电网冰区分级方法研究

杨加伦，朱宽军，刘彬，李兴宇，陈权亮，司佳钧

(1.中国电力科学研究院，北京市100192;2.中国科学院大气物理研究所，北京市100029; 3.成都信息工程学院，成都市610225)

电网冰区分级方法研究

杨加伦1，朱宽军1，刘彬1，李兴宇2，陈权亮3，司佳钧1

(1.中国电力科学研究院，北京市100192;2.中国科学院大气物理研究所，北京市100029; 3.成都信息工程学院，成都市610225)

电网冰区等级划分是电网建设的重要环节之一。电网冰区等级划分过低，有可能导致输电线路无法抵御覆冰危害，造成断线甚至倒塔等现象;冰区等级划分过高，会造成线路建设、运维及改造成本升高，导致资源的浪费。为了科学合理地划分电网冰区等级，讨论了5种电网冰区分级方法，包括经验调查法、覆冰数据法、CRREL模型法、气象参量回归法、局地地形-气象影响覆冰等级模型法，以及各种方法的分级步骤和使用特点。

输电线路;冰区分级;经验调查法;覆冰数据法;CRREL模型法;气象参量回归法;局地地形-气象影响覆冰等级模型法

0 引言

随着电网的发展和全球极端气候频发，输电线路遭受的覆冰灾害不断加剧，覆冰影响范围也日益扩大，造成的损失越来越严重。覆冰较轻时，伴随特定的风和线路结构参数等条件，可导致输电线路发生舞动;覆冰较重时，可引起闪络跳闸、金具损坏、断线倒杆(塔)等事故［1-4］。可见，正确合理地划分电网冰区是输电线路设计的重要环节之一。冰区等级选择过低，输电线路弧垂小且杆塔高度低，但超载能力下降，在出现严重覆冰时容易造成断线、倒塔等冰害事故;冰区等级选择过高，电线运行弧垂就会过大，杆塔较高，将会造成基建投资等的严重浪费。因此，科学合理地进行电网冰区分级对增强电网抵御覆冰灾害能力，提高电网安全稳定运行水平具有显著的经济和社会效益。

根据对冰灾杆塔受损原因的分析，我国电网按覆冰在15 mm及以下设计的线路铁塔，在2008年的冰冻灾害中损坏比例高达损坏铁塔总数的94%，有必要适度地提高线路的设计标准［5］。随着线路设计覆冰厚度的增加，杆塔质量和相应的造价也大幅增加，为提高线路抗灾能力的同时降低工程造价，相关国家标准［6-7］明确规定轻冰区宜按无冰、5 mm或10 mm覆冰厚度设计;中冰区宜按15 mm或20 mm覆冰厚度设计;重冰区宜按20，30，40或50 mm覆冰厚度设计。相应的冰区分级标准如表1所示。

设计冰厚确定后即可根据表1进行冰区分级划分，而覆冰数据是确定设计冰厚的基础。输电线路覆冰的必要气象条件有:空气相对湿度在85%以上;风速大于1 m/s;气温及导线表面温度达到0℃以下。导致各地的覆冰观测及覆冰数据积累情况差别巨大。例如，湖南等覆冰较严重地区的地面气象观测站点具有观冰业务的较多(87个)，其中年代序列较长的有20余个站点;而覆冰较轻地区的地面气象观测站点的观冰业务开展较少，年代序列不长。为了最大限度地利用覆冰相关数据，使冰区分级结果更加符合实际覆冰情况，应该针对不同的覆冰数据积累情况有针对性地建立电网冰区分级方法。为此，本文讨论包括经验调查法、覆冰数据法、CRREL模型法、气象参量回归法以及局地地形-气象影响覆冰等级模型法在内的5种方法以及各种方法的使用特点，以期促进电网冰区分级技术的进一步发展。

1 经验调查法

经验调查法［8］是指通过线路沿线气象、地理、植被调查，结合沿线已有线路覆冰设计、运行资料及冰灾情况等运行经验进行分析，最终得到电网冰区分级。经验调查法主要包括气候分析、地形海拔分析、覆冰调查、确定标准冰厚、标准冰厚修正后得到冰区分级等5个主要步骤。

