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电力工程设计中涉及的覆冰知识

日期:2021-07-01    来源:电力工程水文气象  作者:期许未来

国际电力网

2021
07/01
10:57
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关键词: 电力工程 电线积冰观测 钢芯铝绞线

01 覆冰类型

1.1 雨凇

雨凇主要是由过冷却液态降水碰到地面低于0℃的物体后直接冻结而成的坚硬冰层,一般来说雨凇形成时风速较大,气温为-5~5℃,上空为逆温,有一层温度高于0℃的暖层。强冷空气或寒潮到达时,因冷暖空气交锋而产生。当有冷锋入侵时,锋面下的气温和地面温度都降至0℃以下,而锋面上方的气温却在0℃以上且较潮湿,在锋面上方的云层内形成的雨滴落入温度低于0℃的气层时,就能变成过冷却雨滴,这种过冷雨滴一旦降落到温度低于0℃的地面或地物上,立即冻结成冰,形成一层密实光滑的、有时是透明的玻璃状冰壳。冻雨落在表面温度低于冰点的树、电线上后,在它们外围结成晶莹透明的冰层,这时雨滴继续落在结了冰的物体表面上慢慢下垂,于是结成了一条条冰柱。

1.2 雾凇

雾凇生成于有雾而且气温在0℃以下的天气。当气温约在-5℃~-20℃之间,雾或轻雾中很小的过冷水滴冻结在电线上,形成晶状雾凇积冰,无风时结在整个电线表面,有风时结在迎风面。空气中水汽在电线上凝华也可结成晶状雾凇。

1.3 混合冻结保类标题

混合冻结,当气温在-0.8~0℃之间、风速为1m/s~8m/s并且湿度较大的条件下,容易形成混合冻结。它是由于雨凇、雾凇、湿雪在不断的覆冰气象条件变化情况下,通过毛细作用在导线表面粘附形成的。

1.4 湿雪

湿雪,雪或雨夹雪降落到气温略高于0℃的近地层后稍稍融化变湿,并黏附在电线上,密度约为0.1g/cm3~0.7g/cm3。湿雪在气温降到0℃以下后,有可能再度冻结,呈现乳白色或灰白色。

02 覆冰观测

2.1 气象站观测

部分气象站承担电线积冰观测任务,具体观测方法遵循《地面气象观测规范 电线积冰》(GB/T 35235-2017)的要求。当为人工观测时,主要观测积冰现象、积冰直径、积冰厚度、积冰重量;当为自动观测时,主要观测积冰现象、积冰直径、积冰重量,自动观测仪器目前有称重式和图像式两种。

气象站开展覆冰观测,一般选择的仪器是电线积冰架,由两组支架组成,每组支架包括2根支柱和2根导线,导线一般选用长1m、直径26.8mm的钢芯铝绞线(在QX/T 59-2007 中 是长1m、直径约4mm的铁丝或钢丝,后统一改挂)。积冰较重地区,可设置3组支架。积冰严重地区,2个方向上设置2组以上支架,每组支架只挂一根离地2.2m导线。

图2.1-1  福建气象工作人员人工观测福建地区的电线积冰

2.2 观冰站观测

部分电力工程在一些特殊地形设立了观冰站进行观测,如浙北-福州1000kV特高压输电线路在福建高山段线路附近设立了观冰站,如图2.2-1所示。

图2.2-1  福建高山上的观冰站与邻近电力工程

2.3 无独立站点的观测

一般向线路运行维护人员调查了解有关线路的覆冰情况,如调查2016年寒潮影响期间福建地区的覆冰情况如下图所示。

图2.3-1  向线路运行维护人员调查覆冰资料情况列举表

03 标准冰厚分析计算

覆冰资料,一般包括了不同结冰形状与不同密度的覆冰,须将其统一为形状为圆形、密度为0.9g/cm3的标准冰厚。

3.1 有实测冰重资料

3.2 无实测冰重资料但有覆冰类型和尺寸资料

其中,覆冰密度在无冰重资料的情况下,主要依据覆冰种类和调查的覆冰具体情况进行取值,如下表所示。

表3.2-1  覆冰密度的一般范围

覆冰形状系数由当地实测或调查的覆冰资料来确定,或者按下表进行取值。

表3.2-2  覆冰形状系数的一般范围

04 电力工程导线设计冰厚分析

4.1 单导线设计冰厚计算公式

4.2 重现期换算公式

在开展覆冰调查中,对某最大覆冰情况一般都会进行重现期的初步估计,再估计重现期后,再换算为设计所需的重现期,此时在没有可参考资料的情况下,可用下述系数进行简化分析计算。

