输电线路冰区勘测方法

2011-03-04杨华

电力建设 2011年2期

杨华

（西南电力设计院，成都市，610021）

0 引言

目前，输电线路冰区勘测没有严格的规范，有时设计人员凭感觉或简单套用划分冰区，进行输电线路相关设计，出现了大量覆冰倒塔断线事故，造成了严重的经济损失。本文根据20余年的线路冰区勘测经验和西南电力设计院导线覆冰观测研究成果，以及电力行业水文气象技术交流会成果，系统地归纳总结出了输电线路冰区勘测方法。运用此法可提高输电线路冰区划分的精度，提高输电线路经济合理性和安全运行可靠度。

1 区域覆冰气候分析

我国幅员辽阔，不同地区的覆冰气候差异较大，可分为南方型、北方型、中低海拔型、高海拔型、山区型和静止锋型。不同类型的环流形势差异较大，北方型和高海拔型属先冷后暖，气温低，水汽少，导线覆冰一般不大，遭遇强暖湿气流会形成较大覆冰；南方型和中低海拔型属先暖后冷，水汽丰富，遭遇强冷气流会形成较大覆冰；静止锋型属冷暖气团对峙，持续时间较长，易形成大覆冰，我国静止锋主要有滇黔静止锋、华南静止锋和江淮静止锋，云贵高原东北部、湖南、江西等地区均在静止锋影响范围内；山区型属地形对气流影响较大，形成较多微气候覆冰，对气流影响严重的山区易形成特大覆冰，气象要素在山区中不同海拔、不同坡向存在明显差异，从而形成山顶、垭口、风口、迎风坡和山谷、背风坡的覆冰在量级上存在巨大差异，山区的部分谷地几乎没有覆冰，而山势较高处通常每年都有覆冰。

南方覆冰严重区域主要有偏东路径和北方路径两种冷空气入侵路径。（1）偏东路径影响区域：大地形呈现西高东低，局地地形则为西、北、南三面环山，向东开口的盆地及环山内侧。如：地处川西横断山脉的夹金山余脉的二郎山区域，地处云贵高原东部的云南东北部和贵州全省。（2）北方路径影响区域：大地形为南侧有东西山脉阻挡或西、南、东三面为较大山脉，向北开口的盆地及与盆地相连的环山内侧。如：位于雪峰山、罗霄山、南岭包围的湖南中部区域，四川盆地向川西南山区过渡区域。

北方六盘山、崆峒山区域严重覆冰主要受西伯利亚南下强冷空气和四川盆地北上暧湿气流共同影响所致。

在线路冰区勘测准备阶段，应根据线路路径或初拟路径进行区域覆冰气候分析，确定线路区域覆冰气候特点，对线路覆冰大小进行初步定性判断，粗略确定线路轻、重冰区地段，针对性地制定和研究现场冰区勘测方案。

2 覆冰收资调查

2.1 覆冰收资内容

（1）沿线已建送电线路的设计冰厚，投运时间，运行中的实测、目测覆冰资料，以及冰害事故记录、报告，线路冰害事故收资应包括事故时间、地点、海拔、地形特征、冰厚、冰重、杆（塔）型、杆（塔）高、线径、档距和事故后的修复标准。

（2）沿线邮电通信线路的设计冰厚、线径、杆高和运行情况，以及冬季打冰措施和打冰情况、实测覆冰围长、厚度、冰重。

（3）沿线高山气象站的观测资料以及无线电通讯基站、道班的冰害事故记录和报告。

（4）沿线气象台站、观冰站点实测覆冰资料和大覆冰的起止时间与同时气象条件，对特大覆冰应收集相应天气系统过程。

（5）沿线覆冰照片和摄像资料。

（6）民政局覆冰灾情报告及档案局覆冰灾情记录文献史料。

2.2 覆冰调查

2.2.1 覆冰调查范围

线路沿线和与其地形、气候类似的区域。对于重冰区段宜1～2 km布设1个调查点，对微地形（风口、垭口、分水岭、突出山顶、迎风坡、水体等）影响严重段应加密调查点，对于中、轻冰区段宜2～10 km布设1个调查点。