(1)气候分析。覆冰是一种天气现象，气候对覆冰有重要作用，尤其是覆冰期间冷暖气团活动与交替变化对覆冰量级影响重大。气候分析主要考虑相关区域历史寒流天气系统的生成与发展，不同类型寒流路径、影响范围、最长持续时间以及对覆冰的影响特性;寒流期间暖湿气团(水汽源)生成与发展以及对覆冰的影响特性;准静止峰生成、发展、持续时间以及对覆冰的影响特性等。

(2)地形海拔分析。覆冰一般出现在山地，山地地形起伏多变，覆冰随之变化复杂。地形对覆冰有重要影响，直接决定覆冰的量级。一般随着海拔的升高，覆冰会逐渐增加。对地形和海拔的分析内容包括所处区域大地形位置、山脉(岭)走向;工程区域海拔分布，迎风坡及其坡度，背风坡及其坡度，风口，连续山岭、独立山体，山麓、山腰及山顶，河谷、山间平坝，山间盆地、底部及盆周山地等地形特性及其对覆冰的影响特性。

(3)覆冰调查。相关区域覆冰调查是经验调查法的关键环节，是掌握线路覆冰信息的重要途径。调查内容包括线路及类似区域历史覆冰调查搜集，线路及类似区域的已建线路应用覆冰及其覆冰运行情况，路径走廊微地形微气候特殊冰区段，大覆冰期间路径走廊覆冰查勘与观测。

线路覆冰调查包含对路径走廊地区的气象、电力、电信部门以及县志办、民政等单位进行覆冰调查收资;对沿线的乡、村电管站，公路道班以及当地村寨进行实地覆冰调查以及对重冰路径走廊进行覆冰环境的实地踏勘。调查中，应重视沿线调查访问所得覆冰资料的选择使用，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，通过对区域性的低温、降水、冰凌、大雪天气资料的查阅，审查其发生时间是否一致，通过对附近气象站或观冰站点实测资料和冰害情况的查阅，审查出现大冰凌的可能性。

(4)标准冰厚确定。一般经调查及运行经验得到的多为覆冰厚度，可根据式(1)或式(2)计算得到标准覆冰厚度。

式中:b0标准冰厚，mm;ρ为实测或调查覆冰密度，g/cm3;r为导线半径，mm;R为覆冰半径(含导线)，mm;L为覆冰体长度，m;G为冰重，g;a为覆冰长径(含导线)，mm;c为覆冰短径(含导线)，mm。

当有覆冰冰重数据时，推荐选用式(1)计算标准冰厚，当无冰重数据而有覆冰长短径数据时可选用式(2)计算标准冰厚。覆冰密度应综合考虑覆冰类型以及当地覆冰特性等合理估算。

(5)冰区分级确定。根据式(3)和式(4)将覆冰统一订正为离地10 m、直径为26.8 mm导线上的覆冰厚度，并经过重现期修正得到设计覆冰厚度，从而根据表1中给出的标准进行冰区分级。