表4.2-1  调查覆冰重现期换算为设计重现期的简化分析参数表

对于重现期换算参数,应注意一点:

(1)在有多年覆冰资料的情况下,一般选用覆冰系列资料,通过绘制频率曲线进行分析计算。

(2)在某些高山区域,往往平时不覆冰,但一覆冰又很严重,调查重现期的确定较为困难。如福建永安~漳平Ⅰ回220kV线路永安段发生覆冰倒塔事故,在导线上形成直径达150mm的圆形结晶体,覆冰密度约0.85g/cm3,形状系数约0.9,覆冰调查重现期取多少年合适呢?很多时候,为了判断调查重现期,需要运用较为详实的气象参数观测资料进行覆冰气象指数的分析统计。

4.3 高度换算公式

在开展覆冰调查中,覆冰附着物的离地高度一般都不是10m,需要将覆冰附着物不同的离地高度,换算为统一的导线设计覆冰厚度的离地高度10m。一般选用的公式如下所述。

对于离地高度的换算公式,需注意两点:

(1)当调查覆冰附着物的离地高度在10m以上时,换算为设计离地高度10m时,Kh小于1.0,如当Z0为20m时,Kh=(10/20)^0.14=0.9075。在对覆冰附着物的离地高度分析时,考虑到电力线在覆冰后离地高度会有所降低,弧线的平均离地高度也与线下实际地形有关(如线下刚好跨越低切山谷),在实际工作中应多加对比分析。如离地高度有特殊考虑山谷等地形情况,则在地形修正系数取值中也应酌情相互考量。在选择覆冰附着物的时候,也可选择离地高度相对较好分析的悬挂段,如:

图4.3-1  调查覆冰附着物的离地高度较高的情况

(2)当调查覆冰附着物在离地10m以下,甚至是5m以下时,如如当Z0为3m时,Kh=(10/3)^0.17=1.2271。对于接近地表附近的植被,离地高度一般都较小。如福建山区,在部分山顶的植被高度较小,也无已运行线路,仅能通过离地不高的草木覆冰情况进行分析。

图4.3-2  调查覆冰附着物的离地高度较小的情况

4.4 线径换算公式

在开展覆冰调查中,覆冰附着物的线径一般都不是设计导线的直径,需要将覆冰附着物的实际线径,换算为设计导线的线径。一般选用的公式如下所述。

对于线径的换算公式,需注意两点:

(1)不同的气象部门可能也有相关的不同线径覆冰换算资料。如某气象站在2011年前,电线积冰的观测直径是4mm,而在2012年至今,电线积冰的观测直径是26.8mm。在开展序列分析之前,一般都需要将两个不同线径的观测资料进行统一,部分气象站有开展部分年份的对比观测分析,有各自的准确的换算公式,这点需要设计人员引起注意,如某气象站对比观测模拟情况为“南北方向26.8mm直径的覆冰重量换算成4mm时,减去16g/m,东西向减去31g/m”。在无实测对比资料的情况下,再参考上述公式将4mm电线积冰观测直径资料统一换算至电线积冰直径26.8mm的情况。

(2)在冰区图资料中,分析的冰厚均为“直径26.8mm的标准冰厚”情况,在设计分析参考中,如有必要(如导线直径与26.8mm差异较大),还需要做线径换算分析。

4.5 地形换算公式

在开展覆冰调查中,调查覆冰的具体位置所处的地形情况,与工程区域的地形情况有差异,需要进行地形订正,在无实测对比资料的情况下,可参考下述参数。

表4.5-1  覆冰地形换算系数表

4.6 线路走向订正

在开展覆冰调查中,调查覆冰附着物的方向与工程导线的走向有一定偏差,需要进行线路的走向订正。一般选用下述公式:

对于线路走向的订正,需注意两点:

(1)线路走向很多情况是“弯折弯折”的,在覆冰观测资料较多或实际覆冰情况能较可靠的进行分析时,一般也较少进行线路走向的订正。由于线路走向订正是基于覆冰观测资料的,比如某气象站南北向的电线积冰重量略高于东西向,经过线路走向订正后,可能对于设计导线来说,东西向的冰厚分析值会“反超”南北向,可适当留意。

(2)公式中强调的是"覆冰期主导风向",而非经常谈及的“冬季主导风向”。在实际的观测情况中,覆冰期主导风向经常会与冬季主导风向出现不一致的情况。如某高山气象站,冬季的主导风向是偏西北风,但是几次严重覆冰期的时间点,主导风向却是偏西南风(严重覆冰后期风向转为偏西北风),列举2019年2月的覆冰期该高山气象站的逐个小时的气象参数如下:

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