架空输电线路覆冰观测站的选址和设计

(中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，安徽 合肥 230601)

覆冰观测站是为了观测高压输电线路通道的导线覆冰情况而设立的站点，亦称为观冰站点。

覆冰是输电线路设计和运行中重要的荷载条件和气象因素，其设计取值的高低对工程造价影响较大。相比于风速、气温等气象要素的观测，覆冰观测的站点较少，尤其是高山大岭等易覆冰的区域，覆冰观测站点尤其少。覆冰观测需要进行冰厚和冰重的测量，自动化程度较低，基本靠人工进行测量，增加了建设和运行的难度和成本。

为了积累覆冰资料，满足输电线路的设计和安全运行的需要，在规划或已建的输电线路通道附近设置观冰站点是必要的。

观冰站点根据设立的目的和作用主要有两类。一类是为规划的输电线路提供覆冰观测数据，站点设立在规划的输电线路通道附近；另一类是为已建的输电线路提供实时覆冰观测数据，为输电线路安全运行提供可供决策的数据，并积累该区域的覆冰观测资料。

观冰站点根据观测区域的重要性和覆冰代表性，可分为观冰站和观冰点两种类型。观冰站的观测资料应代表区域性的覆冰特性，观测设施应包括雨凇塔、地面气象观测场和值班室(站房)。观冰点的观测资料应代表局部地段或微地形的覆冰特性，观测设施主要为雨凇架。

与观冰点相比，观冰站需要的观测场地更大，设备更多，本文主要研究观冰站的选址和设计。

1 观冰站的选址

1.1 选址原则

观冰站选址的原则，应该在输电线路通道内选择覆冰量级较大的、覆冰过程较多的，对通道覆冰条件代表性较好的区域。观冰站的观测场应地势开阔、气流通畅，不受周围地物的遮挡影响。由于覆冰期内，需要人员进驻观测，观冰站应尽量选择在交通便利以及水源、供电条件较好的地方。

1.2 选址实例

笔者参与建设的观冰站的设立目的主要是监测已建输电线路通道的覆冰情况，以下结合安徽省内第一座观冰站的工程实例进行分析。该观冰站位于金寨县大别山区，±500 kV宜华直流输电线路通道附近。

工程区域覆冰情况：±500 kV宜华直流输电线路通过安徽省的大别山区，部分区域海拔较高，加上附近响洪甸水库的水汽条件影响，覆冰较重，曾在2008年发生过冰灾事故。2008年1月10日开始，安徽省自北向南开始出现全省性雨雪天气，11日起，位于大别山区的金寨、霍山两地也开始降雨，雨量中等，金寨县10日和11日还同时伴有大雾，能见度为300～700 m，12日起两地的降雨转为降雪，并一直持续到23日。1月17日上午，因雪后恶劣气象条件影响，位于霍山、金寨交界处高海拔地区的三峡往华东送电的电力大动脉±500 kV宜华直流输电线路#1146～#1153耐张段线路因覆冰损毁严重，其中4基铁塔严重受损。事故段线路地处大别山腹地，为宜华线全线高程最高的耐张段，塔位高程434～874 m。事发当日电力部门的现场巡查资料表明：线路导线表面覆冰厚度为18～23mm，个别地方覆冰厚度达到60mm，事发地段积雪深度30～35 cm。事故段路径是±500 kV宜华线在安徽境内海拔最高的区域，覆冰灾害较严重，拟在事故段路径通道建设一座观冰站。

±500 kV宜华线#1151塔原海拔高程874.4 m，为该线路安徽境内最高处，该路径段原导线设计冰厚为10mm，2008年因覆冰导致倒杆断线，之后该段路径进行了修复重建，在重建时一方面提高了覆冰设计标准，另一方面进行了局部迁改，降低了路径的海拔高程，现塔位海拔高程467 m。大别山区的导线覆冰厚度，除微地貌影响外，与海拔关系密切相关，海拔越高，覆冰越重。考虑到设立本观冰站的目的主要是为了监测±500 kV宜华线的冬季导线覆冰，观冰站的选址应尽量靠近现状路径，并与现状路径海拔相当。

观冰站的场地尺寸和面积应该能够满足雨凇塔和气象要素观测设备的布置要求，同时应能满足值班室的建设要求。由于观冰站一般位于山区，一般难以找到面积较大的平整场地，需对山包进行挖填方处理。为减少挖填方，观冰站的观测场和值班室也可以根据地形分开布置，中间以道路相连，但是值班室距离观测场不宜太远，以便于人员往返观测。

根据以上原则，结合地形图并经过现场踏勘，本观冰站观测场选择在±500 kV宜华线#1151塔南侧的一个小山包上，观测场位置四周较空旷，地面植被以低矮的茶树为主，海拔高程470 m左右。当地冬季主导风向为东北风，站址北部区域为响洪甸水库库区，水库库区与站址之间无山脉和障碍物遮挡，气流通畅。站址南侧约70 m处山坡下即为水泥公路，附近有村民居住，交通便利，水电接入方便。由于小山包面积较小，值班室根据地形选择在观测场东侧约100 m的小山包脚下平地处。观冰站区域地形图见图1，观冰站的观测场和值班室卫片图见图2。

图1 观冰站区域地形图

图2 观冰站的观测场和值班室卫片图

2 观冰站的设计

结合±500 kV宜华线观冰站的工程实例，观冰站设计的主要内容介绍如下。

2.1 观测场

根据规程规范要求，雨凇塔由两组相互垂直的钢结构架组成，布置档距应不小于10 m，且气象观测仪器距离观测场边缘护栏需不小于3 m，因此观测场尺寸不宜小于16×16 m，本例观冰站观测场选择16×16 m的观测场地。