式中:Z取10 m;Z0为实测或调查覆冰导线悬挂高度，m;α为指数，与风速、含水量与捕获系数有关，无实测资料时α可取0.22。

式中:φ为设计导线直径，mm，φ≤40 mm;φ0为实测或调查覆冰的导线直径，mm。

2 覆冰数据法

当某处的观冰数据年代序列足够长(≥30年)时，可直接根据概率统计的方法确定不同重现期的设计覆冰厚度，进而根据表1进行冰区分级。

应用覆冰数据法进行冰区分级的主要步骤如下。

(1)标准冰厚计算。根据式(1)或式(2)将气象观测台站的导线覆冰数据转化为标准冰厚。

(2)高度和线径修正。分别根据式(3)和式(4)进行高度修正和线径修正，将冰厚统一修正为离地10 m、直径为26.8 mm导线的覆冰冰厚。

(3)计算不同重现期设计冰厚。将修正后的冰厚数据，进行统计整理，根据概率分布模型计算不同重现期的冰厚。

概率分布模型采用极值Ⅰ型分布，计算公式为

式中:bT为特定重现期标准冰厚，mm;b为冰厚平均

n值，mm为标准方差，mm，σn-1=T为规定的重现期，通常取30、50或 100年;其中bi为第i个标准冰厚，mm;n为样本总数。

(4)冰区分级确定。根据式(5)计算得出的不同重现期设计冰厚和表1给出的标准，可进行冰区分级。

3 CRREL模型法

当观冰数据的年代序列较短，但是具有较为详细的历史气象记录，可利用CRREL模型回算历史覆冰

式中:Req为等效覆冰厚度，mm;N为冻雨过程的时间，h;P为过程降水率，mm/h;ρ0为水的密度，1 g/cm3;ρ为雨凇的密度，0.9 g/cm3;V为风速，m/s;W为液态水含量，g/m3;根据经验公式得到，W=0.067P0.846。

将收集到的气象资料，按照是否发生冻雨(雨凇)覆冰进行筛选，将筛选出的雨凇时段内的降水、风速和雨凇过程时间等参量进行数据处理，降水和风速以每h 1次的观测为宜，如缺少每h 1次的观测资料，可将3 h和6 h的观测资料根据线性插值等方法进行转化。但是，转化必须严格按照雨凇发生时间进行，雨凇发生时段外数据应严格排除在计算范围之外。

气象观测数据按照模型要求处理之后，通过经验公式计算出液态水含量W，并通过CRREL模型计算出每h内标准冰厚的增长量，雨凇发生时段内覆冰增长需逐h计算，模型计算总标准冰厚为各h冰厚之和。

(2)建立CRREL模型的订正公式并进行订正。由于气象数据的原因，需对使用人工观测(3 h 1次和6 h 1次)气象数据模拟得到的标准冰厚进行订正。订正中应选用具有10年以上连续导线覆冰观测的气象台站的观测数据，选取有代表性的导线覆冰事件进行模拟，将模拟值和导线覆冰观测值进行比较，确定订正关系。订正过程中应尽可能多地选取不同地理区域内符合要求的气象台站观测数据和导线覆冰事件，增加订正的可信度。

应用CRREL模型并确定订正公式后，将订正公式运用到相关地面气象观测站，从而确定地面气象观测站所在位置的历史覆冰冰厚。

(3)高度和线径修正。根据式(3)和式(4)进行高度修正和线径修正，将冰厚统一修正为离地10 m，直径为26.8 mm导线的覆冰冰厚。

(4)冰区分级确定。将修正后的冰厚数据，进行统计整理，根据式(5)所示的极值Ⅰ型分布计算不同重现期的冰厚。结合表1中的标准，即可确定相应站点冰区分级。冰厚。拓展年代序列后可利用式(5)进行各站点不同重现期冰厚计算。应用CRREL模型法绘制冰区图的具体步骤如下。

(1)应用CRREL模型模拟覆冰厚度。CRREL模型［9］如式(6)所示。

4 气象参量回归法

当观冰数据的年代序列较短，但是具有较为详细的与覆冰形成相关的气象因子和地理因子资料时，可利用逐步回归法建立导线覆冰厚度与气象因子的回归模型，并将确定的回归模型运用到本地区地面气象观测站的历史观测资料回算上，从而确定地面气象观测站所在位置的历史覆冰冰厚序列。通过逐步回归法拓展年代序列后可利用式(5)进行各点不同重现期冰厚计算。应用气象参量回归法绘制冰区图的具体步骤如下。

(1)回归气象要素选择与处理。根据电线积冰观测站电线积冰日当日的日平均气温、相对湿度的统计结果，对已记录的日期进行筛选，通过筛选的日期为电线积冰日。选择并处理电线积冰日当日和前1日、前2日的气象要素，气象要素应根据实地情况选择，且气象要素应为日值观测记录，并根据回归区域划分情况分别归类。

