高正旭，周月華，肖　鶯，夏智宏，汪　濤，黃俊杰

(1.武漢區(qū)域氣候中心，湖北 武漢430074；2.湖北省電力科學研究院，湖北 武漢430077)

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湖北省輸電線路覆冰導線舞動災(zāi)害的一種氣象甄別方法*

高正旭1，周月華1，肖鶯1，夏智宏1，汪濤2，黃俊杰2

(1.武漢區(qū)域氣候中心，湖北 武漢430074；2.湖北省電力科學研究院，湖北 武漢430077)

摘要:通過對全國輸電線路覆冰導線舞動故障資料的分析，給出一種基于氣象要素條件和大氣環(huán)流路徑解析的覆冰導線舞動故障資料甄別方法，并以湖北為典型案例，給出了具體的分析步驟。在此基礎(chǔ)上對覆冰導線舞動災(zāi)害時空分布特征進行分析，結(jié)果表明，全國覆冰導線舞動災(zāi)害具有顯著的時空分布差異，時間上北方地區(qū)以秋末和春初為主，華中地區(qū)則是以冬季12、1、2月份為主，空間上易發(fā)生于遼寧—山東—河南—湖北省一線，且以平原地區(qū)為主。

關(guān)鍵詞:輸電線路；覆冰導線舞動；時空變化規(guī)律；HySplit

覆冰導線舞動是輸電線路覆冰災(zāi)害之一，表現(xiàn)為偏心覆冰導線在風激勵下產(chǎn)生的一種低頻、大振幅自激震動，屬于流體和固體(結(jié)構(gòu)物)的耦合振動[1]。這種振動是較高風速引起的覆冰導線的馳振，由于其形態(tài)上下翻飛，形如龍舞，也稱舞動[2]。舞動極易與鐵塔形成塔-線藕聯(lián)體系，放大舞動效應(yīng)，會在導線中產(chǎn)生動態(tài)交變應(yīng)力，降低導線的疲勞極限，極易造成導線損傷甚至斷線，縮短導線壽命；同時舞動會在絕緣子串、橫擔及輸電塔上施加很大的動力荷載，造成絕緣子串擺動、橫擔扭曲變形、桿塔塔身搖晃，甚至倒塌[3-5]。

覆冰導線舞動在空氣動力學方面是一個很復雜的問題[6]，通常認為覆冰導線舞動易在覆冰偏心的分裂導線上發(fā)生，常出現(xiàn)在地形平坦開闊或橫跨水面的區(qū)域[7-8]，且風向與線路夾角大于45°，穩(wěn)定風速在5～20 m/s。 覆冰導線舞動頻率通常在0.1～3.0 Hz，在整檔內(nèi)為半個、一個或數(shù)個的駐波,幅度可達10 m以上[9]。

輸電線路覆冰導線舞動是隨著電網(wǎng)現(xiàn)代化建設(shè)而伴隨發(fā)生的一個新災(zāi)種，對其認識還不夠深入，現(xiàn)階段的研究主要集中于災(zāi)害個例的影響和產(chǎn)生覆冰導線舞動的動力學機理[10-13]，而針對大范圍區(qū)域時空分布特征方面的研究仍未見到[14]，因此，有效甄別、整理已有的覆冰導線舞動故障資料，分析其自身規(guī)律，對深入研究覆冰導線舞動災(zāi)害的易發(fā)條件、區(qū)域及科學防舞治理具有重要意義。

1基礎(chǔ)資料

1.1覆冰導線舞動故障資料

研究所用覆冰導線舞動故障資料來源于國家電網(wǎng)公司，資料包括1980-2010年間國家電網(wǎng)公司直屬31個(網(wǎng))省電力公司歷史上所有發(fā)生覆冰導線舞動的故障記錄，記錄涵蓋故障發(fā)生的時間、故障線路名稱及調(diào)查獲得的氣象及地理條件等，全部故障記錄經(jīng)各(網(wǎng))省電力公司與故障當日的線路運行條件及故障記錄進行綜合分析以保證故障數(shù)據(jù)的可靠性和完整性。最終統(tǒng)計全國共有輸電線路覆冰導線舞動故障記錄1 299條次，其中天津、上海、福建、重慶、黑龍江和西藏六個省(直轄市)未出現(xiàn)過覆冰導線舞動現(xiàn)象。

