通辽地区电线积冰的气象分析及冰区划分

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  摘要:利用通辽地区1971~2006年的电线积冰气象资料和2002年、2004年、2006年通辽电业局的3次输电线路电线积冰灾害的相关资料,以及通辽地区特殊地形条件等内容进行分析,并计算得出通辽地区10个站点的电线结冰值,再按照《电力工程气象勘测技术规定》DL/T5158-2002中的计算方法,先将气象站的电线积冰观测资料折算成标准冰厚,再折算成15m高各重现期的150mm2导线设计冰厚,最后进行冰区划分。冰区的划分将对通辽电网差异化规划、提高输电线路的设计深度和质量等提供了可靠的数据支持,为以后更好的减少电线积冰灾害对通辽输电线路的影响,达到防灾减灾的目的。
  关键词:电线积冰 气象分析 导线舞动 冰区划分
  
  近几年来,随着全球气候变暖,气候的变化异常,极端气候事件频繁发生,使得气象形成的自然灾害愈来愈频繁。从2002~2006年通辽地区电线积冰就出现了3次,而且强度越来越强,每一次過程都导致通辽输电线路故障频繁发生,输电线路出现断线、杆塔倒塌、短路、跳闸等灾害,造成输电线路无法正常运行。本次利用通辽市1971~2006年的电线结冰资料对通辽地区电线积冰状况进行分析,并结合近年来3次电线结冰灾害发生时段的实测资料、造成危害的重要原因及本地区特殊地形条件的分析,计算得出通辽地区电线结冰的区域划分,为通辽地区电网差异化规划、提高设计深度和质量等提供可靠的数据支持。
  一、地形特征和气候特点对电线积冰的影响
  1.1地形特征
  东北地区地形:西侧为大兴安岭余脉,北侧和东侧为小兴安岭及长白山,整体地形就像一只簸箕,中间地势较低为辽河走廊,通辽市位于其西北侧。
  通辽市地形:地处松辽平原西端,属于蒙古递降辽河平原的斜坡。地貌大体是:北部为高寒山区和浅山区,属大兴安岭余脉。西南部与南部为沙沼、黄土丘陵和浅山区,是辽西山区的边缘地带。东南部和中部是西辽河、新开河、教来河的冲击平原。
  1.2 气候特点
  通辽市年平均降水量在300~450mm之间,从东南向西北递减;从上一年11月到翌年5月的7个月时间,有43%的年份降水量不足50mm,春季干旱少雨是其最大特点,即十年九旱;降水日数在70~90天之间,也呈东南向西北减少。全年日照时数在2300~3500h之间,全年蒸发量在1400~2500mm之间,春季日最大蒸发量为34.2mm。全年平均气温3.2~7.2℃之间,有明显的季节性变化和日变化,90年代比60年代气温平均升高1.2℃。年平均风速2.7~4.1m/s之间,季节分布上以春季最大,年平均大风日数在20~60天之间。为半干旱的气候特点。
  1.3 地形和气候特点对电线积冰的影响
  据历史资料统计,自1957年至1992年,我国共发生了44次导线舞动,波击的线路161条,致伤导线66根,引起线路跳闸119次以上。发生导线舞动最多的是沈阳、鞍山、丹东、锦州一带,自1957~1990年的33年中的18年发生导线舞动,共计25次,波及线路86条。通辽地区位于这一区域的西北侧,当气象条件形成时,导线舞动也将成为该地区输电线路故障重要原因。
  二、通辽地区电线积冰最大重量观测标准和资料分析
  2.1 气象电线积冰最大重量观测标准
  单纯的雾凇:当雾凇积冰直径达15mm及以上时,开始观测积冰最大重量。
  雨凇、湿雪冻结物或包括雾凇在内的混合积冰:当电线积冰直径达8mm及以上时,开始观测积冰最大重量。
  2.2 电线积冰资料分析
  采用通辽地区10个台站的1971~2006年的电线积冰观测资料,作为本次分析电线积冰日数、积冰极值(年平均发生的日数、最大冰厚、最大冰重)的基础资料,并进行统计和分析。电线积冰资料如表1。
  最大厚度:通辽地区冰厚在4~21mm之间,多数电线积冰在5~14mm之间,通辽站最大为21mm,次大值也出现在该站,是通辽市电线积冰最为严重的地区。
  最大重量:通辽地区电线积冰最重地区为科尔沁区,最大结冰重量在4~8.8g/m之间,其次是库伦站、甘旗卡站、保康站、开鲁站和大沁塔拉站,北部地区影响较小,但在1977年10月2日扎鲁特旗的巴雅尔吐胡硕站出现过雨凇持续时间23.4小时的电线结冰。