利用式(1)或式(2)对气象台站的观冰数据进行标准冰厚转化，根据式(3)和式(4)进行高度修正和线径修正，将冰厚统一修正为离地10 m，直径为26.8 mm导线的覆冰冰厚。

(2)建立回归方程。根据多元逐步回归方法，使用SPSS或者Matlab等软件，进行逐步回归分析，建立标准冰厚与高影响气象因子的回归方程。回归方程宜通过显著性检验，以确保方程可以收敛。

(3)非电线积冰观测站标准冰厚历史覆冰序列回算。根据非电线积冰观测站天气现象观测记录，选取具有雨凇和雾凇天气现象的观测，记录以上天气现象对应日期。

将电线积冰日和前1日、前2日的高影响气象因子提取出，并代入步骤(2)中得到的气象因子回归方程，计算不同区域的非电线积冰观测站每个结冰日的标准冰厚拟合值，形成非电线积冰观测站历史覆冰序列。

(4)冰区分级确定。将修正后的冰厚数据，进行统计整理，根据式(5)所示的极值Ⅰ型分布计算不同重现期的冰厚。结合表1中的标准，即可确定相应站点冰区分级。

5 局地地形－气象影响覆冰等级模型法

采用局地地形-气象影响覆冰等级模型法进行冰区分级时，应首先利用气象和覆冰观测数据建立局地微地形微气象影响覆冰等级的关系模型。该模型是一种基于局地气象要素和地形因子的经验-统计关系模型。其次，利用地理信息数据和多源气象数据(台站观测数据、自动站观测数据、卫星遥感资料等)，通过降尺度技术，获得2.5 km高分辨率地形和气象要素数据。第三，选择零度层高度作为覆冰参考起点，在参考起点的基础上进行地形和气象要素订正。地形订正主要考虑高程、坡向、坡度、特殊地形、地表覆被等方面，而气象要素订正主要考虑温度、风速、湿度、降水等主要影响覆冰的因子，最终得到划分的覆冰等级。应用局地地形-气象影响覆冰等级模型法进行冰区分级的具体步骤如下所述。

(1)研究区域划分。结合研究区域地形特征、山脉走向和气候差异，以及大范围区域的覆冰分布差异性，进行研究区域的划分。

(2)数据处理与准备。数据处理与准备部分主要包括2个方面:第1，现有高分辨率地形数据的抽取以及特殊地形的划分;第2，站点资料的精细化处理。将处理好的地理信息和气象要素数据运用划分的研究区域矢量化数据，进行裁剪，得到不同分区的地形数据、气象要素数据。

1)地形数据处理。选用高分辨率的海拔高程数据(30 m或90 m)，运用当前较为成熟的地理信息系统软件，提取所需分辨率的研究区域的格点地理信息资料(高程、坡度、坡向)，并根据地形信息，定义特殊地形(如垭口等)。

2)气象数据降尺度技术。为了保证气象数据资料格点精细化的准确程度，充分利用研究区域内气象站点观测、自动站观测和卫星遥感资料，比较不同插值方法在研究区域的适用性，选取合适的插值方法。结合地理信息系统软件，考虑地形因子对气象要素的影响，利用ArcGIS等相关软件的统计分析方法，选取合适的表面预测模型，并进行模型检验与对比。运用选定模型进行不同气象要素的插值，得到所需分辨率的气象要素格点数据集。

(3)覆冰等级模型建立。结合研究区域划分结果，在不同研究区域建立相应的覆冰等级模型。基于不同分区的地形数据、气象要素数据，确定覆冰参考起点以及不同区域、不同地形、不同气象要素下的经验订正系数，建立基于统计和经验数据的覆冰等级模型。订正系数包括覆冰随高度变化系数、覆冰随坡度坡向变化系数、覆冰与特殊地形(如垭口等)的相关系数、覆冰随气象因子变化的相关系数。系数的确定方法需要通过覆冰观测与地形、气象因子的分析来确定。