湖北省共有原始覆冰導線舞動故障記錄260條次，采用本文提出的甄別方法進行質(zhì)量控制后，排除114條次的錯誤記錄，共有146條次的覆冰導線舞動故障記錄。

1.2氣象資料

研究所用氣象資料來自于湖北省氣象檔案館保存的湖北省78個常規(guī)氣象臺站1961-2010年逐日觀測資料，種類包括氣壓、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、水汽壓、相對濕度、最小相對濕度、20-20時降水量、08-08時降水量、蒸發(fā)、風速、日照共12類，所用資料均符合《地面氣象觀測規(guī)范》[15]要求。

2覆冰導線舞動災(zāi)害的氣象甄別方法

高壓輸電線路建設(shè)時，往往布線于野外人煙稀少的區(qū)域，以減少對人類活動的影響，因此覆冰導線舞動災(zāi)害發(fā)生時，大多無人工現(xiàn)場觀測資料，而是靠故障發(fā)生后調(diào)查獲得，受多種原因影響，調(diào)查所得故障資料的可靠性需要加以辨識才可以用于后續(xù)分析。

形成覆冰導線舞動的氣象條件包括發(fā)生冰凍的濕度、氣溫、降水等氣象要素條件和起舞所需的風速條件，二者缺一不可。通過對覆冰導線舞動資料樣本的分析發(fā)現(xiàn)，大風造成的舞動和嚴重覆冰造成的倒塔斷線是兩類易與覆冰導線舞動故障相混淆的線路故障資料，本節(jié)利用基于HySplit氣流軌跡分析模式的覆冰導線舞動發(fā)生天氣背景分析和氣象條件分析，找到一種甄別錯誤覆冰導線舞動記錄的綜合判斷方法。

HySplit氣流軌跡分析模式是由美國國家海洋大氣管理局空氣資源實驗室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的，用于計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡的專業(yè)模型，已被廣泛應(yīng)用于天氣系統(tǒng)或污染物的路徑計算[16]。

2.1覆冰導線舞動災(zāi)害的氣象甄別流程

覆冰導線舞動災(zāi)害的氣象甄別流程可分為兩個步驟，具體流程如圖1所示。首先利用HySplit氣流軌跡模式，計算所有覆冰導線舞動故障記錄的氣流軌跡并進行初步判別，剔除主導影響天氣系統(tǒng)以外的舞動故障資料；其次，根據(jù)故障點距周邊氣象站點的距離將故障資料樣本分為兩類，一類是在故障點周邊具有氣象觀測臺站記錄資料，可參考該氣象站點記錄進行判別，另一類是在故障點周邊無氣象觀測臺站記錄資料，需到當?shù)貧庀蟛块T調(diào)取周邊自動氣象觀測站觀測資料或利用模式反演資料進行綜合判斷。由于覆冰導線舞動是近些年才開始大量出現(xiàn)的電力氣象災(zāi)害，隨著氣象觀測站網(wǎng)的逐步完善，基本依靠HySplit模式的預(yù)判結(jié)合周邊氣象觀測站點的綜合判斷，即可對覆冰導線舞動故障資料的準確性進行判別。

圖1　覆冰導線舞動故障資料甄別流程

2.2基于天氣背景分析的氣流軌跡甄別方法

覆冰導線舞動作為一種電力氣象災(zāi)害，有其自身的天氣學影響系統(tǒng)，主要表現(xiàn)為覆冰導線舞動發(fā)生時，一般伴隨凍雨或雨夾雪天氣，導線覆冰較薄，風速較大且持續(xù)、穩(wěn)定[9]，在我國，這類天氣系統(tǒng)基本屬于偏東北路冷空氣南下時造成的大風降溫并伴隨雨雪的天氣過程。利用HySplit氣流軌跡分析模塊，在對覆冰導線舞動發(fā)生時的主導天氣系統(tǒng)進行氣流軌跡聚類分析的同時，與造成覆冰導線舞動產(chǎn)生的天氣系統(tǒng)相對比，即可對故障資料的真?zhèn)芜M行初步判別。

圖2所示為湖北省260條次原始覆冰導線舞動氣流軌跡聚類分析結(jié)果，對每一條氣流軌跡進行計算并聚類后得出4類氣流軌跡。由圖2可見，軌跡1來自于偏南方較暖的天氣系統(tǒng)，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)其對應(yīng)的故障記錄點周邊溫度均比較高，不符合結(jié)冰標準，與電力部門核對后確定為錯誤記錄；軌跡4主要由西北路冷空帶來的大風寒潮天氣系統(tǒng)構(gòu)成，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)其對應(yīng)的故障記錄絕大部分屬于大風舞動故障，與電力部門核對后也確定為錯誤記錄，這與西北路冷氣空水汽含量較少，不利于覆冰形成的特征相吻合。

