覆冰過載、脫冰跳躍、不均勻覆冰導(dǎo)致的斷線、倒塔，覆冰特點(diǎn)為覆冰重力超過導(dǎo)線、桿塔所能承受的最大應(yīng)力，引起桿塔屈服、導(dǎo)線斷線。

2.3 水汽增大、平原/風(fēng)口、低溫疊加型微地形微氣象區(qū)

輸電線路臨近較大的江湖水體，使空氣中水汽增大（圖5），當(dāng)寒潮入侵，氣溫下降至0 ℃以下時，由于空氣濕度大，便容易出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象。

圖5 水汽增大地形Fig.5 Increased water terrain

水汽增大、平原/風(fēng)口、低溫型微地型微氣象的主要特點(diǎn)如下：在風(fēng)口或者平原地區(qū)，當(dāng)?shù)蜏貧饬餍纬煞€(wěn)定的氣象條件后，流經(jīng)濕度較大（濕度在95%左右）地區(qū)時，便會形成線路的不均勻覆冰，當(dāng)風(fēng)向與線路走向形成一定夾角（≥45°），在濕冷脈動氣流的影響下，易造成輸電線路舞動（圖6）。

圖6 某不均勻覆冰單導(dǎo)線風(fēng)載荷下風(fēng)速矢量圖Fig.6 Vector illustration of wind speed under wind load of single conductor with uneven ice coating

主要防范可能造成，線路舞動致螺栓松動，桿塔、金具、導(dǎo)線等受損，引起相間、相地跳閘、閃絡(luò)、燒灼、倒塔等缺陷、事故。受冰、受風(fēng)特點(diǎn)為不均勻覆冰、脈動風(fēng)。

3 幾個典型的案例

3.1 埡口、低溫、高濕疊加型案例

2014 年2 月，受冷空氣影響，位于埡口地形的220 kV麂泉線27號-31 號桿塔均出現(xiàn)不同程度覆冰，其中31 號桿塔中相（C 相）絕緣子掉串跳線拉斷（圖7）。

如圖8所示，給出了局地微地形狀態(tài)下，冷空氣的影響情況。圖中白色表示海拔較高，是山頂位置，棕色表示海拔較低，是山谷位置，藍(lán)色箭頭為冷空氣來源，麂泉線受災(zāi)桿塔位于山谷位置（紅圈），當(dāng)冷空氣到達(dá)該區(qū)域時，受地形影響會被壓縮進(jìn)山谷，從而風(fēng)速變大，配上適當(dāng)濕度時，易引起覆冰。

該事故冰樣為半透明、密實(shí)、無孔縫；手感堅(jiān)硬、光滑，測量覆冰直徑長徑為100 mm，超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 鐵塔覆冰Fig.7 Iron tower

圖8 當(dāng)?shù)氐匦蜦ig.8 Local terrain

3.2 地勢抬升、低溫、水源疊加型案例

2018年1月，受冷空氣影響，位于地勢抬升型微地形的500 kV盤龍線（現(xiàn)盤宜線，以下仍用舊稱）荒口段鐵塔、線路受氣象影響，導(dǎo)致嚴(yán)重覆冰，因其在此前進(jìn)行了直線改耐張、增立鐵塔等改造措施，本次冰災(zāi)未對線路運(yùn)行造成影響（圖9）。

圖9 盤龍線位置示意圖Fig.9 Location of Panlong transmission line

盤龍一回300 號-306+1 號、二回291 號-298 號桿塔位于宜昌秭歸荒口坪，該段走線鄰近長江，線路所在山體鄰長江側(cè)為地勢抬升型地形，在冬季風(fēng)和爬升段兩邊山體的夾擊作用下，東向的長江河道帶有大量的濕冷空氣沿“地勢抬升”地形爬升，遇山地高空濕度相對較低的影響，一部分過冷卻水分子凝結(jié)下降，并附著在荒口坪一帶較冷輸電線路及其他構(gòu)筑物上，不斷積累引起嚴(yán)重覆冰（圖10）。

圖10 盤龍二回296號左相大號側(cè)連接金具覆冰情況Fig.10 Panlong Ⅱtransmission line 296 left phase large side connection fittings ice coating situation

在該微地形微氣象下，導(dǎo)線覆冰常為厚度大、單位長度覆冰量大等特點(diǎn)，覆冰類型多為雨霧淞混合凍結(jié)。

3.3 水汽增大、平原/風(fēng)口、低溫疊加型案例

2018 年1 月23 日-28 日，江漢平原區(qū)線路大規(guī)模舞動，累計13條500 kV輸電線路跳閘、故障停運(yùn)，其中宜興一回139 號-143 號連續(xù)五基直線塔嚴(yán)重變形（圖11）［6］。

圖11 宜興一回143號桿塔嚴(yán)重受損Fig.11 Yixing Ⅰtransmission line 143 tower is seriously damaged

如圖12所示，整體來看冬季我國西北方南下的干冷氣流和東南方北上的暖濕氣流在江漢平原相匯，形成凍雨或雨淞地帶，導(dǎo)線易形成不均勻覆冰。

圖12 湖北氣流示意圖Fig.12 Schematic diagram of Hubei airflow

如圖13 局部圖所示，線路所屬區(qū)域?yàn)椤八龃笮汀钡匦?，區(qū)域內(nèi)的輸電線路呈東西走向，遭遇南北走向冷空氣后，易滿足起舞的基本要素而誘發(fā)導(dǎo)線舞動。該處覆冰黏度強(qiáng)，密度大，且覆冰以雨凇為主。

圖13 舞動區(qū)域地形圖Fig.13 Dancing area topographic map

4 結(jié)論

微地形微氣象對輸電線路的影響多為特殊的地形遇上特定的氣候而形成局部大風(fēng)、高濕、低溫，最終導(dǎo)致線路覆冰或所受風(fēng)速超過設(shè)計值。而對于以上所介紹的幾種典型的微地形微氣象類型，在實(shí)際工作中極少單獨(dú)出現(xiàn)，多以復(fù)雜的方式混合存在而相互作用。

受限于所轄線路地形復(fù)雜性的局限，對于微地形、氣象對輸電線路的影響分析還有很多不足，下一步將對這些不足之處做進(jìn)一步深入研究，并對每種微地形微氣象進(jìn)行計算分析，為線路運(yùn)維提供更多數(shù)據(jù)參考。