张北柔直输电线路覆冰强度风险研究

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2020张北柔直输电线路覆冰强度风险研究11王馨，卢毅华北电力科学研究院有限责任公司，北京市西城区100045ResearchonRiskofIcingStrengthinZhangBeiFlexibleHVDCTransmissionLine11WANGXin,LUYiNorthChinaElectricPowerResearchInstituteCo.Ltd.,XichengDistrict,Beijing100045,China摘要：通过整理1980-2009年冀北五地市的雨凇、雾凇、温度、相对湿度、降水量、风速、电线积冰等气象资料，应用标准积冰厚度计算方法，计算冀北地区电线积冰空间分布，分析得出积冰日数分布和积冰强度分布有一定的偏差，积冰日数少的地区并不一定积冰强度就弱。通过分析积冰厚度和气象要素的关系，发现雾凇比雨凇更容易引起线路结冰，但雨凇形成的电线积冰更重。应用最小二乘法建立结冰厚度预报方程，计算张北柔直线路覆冰强度最大区段，发现柔直线路区域内，日最大覆冰厚度在康保附近，过程结冰最大覆冰厚度在张北和康保至丰宁中部附近，日最大覆冰厚度与过程结冰最大覆冰厚度不完全一致。关键词：覆冰强度；输电线路；电线积冰ABSTRACT:Throughcollatingthemeteorologicaldataofglaze,rime,temperature,relativehumidity,precipitation,windspeedandwireiceaccumulationinthefivecitiesinJibeifrom1980to2009,appliedthestandardicethicknesscalculationmethod,calculatedthespatialdistributionofelectricwireiceaccumulationinJibeiregion,analysisicingdaysandicingintensitydistributionhascertaindeviation,areaswithfewericedaysarenotnecessarilyweaker.Byanalyzingtherelationshipbetweeniceaccumulationthicknessandmeteorologicalelements,rimecausedicingmoreeasilythantheglaze,buttheglazeicingismoreheavy.Usedtheleastsquaremethodtoestablishtheicingthicknessforecastequation,calculatedthemaximumice-coveringstrengthsectionofZhangBeiflexibleHVDCtransmissionline,andfoundthatthemaximumdailyicingthicknesswasnearKangbao,themaximumprocessicingthicknesswasnearZhangbei,KangbaoandcentralFengning,themaximumdailyicingthicknesswasnotcompletelyconsistentwiththemaximummaximumprocessicingthickness.KEYWORD:IcingStrength；TransmissionLine；Wireicing0引言并指出在我国的绝大部分地区都有覆冰条件，且[9]覆冰厚度可达3mm以上。顾光芹等分析了河随着国内电网建设的迅速发展，以及电网规北省电线积冰的时空分布特征和不同方位电线模的迅速扩大，需要输电线路覆盖的区域日益增积冰的特征，并对2010年1月19-20日黄骅气多，气象因素对电网安全的影响越来越明显，特象站的电线积冰天气过程进行了分析。