通過將氣流軌跡與覆冰導線舞動主導天氣系統(tǒng)來向相對照，可檢驗出軌跡1和4與98條次錯誤覆冰導線舞動樣本相對應(yīng)，這98條次錯誤故障記錄主要分為三類:①調(diào)查人員誤判造成的錯誤記錄;②大風造成的舞動，典型個例如圖3所示；③嚴重覆冰造成的倒塔斷線故障，典型個例如圖4所示。

圖3所示的氣流軌跡為2010年2月1日記載的一次覆冰導線舞動故障個例，通過氣流軌跡計算發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)路徑為典型西北路冷空氣，該日湖北省無結(jié)冰天氣現(xiàn)象記錄，經(jīng)與電力部門核對后確認該記錄實際為一次大風舞動故障，因發(fā)生于冬季，因此誤記為覆冰導線舞動故障。圖4所示為2008年冬季持續(xù)低溫雨雪冰凍天氣引發(fā)的嚴重覆冰造成的倒塔斷線故障，從氣流軌跡上看，雖然軌跡主體經(jīng)渤海灣南下，但途經(jīng)江西、湖南省北上后才進入湖北省，屬于典型的2008年持續(xù)雨雪冰凍天氣系統(tǒng)配置形式，從地面天氣圖上看，雖然覆冰較明顯，但風速明顯不足，因此也屬于一次錯誤記錄。

圖2　湖北省覆冰導線舞動氣流軌跡聚類分析結(jié)果

圖3　大風舞動故障系統(tǒng)軌跡示意圖

圖4　覆冰倒塔斷線故障系統(tǒng)軌跡示意圖

2.3基于故障點的氣象要素分析法

利用HySplit模式對覆冰導線舞動故障資料進行初步判斷后，湖北省260條次覆冰導線舞動故障調(diào)查資料還剩余162條次，對剩余故障記錄點周邊氣象觀測站點同期觀測數(shù)據(jù)進行對比分析，包括是否溫度過高，故障發(fā)生時故障點周邊是否有雨凇、霧凇或雨夾雪等冰凍類天氣現(xiàn)象發(fā)生，當有凍結(jié)類天氣發(fā)生時，則需進一步確定故障點處的覆冰厚度和故障點附近是否出現(xiàn)大風，覆冰厚度與風速條件應(yīng)該符合覆冰導線舞動產(chǎn)生的基本氣象條件[9]，資料甄別時，條件可適當放寬，若在參考大范圍氣象條件的基礎(chǔ)上，無法排除局地氣候的影響，應(yīng)協(xié)同災(zāi)害發(fā)生地的電力部門，再次調(diào)查確定，若無把握，可選擇將該記錄剔除出分析樣本。

將湖北省剩余162條次故障記錄與附近氣象觀測站點觀測記錄對比，發(fā)現(xiàn)一些覆冰導線舞動故障發(fā)生時溫度過高，判斷當時沒有覆冰形成的基本條件，可直接對這類資料加以剔除；一些覆冰導線舞動故障發(fā)生時，持續(xù)覆冰時間過長、厚度較大，或無伴隨大風，這類記錄也不具備發(fā)生覆冰導線舞動的基本條件，應(yīng)屬于嚴重覆冰或大風災(zāi)害故障，可直接對這類資料加以剔除。經(jīng)統(tǒng)計后再次剔除16條次故障記錄，最終實際符合要求的故障記錄為146條次。

圖5　湖北省覆冰導線舞動氣流軌跡聚類分析結(jié)果

利用HySplit模式，再次對符合要求的146條次覆冰導線舞動氣流軌跡進行聚類分析，圖5所示為聚類分析結(jié)果，可見影響湖北省覆冰導線舞動的天氣系統(tǒng)共有兩類，分別對應(yīng)氣流軌跡1和2，兩類氣流均經(jīng)過渤海灣附近海域并從東北方向侵入湖北省，屬于東北路冷空氣，其特征是系統(tǒng)移動速度較快，由于途經(jīng)渤海灣附近海域，因此水汽相對豐沛、濕度較大，在適合的氣象條件配合下，容易產(chǎn)生導線覆冰，從而容易產(chǎn)生覆冰導線舞動。