2.2.2 覆冰调查内容

（1）覆冰地点、海拔、地形、覆冰附着物种类、型号及直径、离地高度、走向。

（2）覆冰的形状、长径、短径和冰重。

（3）覆冰性质与密度（颜色、透明程度、坚硬程度、附着力）。

（4）覆冰重现期，包括历史上大覆冰出现的次数、时间、冰害及排位情况。

（5）覆冰持续日数，天气情况（气温、湿度、风向、风力、下雨、下雪、起雾等）。

2.2.3 覆冰调查对象

气象、电力、通讯、广电、交通、工矿等部门的运行、管理、维护人员，覆冰事故抢修人员及当地知情人，特别是高山电视台、微波站、气象站和公路道班的冬季值班者。

2.2.4 覆冰调查技巧

（1）调查前认真组织和计划，图上布置调查点，针对本线路准备好覆冰调查提纲。

（2）调查中灵活机动，抓关键，抓重点，捕捉新线索，并做好询问引导（如：用历史重大事件引导大覆冰发生时间调查，用是否容易打掉引导附着力调查）；对路径走廊内已建线路和树枝覆冰进行实测、摄像，查找并标注路径走廊内覆冰严重的微地形地段；对重冰区和微地形地段，应进行重点调查，逐段查勘，查明重冰区的分级、分界与各级重冰区的长度；对中、轻冰区，应进行沿线普查，查明中、轻冰区的分界与长度。

（3）调查后要结合收集的资料和踏勘调查情况仔细分析调查资料，对覆冰性质与量级分区勾绘在地形图上，检查是否有矛盾或遗漏，及时补做相应工作。

3 覆冰微地形判别

3.1 风口和垭口

风口：谷地伸入山地，成为风口，风口的下方是狭长的峡谷。

垭口：连续山梁的一块相对较低的平坦位置，是山峰与山峰相接的地点。立于垭口，可感受到两端气候、植被的转折。

3.2 分水岭

分隔相邻2个流域的山岭或高地，河水从这里开始流向2个相反的方向。

3.3 迎风坡和背风坡

覆冰期间，主导风向的风顺着山坡往上吹的即迎风坡，顺着山坡往下吹的即背风坡。

迎风坡比背风坡降水多，迎风坡比背风坡雪线海拔低，迎风坡比背风坡居民少，迎风坡林高草茂，而背风坡是低矮杂树或灌木丛，迎风坡多云雾天气。

降水在迎风坡上不同高度大小不同，山麓和山顶地带降水少。山麓地带气流抬升不够，成云致雨少；山顶部分空气湿度已经大大降低，因而云雨少。山体的中部降水最多，易形成腰凌。

3.4 山脊

山脊为一条狭长而两侧陡急的高地，顶上可能平坦、广阔或成刀口等形状，两侧坡度则可能均匀一致，或一侧急直，一侧缓和，多见于广阔平坦地区，此外，地势较周围高耸而绵长的，也可视为山脊。

4 覆冰资料分析

4.1 覆冰资料可靠性评价

调查覆冰资料有定性资料和定量资料，定量资料大部分为目测数据，常常出现较大误差，调查对象选择不当或缺乏调查技巧，都会产生一些不符实际的覆冰资料。因此，对调查覆冰资料应进行“去粗取精，去伪存真，由此及彼，由表及里”审查，通过区域性的低温、降水、冰凌、大雪天气资料审查其发生时间是否一致，通过附近气象站或观冰站点实测资料和冰害情况审查出现大冰凌的可能性。通过表1可以评价覆冰资料可靠性。

4.2 覆冰资料代表性分析

首先，对覆冰资料按区域、海拔、地形（含微地形）进行分段分类整理，专业人员实测资料应注明实测，主要分析实测、可靠和较可靠资料，对比线路（分段）海拔和地形植被情况分析覆冰资料对线路（分段）的代表性。

4.3 覆冰重现期确定

一般采用经验频率法确定调查覆冰重现期，对调查和实测覆冰特大值需运用覆冰史料及天气情况分析确定其重现期。南方地区可根据附近气象站逐年最长低温持续时间系列，采用P-Ⅲ型频率适线法计算确定线型，再运用实测或调查覆冰年份的最长低温持续时间查此线型，从而确定覆冰重现期。

4.4 覆冰性质判定

覆冰性质分为雨淞、雾淞、混合冻结和湿雪四种类型。不同类型的覆冰，其密度往往存在较大差别。各种覆冰在不同地区对线路的危害也不相同，如：湿雪对华东地区、雨淞对湘黔等省、雨雾淞混合冻结对川陕一带线路危害较大。因此，应仔细判定覆冰性质，主要根据气温、降水类别、视觉、手感、形状色泽、附着力综合分析判定覆冰性质，可按表2内容判定。

5 设计冰厚计算

5.1 设计冰厚计算方法

5.1.1 标准冰厚计算

（1）据

（2）据

（3）据调查或实测覆冰直径计算标准冰厚。

式中：Bo为标准冰厚，mm；ρ为覆冰密度，g/cm3；G为冰重，g；L为覆冰体长度，m；a为覆冰长径（包括覆冰物），mm；b为覆冰短径（包括覆冰物），mm；R为覆冰半径（包括覆冰物），mm；r为覆冰物半径，mm；Ks为覆冰形状系数。