观测场内布置雨凇塔和一套自动气象观测设备，配备视频监测装置。为了满足雨凇塔布置的方向要求，观测场的布置方向应与当地冬季主导风向相一致。

与本观冰站相距最近的气象站为霍山气象站，根据霍山气象站的风向观测资料，其冬季主导风向为东北风。霍山气象站位于大别山区东北部边缘，本工程位于大别山区，区域地势总体东北低，西南高，本工程与霍山气象站之间无高山大岭阻隔，直线距离仅约28 km，因此本观冰站的冬季主导风向选用霍山气象站的风向观测资料，为东北风。由于观测场的布置方向应与当地冬季主导风向相一致，本观冰站观测场的布置方向为北偏东45°。

本例观冰站观测场原始地貌为小山包，地形高差较大，根据要求，需设计成地形平整的一块平台。根据观测场地形和地质条件，考虑采用将整个观测场地做成混凝土平板的框架结构，采用不同的柱长进入土层，混凝土平板上覆土绿化。

观测场场地整平的时候需要注意：观测场四周的地形和树木高度不得高于观测场的设计标高，以防止四周突出的地物对通过观测场的气流有遮挡，影响观测结果。

观测场内设观测便道，空地区域值草皮。为防止外来因素损坏设备，对设备进行保护，观测场四周设置稀疏围栏，围栏所用材料宜不反光或弱反光。

本例观冰站观测场平面位置图见图3。

图3 观测场平面位置图

2.2 观测设备

2.2.1 雨凇塔

观测场内设置两组雨凇塔，雨凇塔由两组相互垂直的钢结构架组成，布置方向为冬季主导风向的平行方向和垂直方向，并考虑覆冰、大风、雷电、地质等因素的影响，设计荷载标准采用50 a一遇。雨凇塔布置档距采用10.0 m，并设置爬梯和护栏，便于观测和维护。导线悬挂点高度为离地2.2 m和离地10.0 m，导线型号为LGJ－400/50；同时在雨凇塔外侧悬挂绝缘子串，用于观察绝缘子串的覆冰情况。雨凇塔示意图见图4。

图4 雨凇塔示意图

2.2.2 自动气象观测设备

观测场内设置一套自动气象观测设备，用于观测覆冰同时的气象要素，包括风速、风向、雨量、气压、温度和湿度等。设备包含主采集系统、雨量传感器、风速传感器、风向传感器、温湿度传感器、气压传感器、太阳能供电系统、风杆(10m高)等。自动气象观测设备示意图见图5。

2.2.3 视频监测装置

视频监测装置安装在雨凇塔上，对导线覆冰进行实时视频监测。

2.2.4 人工覆冰观测设备

图5 自动气象观测设备示意图

由于目前覆冰自动观测技术尚不成熟，覆冰观测以人工观测为主，需配备相应的人工覆冰观测设备。

人工覆冰观测设备包括游标卡尺、合页箱、取冰刀具、台秤及量杯等。

(1)游标卡尺：用以测定积冰直径和厚度。

(2)合页箱：用以截取导线上的积冰物。直径为15 cm和25 cm两种规格的，应各配置两个，供不同方向的导线使用，按导线方向定向专用。覆冰严重的地区，还可以再配置两个直径为40 cm的合页箱。

(3)取冰刀具：手锯、鱼尾钳、三棱刮刀、喷灯等，用以切割和清除积冰。

(4)台秤：单位为g，用以测定积冰重量。

(5)量杯：通用毫升(ml)量杯，用以测定积冰体积。

(6)便携式气象测定仪：为选配设备，可手持即时监测风向、风速、温度、湿度、大气压等各基本气象要素。便携式气象测定仪所测气象要素可以与自动气象观测设备观测的数据进行比对，以及在自动气象观测设备故障时使用。

2.3 值班室

值班室为冬季覆冰观测期间人员入驻使用，要满足基本的生活和观测需要。

本例值班室场地为9×14 m，建设一座6×9.6 m的单层值班室。值班室为单层建筑，内设工作间、休息室、客厅(餐厅)、厨房和卫生间。值班室水源采用附近村庄的自来水，可满足使用要求。

2.4 电源

本例观冰站供电采用低压线和光伏供电相结合的方式。

自动气象观测设备和视频监测装置均自带光伏发电系统(含蓄电池)一套，满足自身供电需求。

本例观冰站附近有380 V交流电源经过，就近接入380 V电源作为观冰站生活用电电源，以及作为自动气象观测设备和视频监测装置的电源(与光伏供电作为双保险供电)。考虑到设置观冰站的区域冬天覆冰较严重，为保证供电可靠性，输电线不宜采用架空敷设方式，可采用电缆直埋敷设。

2.5 智能辅助与安防系统

观冰站配置1套智能辅助控制系统，包括图像安全监控及防盗报警子系统、智能联动控制子系统，可实现图像监控及安防控制。

2.6 数据传输方式

根据覆冰监测和资料存储的需要，自动气象观测设备和视频监测装置采集的数据信息需要无线传输至远程客户端。

本例观冰站自动气象观测设备和视频监测装置均配备无线通信模块，可自动采集和传输信号。采用无线专网传输方式，即采用租赁GPRS/CDMA等公网通道进行数据传输。按照信息安全防护的要求须启用移动运营商提供的APN等安全服务。

3 结语

观冰站点为输电线路的覆冰厚度荷载条件选取提供基础资料，为输电线路的安全运行提供重要保障。目前，相比于气象站点，观冰站点的数量很少，有关选址和设计的文献资料也较少。本文介绍了观冰站点的作用和分类，结合安徽省内第一座观冰站的工程实例对观冰站选址的原则和方法、观冰站设计的主要内容进行分析研究，为观冰站的选址和设计工作积累经验。