3覆冰導線舞動空間分布特征

覆冰導線舞動作為一種特殊氣象條件下才會出現(xiàn)的災(zāi)害，表現(xiàn)出較強的地域性分布特征，從全國的空間分布上看，共有17個省份有覆冰導線舞動故障記錄，但主要集中于遼寧、山東、河南至湖北一線，輸電線路故障率最高的省份也是這幾個省。在全國有記載的1 299條次線路故障記錄中，占比最高為遼寧省的27%，達到352條次，其次是湖北省的20%、河南省的14%以及山東省的11%，剩余13個省僅占28%的故障記錄總數(shù)，如圖6所示。

圖6　全國各省覆冰導線舞動百分比分布圖

通過對比圖5與圖6所示的結(jié)果可見，覆冰導線舞動多發(fā)的省份也是圖5中氣流軌跡所經(jīng)過的省份，這與該類氣流軌跡的自身特征有關(guān)。圖5中的氣流軌跡經(jīng)過遼寧省環(huán)渤海灣地區(qū)后，沿山東省經(jīng)過河南省，最終到達湖北省，與圖6中統(tǒng)計結(jié)果占比最高的四個省份相同，說明圖5中的氣流軌跡代表的天氣系統(tǒng)是產(chǎn)生覆冰導線舞動的主要影響天氣系統(tǒng)，在天氣學上，該類軌跡主要是由東北路冷空氣所產(chǎn)生，亦即冷空氣沿渤海灣，從中國東北部快速南下影響長江中下游流域，由于東北路冷空氣途經(jīng)沿海地區(qū)時，攜帶較多水汽，因此較易形成覆冰，且東北路冷空氣一般南下速度較快，容易產(chǎn)生寒潮大風，當覆冰厚度符合覆冰導線舞動發(fā)生條件時，會帶來輸電線路的覆冰導線舞動故障災(zāi)害。

在微觀的空間分布上，以湖北省為例，覆冰導線舞動故障點有其自身的地理分布特征，圖7是湖北省覆冰導線舞動故障點分布圖，主要分布于湖北省西北部的襄陽、老河口至荊門、鐘祥、荊州一帶，另外武漢周邊地區(qū)也是故障多發(fā)區(qū)域。

圖7　湖北省覆冰導線舞動故障點分布圖

通過與海拔高度的疊加對比分析可以看出，覆冰導線舞動故障多發(fā)生于海拔高度較低且周邊較為平坦的區(qū)域，根據(jù)電力公司對故障點調(diào)查的分類，湖北省覆冰導線舞動故障的79.4%發(fā)生于平原區(qū)域，12.7%發(fā)生于丘陵區(qū)域，而山區(qū)僅占7.9%，這也進一步說明覆冰導線舞動發(fā)生需要較為開闊的地形，主要是由于開闊平坦的下墊面更有利于較大風速平穩(wěn)的維持與穩(wěn)定，若疊加較薄的覆冰，有利于覆冰導線舞動的產(chǎn)生。

圖8　不同月份覆冰導線舞動總?cè)諗?shù)分布圖

4覆冰導線舞動時間分布特征

在分析覆冰導線舞動時間分布特征時，考慮同一日內(nèi)可能有多個地點的輸電線路發(fā)生舞動，因此僅分析覆冰導線舞動日的時間分布特征，同時考慮南北方的差異，對覆冰導線舞動發(fā)生最多三個省份不同月份覆冰導線舞動日的總?cè)諗?shù)進行對比分析，對比圖見圖8。

覆冰導線舞動總體時間分布中，2月是最容易發(fā)生覆冰導線舞動的季節(jié)，其次是12月，這兩個月份對應(yīng)不同地區(qū)省份的發(fā)生次數(shù)也比較多，排位第三的月份并列為1、3和11月，其中1月主要發(fā)生于湖北省，河南省和遼寧省均比較少，3月和11月主要發(fā)生于遼寧省，湖北和河南均較少，湖北省和河南省在4、10月份均未有覆冰導線舞動發(fā)生，由此可以看出在地域分布上，偏南方的湖北省和河南省主要發(fā)生于12、1、2月的冬季，而遼寧省主要發(fā)生于秋末的11月和初春的3月，這主要是由低于造成的溫差導致的覆冰差異所造成。

5結(jié)論

覆冰導線舞動作為伴隨電網(wǎng)發(fā)展而出現(xiàn)的一種新的災(zāi)害，對其認識還處于起步階段，本文對覆冰導線舞動資料的甄別方法及其全國時空分布規(guī)律進行研究后，得出了以下結(jié)論。