5.1.2 设计冰厚计算

有连续20年以上长系列实测覆冰资料地区，应采用P-Ⅲ型频率适线法计算设计冰厚。对实测或调查覆冰均可采用公式（4）计算设计冰厚。

式中：B为设计冰厚，mm；Kh为高度订正系数；KT为重现期订正系数；Kφ为线径订正系数；kd为地形订正系数；Kf为走向订正系数，线路走向与覆冰主导风向平行～垂直取1.0～1.5系数；Kj为档距订正系数，档距大于1 km，取1.1系数，其余情况取1.0系数；Bo为标准冰厚，mm。

表1 覆冰资料可靠性评定表Tab.1 Reliability evaluation of icing data

表2 覆冰性质判别表Tab.2 Judgment of icing property

5.2 设计冰厚计算参数

5.2.1 覆冰密度

有实测覆冰资料地区，覆冰密度可根据资料情况选用式（1）～（3）计算确定。无实测资料地区，可分析移用海拔、地形、气候条件相似地区且覆冰性质相同的实测覆冰密度资料；移用覆冰密度有困难的地区，可参照表3选用，一般情况下，高海拔地区靠下限选用，低海拔地区靠上限选用。

表3 覆冰密度表Tab.3 Icing density

根据实测长、短径计算密度可采用式（5）。

根据周长计算密度可采用式（6）。

根据横截面积计算密度可采用式（7）。

式中：I为覆冰周长，mm；A为覆冰横截面积（包括覆冰物），mm2。

5.2.2 覆冰形状系数

覆冰形状系数为覆冰长径与短径之比值。由于小覆冰大多为迎风侧覆冰的扁平形，形状系数小，而大覆冰多为近似圆形的椭圆形，形状系数大。对线路产生危害的是大覆冰，因此，形状系数宜取大覆冰计算值。无实测资料地区可参照表4选用覆冰形状系数。小覆冰的形状系数靠下限选用，大覆冰的形状系数靠上限选用。

表4 覆冰形状系数Tab.4 Icing shape coefficient

5.2.3 高度订正系数

实测或调查覆冰物离地高度与设计导线离地高度不同时，应作高度订正，高度订正系数采用式（8）计算。

式中：Z为设计导线离地高度，m；ZO为实测或调查覆冰物离地高度，m；α为系数，α应由实测覆冰资料计算分析确定，无资料地区可采用0.22。

5.2.4 重现期订正系数

实测或调查覆冰重现期与设计重现期不同时，应作重现期订正，重现期订正系数可按表5选用。

表5 重现期订正系数Tab.5 Correcting coefficient of return period

5.2.5 线径订正系数

实测或调查覆冰物线径与线路线径不同时，需进行线径订正，线径订正系数应根据实测资料分析确定，无实测资料地区可采用式（9）计算。

式中：φ为设计导线直径，mm，φ≤40mm；φO为覆冰导线直径，mm。

5.2.6 地形订正系数

不同地形的订正系数应根据实测资料分析确定，无实测资料地区应在加强调查分析与借鉴基础上，参照表6的经验系数选用。

表6 地形订正系数Tab.6 Correcting coefficient of topography

5.3 设计冰厚计算方法展望

5.3.1 长期覆冰气象数学模型

西南电力设计院利用黄茅埂观冰站（拥有大型雨凇架、地面气象观测场和500 kV试验线路等设施及长达300 km范围内20多个观冰点）进行了20多年现场覆冰观测，同时还利用1个气象站进行常规气象观测，其间还进行了2次覆冰过程的云雾参数观测，积累了大量覆冰与常规气象对比观测资料，因此，可建立长期覆冰气象数学模型，运用长期气象资料直接计算设计冰厚，气象资料短缺的山区可通过参证气象站观测资料订正获得，或通过相关分析获得。

5.3.2 短期覆冰气象数学模型

西南电力设计院在云、贵、川、湘、鄂、渝等地进行了大量短期覆冰与气象观测，目前许多站点仍在观测中。近年来，不少电力设计院也开展了一些短期覆冰与气象观测，已积累了大量短期对比观测资料，因此，可建立短期覆冰气象数学模型，运用短期气象资料直接计算设计冰厚。

5.3.3 长短期覆冰气象数学模型

利用观冰站点短期覆冰资料与参证气象站长期气象资料建立数学模型，运用长期气象资料直接计算设计冰厚。

6 冰区划分

6.1 冰区划分原则

（1）据设计要求分段分级概化，一般情况下，设计冰厚小于20mm级差为5mm，设计冰厚大于等于20mm级差为10mm。

（2）按沿线实测和调查覆冰计算的设计冰厚相当的地段划为同一种冰区。

（3）资料短缺地区：按同一气候区内，影响覆冰的因素相当（尤其是海拔）的地段划为同一种冰区，可参照邻近相同或相近气候区进行冰区划分；对受特殊微地形微气候区影响地段，视其影响程度进行适当加大或缩小。