(4)冰区分级确定。利用特定点的地理信息、气象要素数据，选择零度层高度作为覆冰参考起点(如四川省，应用零度层高度数据，零度层高度缓坡、北向、区域平均极低气温、降水、湿度、风速处参考覆冰厚度的设定值取10 mm)，运用建立的覆冰等级模型，计算得到特定点的覆冰等级结果，并根据表1中的标准进行冰区分级。

6 各种电网冰区分级方法比较

根据覆冰数据的积累等因素可选取不同的电网冰区分级方法。各种冰区分级方法的特点列于表2。本文介绍的前4种电网冰区分级方法仅针对数据获取点进行冰区分级，局地地形-气象影响覆冰等级模型法则进行了格点资料精细化处理，考虑了除气象站点外的其他区域的覆冰特性。当绘制电网冰区分布图［10-11］时，需要确定其他非覆冰观测或非调查点的冰区分级。在上述情况下，应考虑微地形微气象［12］和运行经验［10］，对非覆冰观测或非调查点的冰区分级进行修订。例如，国网湖南、湖北和四川电力分别采用覆冰数据法、气象参量回归法和局地地形-气象影响等级模型法绘制了电网冰区分布图。

7 结语

正确合理的冰区分级对增强电网抵御覆冰灾害的能力以及合理的降低工程造价具有举足轻重的作用。为此，本文深入讨论了经验调查法、覆冰数据法、CRREL模型法、气象参量回归法和局地地形-气象影响覆冰模型法共5种电网冰区分级方法以及各个方法的特点。在实际运用中，可根据掌握的覆冰数据情况，合理选用冰区分级方法。也可以综合运用多种冰区分级方法，对冰区分级结果进行相互验证，提高电网冰区分级的客观性和合理性。通过研究电网冰区分级方法，明确了各种分级方法的适用性及使用特点，对深入掌握输电线路覆冰特性，提高电网的安全稳定运行水平等具有重要的意义。

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(编辑:刘文莹)

Classification Method of Icing Area in Power Grid

YANG Jialun1，ZHU Kuanjun1，LIU Bin1，LI Xingyu2，CHEN Quanliang3，SI Jiajun1
(1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China; 2.Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China; 3.Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China)

The classification of icing areas is one of the critical steps of the power grid construction.If the design ice thickness is underestimated，power transmission lines may not be able to withstand the influence of accreted ice，which might result in transmission line breaking or even tower collapse.On the other hand，if the design ice thickness is overestimated，the cost of construction，maintenance，and reconstruction may be increased to result in resources waste.With the aim of reasonable classification of icing area for power grid，five classification methods were discussed，including method of experience investigation，method of icing data，method of CRREL model，stepwise regression method of meteorological parameters，and model method of local topology-meteorology influence on icing classification.Finally，the classification steps and application features were discussed.

transmission line;classification of icing areas;method of experience investigation;method of icing data; method of CRREL model;stepwise regression method of meteorological parameters;model method of local topologymeteorology influence on icing classification

TM 726

A

1000－7229(2014)01－0019－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.004［HT］

国家自然科学基金(51305411，51008288)。

2013-08-22

2013-09-17

杨加伦(1981)，男，博士，工程师，主要研究方向为架空输电线路覆冰及振动问题，E-mail:yangjialun@epri.sgcc.com.cn，jialunyang@ gmail.com;

朱宽军(1969)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为输变电工程力学，重点从事架空导线振动、舞动及覆冰等问题的研究，E-mail: zhukuanjun@epri.sgcc.com.cn;

刘彬(1978)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为架空输电线路振动、舞动问题，E-mail:liub1@epri.sgcc.com.cn;

李兴宇(1978)，男，高级工程师，主要研究方向为云降水物理模拟、云水资源变化和大气结冰机理研究，E-mail:lxy@mail.iap.ac.cn;

陈权亮(1979)，男，教授，主要研究方向为气象灾害监测与预警，E-mail:chenql@cuit.edu.cn;

司佳钧(1983)，男，助理工程师，主要研究方向为架空输电线路振动、舞动问题，E-mail:sijiajun@epri.sgcc.com.cn。