别是2008年年初发生在我国南方地区的低温雨张北柔性直流输电线路途经河北省张家口雪冰冻灾害性天气，给电网造成了巨大的破坏[1]-[5]市康保县、张北县、沽源县及北京市延庆县等地。影响河北地区电网安全运行的气象因素有[6]-[7]区。2012年至今，该地区在运线路发生冰害跳冰害、风害、雷害。2015年5月9日康保和闸13次，占各类跳闸次数的20%以上，可见冰沽源出现冻雨，造成电网大面积线路结冰，导致害是该区域输电线路运行维护的重点。本文从冀输电线路故障，甚至个别220kV输线路倒杆，北五地市历史冰情分析入手，总结导线覆冰厚度无法正常送电，电力输送受阻。[8]与雾凇、雨凇关系，再根据结冰厚度与气象要素张暕等按照冰的形成机理，总结出覆冰气的关系，建立覆冰厚度预报方程，计算柔直线路象条件:①气温及导线表面温度达到0℃以下；区域日覆冰厚度与结冰过程的关系，得出覆冰强②空气相对湿度在80%以上；③风速大于lm/s，-1-

12020度高风险区。2.11资料与方法由表1可知电线积冰日数较大的地区在唐1.1山和廊坊地区，并且称重积冰日数最大的是乐亭，其次是蔚县，最大标准积冰厚度出现在唐山，根据1980-2009年冀北五地市10个气象观为3.4mm，其次是承德，为3.3mm，称重积冰所测站的雨凇、雾凇、温度、相对湿度、降水量、占比例最高的是承德，为66.7%，其次是蔚县。风速、电线积冰等资料，分析冀北地区线路结冰由此可见积冰日数分布和积冰强度分布有一定的分布特征。的偏差，积冰日数少的地区并不一定积冰强度就气象观测站的电线积冰架由两组支架组成，弱。一组呈南北向，另一组呈东西向，两组之间距离表1冀北地区电线积冰空间分布约150~200cm。采用直径约4mm（又称8号）、Tab.1IcespacedistributionoftransmissionlineinJibeiregion长100cm铁钢丝作为导线。积冰直径垂直于导线站点电线积冰日数称重积冰日最大标准积称重积冰所的切面上冰层积结的最大数值线，导线直径包括（天）数（天）冰厚度占比例（%）（mm）在内。以毫米（mm）为单位，取整数；积冰厚张北410.125.0度指导线切面上垂直于积冰直径方向上冰层积蔚县32132.140.6结的最大数值线，以毫米（mm）为单位，取整数。当某测站某日在东西或南北方向积冰架观测丰宁1000.0到电线积冰时，则规定该测站在该日为一个积冰承德643.366.7站日。秦皇岛8000.0注：从2010年开始气象站的积冰观测设备型号发生了变化，因此选取资料时段为廊坊11993.07.61980-2009年。霸州15482.15.21.2唐山16163.43.7乐亭177152.28.5在通常电线积冰观测中包括积冰直径、积冰厚度、积冰重量。由于电线积冰的形状非常不规遵化118101.98.5则，每次积冰的密度也不同，为了便于比较，在导线覆冰为柱体均匀增长(即均匀覆冰)假设2.2下，根据积冰重量和标准积冰密度（我国规定标准积冰密度为0.9g·cm-3）换算得到标准积冰厚由表2可知在冀北10个积冰观测站中，雾度[10]-[13]。凇导致的电线积冰比雨凇多，由雾凇引起的线路标准积冰厚度：b=（0.3537M+4）1/2-2（1）结冰最大积冰直径的极值为49mm，出现在蔚县，其中b是标准积冰厚度，单位：mm，M是雨凇引起的线路结冰最大积冰直径的极值为20mm，也是在蔚县，并且在冀北10个积冰站点积冰重量，单位：g。根据地面气象观测中电线积冰观测要求，当资料中，由雾凇引起的线路结冰最大积冰直径的极值一般比雨凇造成的最大积冰直径的极值大；所测单纯的雾凇直径达到15mm及雨凇、湿雪冻结物或包括雾凇在内的混合积冰直径达到8mm雾凇引起的称重积冰最大重量的极值为36g，出时，须测定积冰最大重量。利用公式（1）可得现在霸州，雨凇引起的称重积冰最大重量的极值到线路标准积冰厚度。为72g，出现在唐山，由此可见导线积冰严重的个例一般是由雨凇引起，即雨凇积冰虽然出现个2冀北地区电线积冰空间分布例少，但却可能引起比较严重的灾害。-2-