  平均积冰日数和最长持续时间:通辽地区电线积冰日数分布非常不均匀,在36年的统计资料中,扎鲁特旗的鲁北站和巴雅尔吐胡硕站年平均0.1天,最少;最多地区是科左后旗的甘旗卡站年平均3.5天。雾凇最长持续时间出现在保康站为53.6小时,雨凇最长持续时间出现在通辽站为50.1小时。
  三、通辽地区积冰出现的时空分布
  3.1 电线积冰时间分布
  从资料分析看,通辽地区电线积冰是较为频繁多发地区,因地理位置、气候特点,电线积冰从每年10月至次年4月份的7个月间均可发生,较为集中在春、冬、秋三个季节。雾凇形成的电线积冰在7个月中均可出现,雨凇形成的电线积冰集中在3月、4月、11月。
  3.2 电线积冰空间分布
  由于通辽地界南北狭长,地形条件差异特别大,霍林郭勒市和扎鲁特旗北部以及奈曼旗的南部和库伦旗为山区,扎鲁特旗南部及开鲁大部地区为丘陵地带,中东部地区为辽河冲积平原区。因此,气温差异较大,暖湿空气活动、影响的区域具有明显的不同,表现在电线积冰的发生上有明显的地域差异。具体表现在,北部地区的扎鲁特旗出现最少,开鲁、奈曼、库伦旗居中,科左后旗、科左中旗、通辽出现次数较多。表现在从东南向西北迅速减少,也即平原和丘陵地带远多于南北部山区。
  四、3次电网事故分述和天气实况
  4.1 2002年4月23~24日雨转雨夹雪天气过程
  根据通辽电业事故报告提出输电线路的电线积冰达15~20毫米,从23日23时55分到24日8时30分,共有31条送配电架空线路跳闸,其中220kV、66kV、10kV配电线断线10处。
  4.2 2004年10月31日到11月3日雾转雨、雨转雪交替的天气过程
  此过程科尔沁区地面覆冰厚度达7—12毫米,科左中旗境内的地面覆冰厚度达40毫米,最大输电线路导线积冰直径达70毫米。11月1日10时33分起,相继有2条220kV线路跳闸,26条66kV线路跳闸,24个66kV变电所全停,线路累计跳闸66次。11月1日10时至22时,多条66kV线路相继导线舞动发生相间短路,造成26条66kV线路跳闸(其中:局属17条、农电7条、用户2条),24座66kV变电所全停(其中:双电源变电所3座、双回线变电所5座)5基66kV杆从大横担穿心螺丝处折断(农电3基)、2基杆严重倾斜,159基10kV农电线路倒杆。11月2日11时36分,发现66kV林双线#27、#28两基杆从大横担穿心螺丝处折断,#26、#29杆严重倾斜。11月2日9时51分起,220kV通巨线、电双线相继跳闸。其原因:220kV通巨线#124—#125、#157—#158两处架空地线因覆冰严重弧度增大,导线放电烧伤断股;220kV电双线#192—#195间共有2处架空地线对导线放电后断线落地。
  4.3 2006年4月18~19日小到中雨夹雪转大雪天气过程
  4月19日16时市区附近积雪深度达50厘米。4月19日02时11分起电网220kV电通#1线、电通#2线、电双线、电岭线、电右线、河开线路先后跳闸,市区多条66kV线路、10kV线路发生跳闸,其中220kV河开线跳闸造成开鲁、奈曼电网全停,220kV电通#1、电通#2线路跳闸,造成通辽一次变与通辽电厂解列;220kV电右线跳闸造成霍煤电厂带右中电网、霍林河电网、乌兰电网单网运行。这次电网事故共造成6条220kV线路、30条66kV线路、23条10kV线路跳闸。此次过程220kV线路跳闸17次、66kV线路跳闸80次、10kV线路跳闸61次,共累计跳闸158次。
  4.4 三次电线积冰天气实况(如表2 所示)
  4.5 故障原因分析
  通过对3次电网事故和天气实况的分析,当输电线路上的导线有电线积冰形成,又伴有4到8级风出现的时候,导线舞动即可形成,这和导线舞动形成条件是相吻合的,因此可推断出导线舞动是造成3次电网事故的重要原因。
  五、气象观测与输电线路差异对比
  5.1 气象观测与输电线路存在差异