（4）在设计保证率内，保证工程安全运行和投资最少。

6.2 冰区划分的依据

（1）线路区域覆冰气候特点。（2）沿线收资调查点设计冰厚的分析计算结果。（3）区域气象站、观冰站点覆冰分析计算结果。（4）区域长期站与线路短期站覆冰对比观测分析结果。

（5）沿线地形、海拔及植被分类结果。（6）线路走向与覆冰主导风向的关系。

（7）沿线附近已建送电线路设计冰区及运行资料。（8）线路区域冰雪灾害纪录或报告。

6.3 冰区划分方法

根据冰区划分原则及依据、线路路径图，首先应考虑区域性气候特点，再运用实测和收资调查覆冰成果，以及附近已建送电线路设计运行情况，重点考虑微地形覆冰气候影响，按一般地区和微地形细分区进行逐段冰区划分，提出冰区划分成果。冰区划分成果应图表化，对特殊重冰区应说明划分的主要理由（支撑依据和运行维护难度等）。施工图应实地落实冰区分界塔位置，加强对微地形地段踏勘调查，必要时提出加强抗冰措施建议。

7 覆冰观测

7.1 观冰站（点）的选址原则

对资料短缺的重冰线路，应开展覆冰观测工作，作为冰区勘测的组成部分。

日前，高海拔重冰区线路越来越多，冰害事故也逐渐增多，20世纪六七十年代一些重冰区线路常在大冰年份发生倒杆断线事故，电力设计院和供电局曾在一些山区设立了导线覆冰观测站，进行短期观测，如江西梅岭、陕西秦岭、云南海子头、贵州八担山等。西南电力设计院于20世纪60年代在四川会东白龙山、鲁南山建立了观冰站，有4年完整记录；在贵州清镇和白云两地4处建立了观冰站，有3年完整记录；在四川大凉山黄茅埂建立了我国迄今为止最大的导线覆冰观测站，架设了23m高的铁塔、90m档距和不同高度的各型导线，进行不同导线的覆冰梯度观测和研究，连续资料长达18年；近年来，又在云、贵、川、湘、鄂、渝等地多处建立观冰站点，积累了宝贵的覆冰观测资料。观冰站（点）的选址原则如下：

（1）经覆冰区域气候分析、踏勘调查和收资分析，判断为重冰区的地段。

（2）短期站点应位于送电线路走廊内，长期站点应位于送电线路走廊附近，对线路具有代表性。

（3）观冰站观测场应平坦空旷，气流不受地物及林木的影响。观冰点应选在有代表性的一般地形和典型地点，如山顶、山腰、风口、垭口、迎风坡、背风坡等。有条件的地方还可在一个山岭的两侧分设几个站点，进行不同海拔、不同地形条件的同步观测。

7.2 观冰站（点）设施设备要求

（1）雨凇塔：离地高度为10.0m，方向为平行与垂直于覆冰主导风向，档距为10 m，导线型号为LGJ-400，按离地2.0、5.0、10.0m三个高度布置，导线型号也可根据设计需要选定；雨凇塔设计与施工安装应符合GB 50017—2003《钢结构设计规范》与GB 50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》要求。

（2）地面气象观测场：场地为15m×20m，场地平整，保持自然状态，设置观测便道，四周设1.2m高稀疏围栏，设置防雷设施；观测仪器性能指标与布置应符合《地面气象观测规范》要求。

（3）观冰点：一般只设立雨凇架，雨凇架离地高度为2.2m，方向为平行与垂直于覆冰主导风向，档距为5m，导线型号为LGJ-400，导线型号也可根据设计需要选定。

（4）工作及生活设施。

（5）设备：台秤、量杯、盒箱、刮刀、卡钳、直尺、通风干湿球温度表、轻型风向风速仪、相机等基本设备。

7.3 覆冰观测内容

覆冰观测内容主要为覆冰过程极值及相关气象要素连续观测，其具体项目应包括：

（1）覆冰种类、长径与短径、截面形状与面积、每米冰重，覆冰过程起止时间与测冰时间。

（2）导线覆冰气象要素，包括干、湿球气温，相对湿度，气压，水汽压，降水量，风速风向，日照，雪深，天气现象；观冰点可仅观测同时气温、风速风向、雪深、天气现象。

（3）对比观测导线覆冰与周围地物如通信光缆、拉线、树枝的覆冰。

7.4 覆冰观测程序

（1）观测覆冰种类、拍照，记录测冰起始时间。（2）测量覆冰长径、短径，勾绘截面形状。

（3）取冰样称重或将冰样置入量杯测量体积与重量，记录测冰结束时间。