北疆电线积冰的分布及区划

张小军，庄文兵，肯巴提·波拉提

（1.国网新疆电力有限公司电力科学研究院，新疆，乌鲁木齐830011；2.新疆气象服务中心，新疆，乌鲁木齐 830002）

雨凇、雾凇凝附在导线上或湿雪冻结在导线上的现象，称为电线积冰[1]。冰附着在输电线路上，会增加输电线的质量，从而导致线路短路、杆塔倒塌、冰闪跳闸等事故，严重的电线积冰甚至会导致输电线路崩溃，因此电线积冰导致的事故是国内外电力系统最严重的自然灾害之一[2]。2009年2月5—7日，塔城电力公司、阿勒泰电力公司所属3条110 kV线路先后因积冰跳闸4次。塔城电力公司所属2条线路2月7日先后发生垂直排列的导线由于不均匀积冰造成相间距离不足而跳闸[3]。目前，电线积冰资料的应用研究主要集中在电力和气象等部门，研究内容包括电线积冰的类型和分布、电线积冰预报模型及预警发布、制定输电线设计标准、计算电线积冰重现期极值等[4]。李云鹏等[5]2010年利用新疆历年电线积冰观测资料对新疆电线积冰的时空分布、种类以及电线积冰出现时的气象条件进行了初步分析，得出北疆出现电线积冰多于南疆，南疆山区多于平原，新疆电线积冰以雾凇为主，出现电线积冰的气象条件为当日最低气温在0℃以下，空气相对湿度＞70%等的结论。我国电网现行规范是针对不同等级（110～330、500、750 kV）的线路，采用多年一遇标准冰厚进行抗冰设计。但由于缺乏系统和连续的电线积冰观测数据，这方面的研究成果较少。实际情况是，大部分输电线路是根据当地发生过的电线积冰灾害，估算该地的设计冰厚参数，与实际情况差异较大，存在较大的任意性和盲目性[6]。因此对新疆电线积冰的时空分布规律深入研究，对合理地确定设计冰厚、优化电力工程设计有着重要的意义。

1 资料与方法

气象站的积冰观测采用直径约4 mm、长1 m铁（钢）丝导线，使用电线积冰架，由南北向和东西向两组构成，从积冰架上的导线开始形成积冰起，至积冰消失止，称为一次积冰过程[7]。由于气象部门对电线积冰的观测标准与输电线的实际状况不一致，远比输电线细，因此从2011年1月1日起，全国有电线积冰观测业务的气象台站在原有4 mm导线积冰观测业务的基础上新增直径为26.8 mm、220 kV电力传输主干线电缆的积冰观测业务[8]。气象站所用的电线积冰观测材料表面光滑；而输电线路所用的线则为多股钢芯铝绞线或钢绞线，表面粗糙，横截面积要大于气象观测用线，当达到一定的温度条件后冻雨、湿雪、雨夹雪也容易形成电线积冰。因此形成的电线积冰要较气象观测的直径、厚度及重量值都要大。

1.1 资料

本文选用北疆1986—2015年具有电线积冰观测的，满足数据连续性和完整性分析要求的8个气象站。阿勒泰、福海、塔城、精河、伊宁、昭苏、乌鲁木齐和奇台的积冰资料（图1），可以较好地代表北疆地区的电线积冰情况。

图1 电线积冰站点分布

1.2 计算方法

1.2.1 标准冰厚计算方法

由于电线导线直径的差异、电线积冰形状差距，结冰密度不同，无法直接使用观测数据进行分析。因此，需将不同天气条件下形成的不同的电线结冰换算成统一比重的标准冰厚，标准冰厚指的是积冰等效为均匀覆裹导线、密度为0.9 g/cm3的冰层厚度值。本文使用的公式如下：

式中，B0为标准冰厚，Ks为积冰形状系数（积冰短径与积冰长径的比值），R为积冰半径（包括导线），r为电线直径，ρ为积冰密度。

1.2.2 极值I型分布和皮尔逊_III型分布

极值I型分布是极值渐进分布的一种理论模式[9-12]，用于拟合最大值的分布时，其分布函数为：

F（x）=exp{-exp[-α（x-μ）]}。 （2）式中，α为分布的尺度参数，α＞0，μ为分布的位置参数。只要利用已有的标准冰厚序列合理估算出参数α、μ的数值，则F（x）被唯一确定。

根据分布函数，通过矩法计算参数。参数α、μ与矩的关系为：

一阶矩（数学期望）：

其中，y≈0.57722。

二阶矩（方差）：

由此得到：

参数已知的情况下，重现期为R（概率为1/R）的标准冰厚重现水平采用下式进行推算：

皮尔逊_III型分布函数为：

式中，Γ（α）为伽马函数，xp为设计值，α、β为分布参数，分别表示为：

1.2.3 设计冰厚计算方法

输电线路工程积冰设计时需要将重现期冰厚进行海拔高度、线径、特殊地形等订正和调查等几个步骤，推算出区间其它典型点的设计冰厚[13-14]。而气象站点多建在地形开阔地区，故本文只做高度订正。根据最新规范规定设计高度全部为10 m。因此，