22020表2冀北地区雨凇和雾凇诱发的电线积冰对比分析0.01的显著性检验；其他要素相关性不明显。Tab.2Comparativeanalysisoftransmissionlineicing表3结冰厚度与观测当天及前1~3天气象要素的相关inducedbyglazeandrimeinJibeiRegion系数最大积称重积最大积称重积雾凇样站点雨凇样本冰直径冰最大冰直径冰最大Tab.3Thecorrelationcoefficientbetweenicing本（mm）重量（g）（mm）重量（g）thicknessandmeteorologicalelementsonthe张北111138-observeddayandthefirst1-3days蔚县32028294932站点当天前1前2前3丰宁00-16-天天天平均气-0.40600.001-0.0320.109承德3196832812温（℃）814秦皇岛46-45-最高气-0.1719-0.158-0.3250.031温（℃）791廊坊511601143020最低气-0.68110.2320.1640.207温（℃）**607霸州69321483036日降水0.14930.5360.3790.043唐山71672154288量（mm）2*21平均相0.00550.105-0.013-0.009乐亭1115381664032对湿度（%）856最小相-0.15690.3650.199-0.243遵化91031109238对湿度（%）078平均2分-0.20600.1200.2420.333钟风速（m/s）501日最大0.03590.2080.3790.2953积冰厚度和气象要素的关系风风速（m/s）444降水持0.61510.5630.1980.270电线积冰主要受气象条件影响，是由温度、续时间（h）*3*71湿度、冷暖空气对流、环流以及风等因素共同作注:**表示通过0.01显著性检验，*表示通过0.05用的物理现象。根据结冰时气象条件的不同，结显著性检验。冰可分为雾凇、雨凇、湿雪及混合淞等形式。水根据结冰厚度与气象要素的关系，选取主要滴(或雾滴)的体积、水滴的过冷却程度、周围环相关因子，利用最小二乘法建立结冰厚度预报方境的温度、风速和风向以及空气中液态水含量等程。因素可共同导致线路上形成不同类型的结冰。一Y=-0.3479*x1+0.0716*x2+0.0101*x3-0.0405般情况下，雨凇结冰是“湿”增长过程，附着能*x4+0.9440（2）力强，密度大；而雾凇结冰是“干”增长过程，其中Y表示结冰厚度，单位mm，x1表示附着能力弱，在外界力的作用下容易脱落，密度结冰当天最低气温，x2表示结冰前一天降水量，也较小；混合凇则是“干”和“湿”增长交替进x3表示结冰当天降水持续时间，x4表示结冰前行的过程，密度介于雨凇和雾凇之间。大多数情一天降水持续时间。[14]-[17]况下，导线结冰属于混合凇形式。有雾凇根据2012-2015年气象智能化网格实况资导致的线路结冰的标准积冰厚度多在2mm以料，通过结冰预报方程得到期间柔直线路各地极下，雨凇或混合淞导致的积冰大多在1mm以上，大结冰分布情况。由图1可知柔直输电线路的日目前冀北地区气象站观测到的最大为3.4mm，因最大覆冰厚度大多在7mm以上，康保至丰宁段此，重点分析雨凇导致积冰的气象因子。的部分路段和康保至张北的康保段附近日最大将气象站出现雨凇结冰的日数归为一次结覆冰厚度大多在10mm以上，尤其是康保变电站冰过程。选择与结冰过程密切相关的气象要素,附近可能会出现12mm以上厚度的线路覆冰。包括厚度观测当天及前1~3天的日平均气温、最低气温、最高气温、相对湿度、风速、降水量和降水持续时段，分别计算结冰厚度与它们之间的相关系数(表3)，结果表明：结冰厚度和当天的最低气温、降水持续时间、前一天的日降水量和降水持续时间相关性明显，而且最低气温通过了-3-