(1)覆冰導線舞動資料大部分為調(diào)研資料，所以使用時需進行數(shù)據(jù)可靠性驗證。通過研究分析發(fā)現(xiàn)，借助HySplit氣流軌跡分析其主要影響天氣系統(tǒng)，輔以故障點周邊氣象觀測站點的同期氣象要素觀測記錄，可有效完成對覆冰導線舞動故障資料的準確性甄別。

(2)覆冰導線舞動的發(fā)生具有較一致的空間規(guī)律，從易發(fā)區(qū)域看，主要發(fā)生于遼寧-山東-河南-湖北一線，從局地微地形特征看，主要發(fā)生在平原地區(qū)，丘陵和山區(qū)少發(fā)，這說明微地形差異造成的局地小氣候可能是形成覆冰導線舞動的根本原因，從這個角度出發(fā)，在今后進行覆冰導線舞動災(zāi)害模擬時，局地微地形訂正是必須考慮的影響因素。

(3)覆冰導線舞動發(fā)生時，受南北方覆冰時段差異的影響，南方覆冰導線舞動主要發(fā)生于冬季12月至次年1、2月份，而北方主要發(fā)生于秋末的11月份和初春的3月份，這也間接說明了覆冰導線舞動作為一種氣象災(zāi)害，其發(fā)生機理是相同的，因此在今后的區(qū)劃建模時，可拋去不同地域之間的差異，集中于氣象要素的組合判別特征上來進行判斷。

(4)覆冰導線舞動作為一種氣象災(zāi)害，在不同區(qū)域的發(fā)生機理是相同的，這一點從湖北省覆冰導線舞動軌跡分析結(jié)論也可看出，影響湖北省覆冰導線舞動的兩類主要氣流軌跡所途經(jīng)的區(qū)域，也是全國覆冰導線舞動的多發(fā)區(qū)域，因此，可根據(jù)這個特征，對全國覆冰導線舞動災(zāi)害進行預(yù)報預(yù)警，并在影響區(qū)域范圍內(nèi)利用局地微地形條件進行訂正，這將是后期值得開展的一項研究工作。

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*收稿日期：2015-11-06修回日期：2016-03-04

基金項目：國網(wǎng)湖北省電力公司科技項目“舞動分布圖繪制研究”(鄂電試研(2010)第133號)；中國氣象局氣象關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用項目“電力線路舞動的氣候可行性論證技術(shù)指南”(CAMGJ2012M33)

第一作者簡介：高正旭(1980-)，男，內(nèi)蒙古包頭人，碩士，高級工程師，主要從事氣候應(yīng)用與可行性論證方面研究. E-mail:gaozhengxu@gmail.com

中圖分類號：X43；TM7

文獻標志碼：A

文章編號：1000-811X(2016)03-0073-05

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.03.012

Research on Screening Method on Certain Type of Ice Coating and Galloping Disaster and Its Change Rules

GAO Zhengxu1, ZHOU Yuehua1, XIAOYing1, XIA Zhihong1,WANG Tao2and HUANG Junjie2

(1.WuhanRegionalClimateCenter,Wuhan430074,China; 2.ElectricPowerResearchInstituteinHubeiProvince,Wuhan430074,China)

Abstract:Analysis is conducted on the fault data on ice coating and galloping in the national electric transmission lines, thus a screening method is offered on the fault data of ice coating and galloping based on the meteorological factors and conditions causing ice coating and galloping and analysis on the atmospheric circulation paths and the specific analysis steps is given by taking Hubei as an example. On this basis, analysis is conducted on the spatial and temporal distributioncharacteristics of ice coating and galloping and the results show that there are remarkable differences in the national ice coating and galloping disaster. As for time, such disaster mainly takes place in the end of theautumn and early of spring in the Northern Area and mainly in December, January and February in the Central China. As for space, it often occurs on the line from Liaoning to Shandong to Henan-Hubei and mainly in the plains as well.

Key words:power transmission lines; ice coating and galloping; spatial and temporal change rules; HySplit

高正旭，周月華，肖鶯，等. 湖北省輸電線路覆冰導線舞動災(zāi)害的一種氣象甄別方法[J].災(zāi)害學, 2016,31(3):73-77.[GAO Zhengxu, ZHOU Yuehua, XIAO Ying,etal. Research on Screening Method on Certain Type of Ice Coating and Galloping Disaster and Its Change Rules [J].Journal of Catastrophology, 2016,31(3)：73-77.]