  气温的观测是距地表面高约1.6米,风速的观测是距地表面高10.5米,电线积冰观测是距地表面2.2米和1.6米两个高度,分南北和東西两个方向,电线积冰所用材料是采用直径约为4毫米、长100厘米的铁丝。
  5.2气象要素观测值的差异
  气象观测场大部分在城市或乡镇,有些还在市区内,由于城市热岛效应的作用,城市气温要比野外高2~4度(平均值)。由于城市内高楼林立,对风速有一定的阻挡作用,使实测风速、风向都会有一定的影响,即风速减小,风向突变等,都会对电线积冰有一定程度的影响。
  5.3 电线积冰值的差异
  由于气象观测场的局限性,测场位置和观测设施都与实际输电线路存在着差异,使得电线积冰值有相当大的差异,从表3中可以看出输电线路的电线积冰要远大于气象实测值。
  5.4 导线舞动对通辽地区输电线路的影响
  导线舞动造成输电线路的线间短路、接地短路、线路频繁跳闸与停电,造成的损失包括电弧烧伤、段股、断线、杆塔损坏、倒塔等。
  六、通辽地区电线积冰标准冰厚统计及冰区划分
  6.1 分析方法
  按照《电力工程气象勘测技术规定》DL/T5158-2002中的计算方法,先将气象站的电线积冰观测资料折算成标准冰厚,再折算成15m高各重现期的150mm2导线设计冰厚。
  根据横截面积法公式计算覆冰密度,公式如下:
  ρ=G÷[L(A-Лr2)]
  式中:ρ——覆冰密度(g/m) G——实测冰重(g)
  L——实测冰重段物体长度(m) A——实测覆冰横截面积(mm2)
  r——覆冰物半径(mm)
  覆冰标准厚度公式为:
  B0=[ρ÷0.9×(KsR2- r2)+ r2]1/2-r
  式中:B0—标准厚度(mm)R —覆冰半径(mm)Ks—覆冰形状系数
  ρ—覆冰密度(g/cm2) r—覆冰物半径(mm)
  覆冰设计冰厚公式为:
  B=KhKpKΦB0B—设计冰厚(mm)B0—标准厚度(mm)
  Kh—高度订正系数 Kp—重现期换算系数 KΦ—线径订正系数
  d6.2 电线积冰计算结果(如表4所示)
  6.3 电线积冰冰区划分
  标准冰厚结果划分:通辽北部地区冰厚均在5mm,为轻冰区;南部地区冰厚均在20mm以上,为重冰区。如图1
  15年重现期划分:北部地区在7毫米内的轻冰区,其它地区基本为25毫米及以上的重冰区。见图2。
  30年重现期划分:北部地区在8毫米内的轻冰区,其它地区基本为30毫米及以上的重冰区。见图3。
  50年重现期划分:北部地区在9毫米内的轻冰区,其它地区基本为30毫米及以上的重冰区。见图4。
  100年重现期划分:北部地区在10毫米内的轻冰区,其它地区基本为35毫米及以上的重冰区。见图5。
  七、结束语
  7.1 从表3可以看出输电线路实测值与气象观测结果之间的差异,当电线积冰的厚度、持续时间较强时可造成输电线路的故障,但通过对3次电网事故和地形地貌特征的分析发现,导线舞动是造成3次事故的最主要原因。
  7.2 雾凇形成的电线积冰从出现到结束的维持时间虽然有的较长,但由于其积冰密度较小,形成的直径、厚度较小,因此危害也很小;雨凇形成的电线积冰如果维持时间较长,因其积冰密度较大,形成的直径、厚度较大,均可形成危害;如果电线积冰有较长的维持增长时间,并达到一定的积冰厚度(通辽地区输电线路的电线积冰达15毫米及以上),其间又出现4~8级风,则易形成导线舞动,因此造成的危害将会更加强烈。
  7.3 从以上分析可知,应该加强通辽地区的电线积冰监测。在具体工程设计前应加强部门之间专业合作,综合考虑行业之间专业技术条件差异等因素,尤其是重点地区、积冰多发区建立监测塔,进行具有针对性观测数据收集和整理,为以后电网改造提供更为有效科学依据。
  7.4 本次通过对1970~2006年电线积冰气象资料及3次电网事故资料的分析,有效的建立起通辽地区电线积冰区划,对于减少电线积冰对输电线路造成的危害,对通辽地区的输电线路调高防御积冰灾害设计等级,会有效地减少事故的发生,达到防灾减灾作用。
  参考文献:
  [1] 郭应龙,李国兴,龙传永.输电线路舞动[M].北京:中国电力出版社,2003
  (责任编辑:刘璐)
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