32020量、风速、电线积冰等资料分析发现雾凇造成的电线积冰个例远多于雨凇，但是雨凇造成的电线积冰比较严重，各气象站点最大积冰多是由雨凇造成的。根据线路覆冰厚度与气象因子的关系，选取主要因子得到覆冰厚度预报方程。（2）根据2012-2015年的柔直输线路走廊区域的格点实况气象资料，利用覆冰厚度预报方程，分析日最大覆冰厚度和过程覆冰最大厚度的分布情况，结果发现柔直输电线路的日最大覆冰厚度大多在7mm以上，康保至丰宁段的部分路图1柔直输电线路日最大覆冰厚度分布段和康保至张北的康保段附近日最大覆冰厚度Fig.1Maximumdailyicingthicknessdistributionof大多在10mm以上，尤其是康保变电站附近可能flexibleHVDCtransmissionline会出现12mm以上厚度的线路覆冰；过程覆冰最大厚度是丰宁变电站至北京变电站大多在35mm以下；康保变电站至北京变电站的覆冰情况比较复杂，最大出现在张北变电站附近，覆冰厚度在50-65mm之间，最小出现在张北变电站和北京变电站之间的中部以及北京变电站附近，覆冰厚度在20mm以下；康保变电站至丰宁变电站覆冰最重，在线路中部覆冰厚度多在35-65mm之间。柔直输线路走廊区域的日最大覆冰厚度和过程覆冰最大厚度出现的极值出现点并不完全一致。参考文献图2柔直输电线路结冰过程最大覆冰厚度分布Fig.2Distributionofmaximumicingthicknessinthe[1]杨靖波,李正,杨风利,等.2008年电网冰灾覆冰及倒塔特icingprocessofflexibleHVDCtransmissionline征分析[J].电网与水力发电进展,2008,24(4):4-8.将连续出现覆冰的日数归为一个结冰过程，[2]胡毅.电网大面积冰灾分析及对策探讨[J]高电压技术,2008,34(2):215-219.把每天的覆冰厚度求和作为结冰过程覆冰厚度。[3]李晓辉.2018年湖北电网输电线路设备冰冻灾害受损情况柔直线路区域的结冰过程最大覆冰厚度如图2分析[J].湖北电力,2018,42(03):1-4.[4]王颖,王晓云,江志红等.中国电线积冰灾害危险性评估和区所示，丰宁变电站至北京变电站的过程最大覆冰划[J].自然灾害学报,2012,21(3):110-118.厚度大多在35mm以下；康保变电站至北京变电[5]陈百炼,吴战平,张艳梅,等.贵州冬季电线积冰及其天站的覆冰情况比较复杂，最大出现在张北变电站气成因分析[J].气象,2014,40(3):355-363.[6]付桂琴,张文宗.河北省致电网事故的气象灾害特征及风险附近，覆冰厚度在50-65mm之间，最小出现在评价[J].干旱气象,2014,32(3):460-464,474.张北变电站和北京变电站之间的中部以及北京[7]武辉芹,张金满,赵增保.河北省输电线路冰害的气象要素时空分布特征[J].干旱气象,2017,35(6):991-997.变电站附近，覆冰厚度在20mm以下；康保变电[8]张暕,架空输电线路覆冰机理及预测模型的研究[D].北京:站至丰宁变电站覆冰最重，在线路中部覆冰厚度华北电力大学,2018.多在35-65mm之间。对比发现，在柔直输电线[9]顾光芹,田国强,周须文.河北省电线积冰的气候特征及一次电线积冰天气过程分析[J].气象与环境科学,2012,35(1):8-13.路区域内，日最大覆冰厚度出现的地区并不一定[10]吴息,孙朋杰,刘渝,等.基于雾条件下能见度估算的导线覆是过程结冰最大覆冰厚度出现的区域。冰气象模型[J].应用气象学报,2012,23(6):755-762.[11]中国气象局.电线积冰气象风险等级（QX/T355-2016）.4结论北京：气象出版社，2016.[12]殷水清,赵珊珊,王遵娅,等.全国电线结冰厚度分布及（1）根据1980-2009年冀北五地市10个气等级预报模型.应用气象学报[J],2009,20(6):722-728.[13]黄俊杰,胡丹晖,王文烁,等.架空输电线路覆冰厚度预测技象观测站的雨凇、雾凇、温度、相对湿度、降水-4-

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