式中，Kh为距地面高度订正系数，h0为观测导线距地面高度，为2 m，h为设计导线距地面高度，α应由积冰观测资料计算确定。无资料地区可采用0.22[13]，本文取0.22，得Kh为1.4249。

因此，距地面10 m高度处的积冰厚度：

式中，b为标准冰厚。

2 电线积冰分布

受地理环境的影响，不同地区的电线积冰日数（表1）明显不同。电线积冰出现最多的是福海，年平均为33.2 d；最少的是塔城，年平均为3.4 d。从年代际变化来看，除塔城外，其余站电线积冰日数都呈现减小的趋势。

表1 1986—2015年各年代电线积冰日数 d

电线积冰是一种季节性现象，大多发生在冬半年，从当年10月—次年4月均可发生，集中出现在12月—次年2月。最早出现在9月（昭苏1989年9月26日），最晚持续到5月（奇台1985年5月14日）。从各站情况来看（表2），福海、精河、奇台和伊宁4个站的电线积冰发生在1月的最多，占全年的27%以上；其次发生在12月，分别是昭苏和乌鲁木齐，占全年的22%以上；阿勒泰电线积冰发生在2月的最多，占全年的22%；塔城电线积冰发生在2月和12月较多，占全年的22.6%。

表2 1986—2015年各月电线积冰出现频率/%

3 电线积冰标准冰厚

3.1 标准冰厚

由表3可知，30 a平均标准冰厚最厚在昭苏（13.2mm），最薄的在精河（2.2mm）。从年代际分布看，1986—2005年，福海、塔城和奇台标准冰厚厚度增加，塔城增加近2倍，其它站标准冰厚均呈现减小趋势。2005年以后，各站的标准冰厚都明显减小，最小的精河只有1.4 mm。

表3 1986—2015 年各年代电线积冰标准冰厚/mm

3.2 重现期冰厚

本文采用极值I型分布和皮尔逊_III型分布对各站点30、50和100 a的重现水平进行估算（表4）。根据两种计算方法，积冰厚度最大值出现在塔城站，其次为昭苏、奇台和阿勒泰气象站。最小值出现在精河站，30、50和100 a一遇的最小积冰厚度均＜10mm。

表4 北疆8个气象站30、50和100 a一遇积冰厚度/mm

由估算结果可以看出，基于极值I型分布的积冰厚度重现期估算值普遍大于皮尔逊_III型分布的估算结果，最大差距达5 mm。为检验最大积冰厚度样本序列是否符合拟合的极值I型及皮尔逊_III型分布，在0.05的显著性水平下，对两种方法拟合结果进行K-S检验（表5），H0代表样本分布是拟合的分布，H1代表不拟合的分布。极值I型检验结果显示，在0.05的显著性水平下，8个站电线积冰有7个计算的重现期与经验重现期分布拟合较好，只有塔城站不满足。而皮尔逊_III型检验结果显示，8个气象站电线积冰标准冰厚均未通过0.05的显著性检验。因此，采用极值I型分布的电线积冰标准冰厚。

3.3 冰区划分

输电线路设计中把冰区称为轻冰区、中冰区和重冰区，设计冰厚≤10mm为轻冰区，10mm<设计冰厚<20mm为中冰区，设计冰厚≥20mm为重冰区。根据极值I型重现期推算的设计冰厚结果来看，除了精河30、50 a一遇的设计冰厚是在中冰区以外（设计冰厚分别为8.9、10.0mm），其他各站点在此重现期都处于重冰区。而100 a一遇所有站点都在重冰区以内，其中以塔城设计冰厚最厚，30、50、100 a一遇的设计冰厚分别达到46.4、53.2、62.4 mm，达到重冰区设计冰厚标准的2～3倍（表6和图2）。

表6 设计冰厚/mm

图2 重现期设计冰厚

4 结论

本文利用北疆8个气象站30 a电线积冰观测资料，分析了北疆电线积冰的时空分布特征，根据输电线路设计规范规定，计算出了设计冰厚，对北疆电线积冰进行了区划。

（1）电线积冰出现最多的是福海，30 a年平均为33.2d，最少的是塔城，平均为3.4 d。

（2）电线积冰大多发生在冬半年，从各月情况来看，有4个站（福海、精河、奇台和伊宁）的电线积冰发生在1月的最多，占全年的27%以上，2个站发生在12月（昭苏和乌鲁木齐），占全年的22%以上。

（3）30 a平均标准冰厚最厚为昭苏（13.2mm），最薄为精河（2.2mm）；从年代际分布看，积冰厚度总体上呈现减小的趋势。

（4）根据极值I型分布估算30、50和100 a最大积冰厚度重现水平得到积冰区划分，除了精河30、50 a一遇的设计冰厚是在中冰区以外，其他各站点在此重现期都处于重冰区，而100 a一遇所有站点都在重冰区以内。