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1、收稿日期：2009-12-28；修回日期：2010-03-12基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）子课题（2009CB724507-3）；科技部中小企业创新基金（08C26216101491）；陕西省重大科技专项（2009ZKC02-13）。作者简介：欧阳丽莎（1986），女，硕士研究生，主要从事电力系统在线监测理论与技术方向的研究。1 000 kV特高压输电线路覆冰区的研究与划分欧阳丽莎1，黄新波1，李俊峰2，王常飞2（1.西安工程大学电子信息学院，陕西 西安710048；2河南超高压输变电运检公司，河南 郑州450051）摘要：1 000 kV晋东南-南阳-荆门交流特高压试验示
2、范工程是中国第一个特高压工程。为了加强该工程线路状态的运行管理，提高运行单位制定针对性的覆冰巡视、线路检修专项措施的工作效率，有必要对该工程线路进行覆冰区划分的研究。为此，笔者调查分析了该工程河南段输电线路覆冰的特征，通过对该工程河南段输电线路进行实地考察，收集并分析了省气象局提供的沿线历年气象资料，采集了沿线地形地貌图片，最后依据沿线气象条件和地形地貌特征确定了线路覆冰区的划分。实际应用表明，特高压输电线路覆冰区的划分为开展特高压输电线路覆冰在线监测、导线覆冰机理、冰情预测及防冰除冰技术的研究奠定了基础。关键词：特高压；气象数据；地形地貌特征；覆冰区中图分类号：TM726.1文献标志码：A文
3、章编号：1001-1609（2010）05-0004-05Research and Division of Icing Area along 1 000 kVUltra High Voltage AC Transmission LinesOUYANG Li-sha1，HUANG Xin-bo1，LI Jun-feng2，WANG Chang-fei2（1.College of Electronics and Information，Xian Polytechnic University，Xian 710048，China;2 Henan EHV Power Transmission and T
4、ransformation Company，Zhengzhou 450051，China）Abstract:The 1 000 kV AC power transmission project from Southeast Shanxi via Nanyang to Jingmen is the first ultra high voltage（UHV）project in China.In order to strengthen the operation and management of the project line s condition，and to improve the wo
5、rkefficiency of the operating unit on establishing targeted inspections and special line maintenance measures，it is necessary for theresearch on the icing areas division along the transmission line.Therefore，firstly the icing characteristics for the transmission lineproject within Henan province is
6、investigated in this paper，and then through make on-the-spot investigation to the transmission linewithin Henan，the meteorological data over the years along the lines which provided by meteorological bureau of Henani province iscollected and analysed，and topography images information with on-the-spo
7、t investigation are taken，the finally based on themeteorological conditions and topography characteristics along the lines，the division of icing area within Henan are determined.Practical application results show that the division of icing areas for the UHV transmission lines lay the foundation for
8、carrying outresearch on icing on-line monitoring，icing mechanism，ice forecast and anti-icing de-icing technology for the UHV lines.Key words:ultra high voltage；meteorological data；topography feature；icing area0引言1 000 kV晋东南-南阳-荆门交流试验示范工程是中国第一个特高压工程且是世界上第一个以额定电压长期运行的特高压工程。笔者针对该工程河南段线路开展覆冰机理的研究，结合河南省气
9、象局提供的沿线历年气象资料以及现场考察的地形地貌特征，分析特高压线路微气候、微地形特点，从而合理地划分河南段线路覆冰区，以此有效指导特高压输电线路运行维护管理，运行单位可根据已划分的覆冰区，结合运行经验制定针对性的巡视、检!特高压电器专题第 46 卷第 5 期201005 月High Voltage ApparatusVol.46No.5May20104修专项措施，从而提高管理水平和工作效率。1输电线路导线覆冰的影响因素导线覆冰是受气象、地形及温度、湿度、冷暖空气对流、环流以及风等因素影响的综合物理现象。根据中国气象局出版的地面气象观测规范，在自然条件下发生的输电线路覆冰现象包括雨凇、雾凇、湿
10、雪和雾淞与雨淞混合冻结等5种类型1-3，经调查分析得出该工程河南境内输电线路覆冰主要有3种类型：雨凇、雾凇和湿雪冻结。在历年的最大输电线路覆冰中，50%90%为雨凇；以雾凇为主的地区较少，主要分布在安阳、商丘、三门峡等少数地区；由湿雪形成的最大覆冰所占比例较小，多数在10%以下。显而易见，在河南最易对架空线造成危害的导线覆冰是雨凇，其次是雾凇4。影响导线覆冰的因素主要有以下几个方面5-8。1.1气象因素根据统计分析，在雨雪天气下，导线覆冰的必要气象条件为：具有可冻结的气温，即0 以下；具有较高的湿度并有降水，即空气相对湿度一般在85%以上；具有可使空气中水滴运动的风速，即大于1.0 m/s。覆
11、冰与风速、风向关系比较密切。风速在210 m/s范围内，风速越大，越有利于覆冰的形成，而且覆冰厚度随着风速的增大而增厚。当风速超过这一范围时，风速越大，反而不利于覆冰的形成。同时，覆冰与风向有十分密切的关系，当风向与电线正交时，最有利于覆冰厚度的增长。1.2季节因素输电线路导线覆冰主要发生在前一年11月至次年3月之间，尤其在入冬和倒春寒时，覆冰发生的概率最高。因为这两个季节空气湿度较大，多发连阴雨天气，且最低气温常在0 以下。1.3海拔高度因素就同一地区来说，一般海拔高度越高，越易覆冰，覆冰也越厚，且多为雾凇；海拔高度较低处，其冰厚较薄，多为雨凇或混合冻结。这是因为近地层内风速和雾的密度随离地
12、高度的增加而增大的缘故。1.4导线悬挂高度因素导线悬挂高度越高，覆冰越严重，因为空气中液态水含量随高度的增加而升高。风速越大、液态水含量越高，单位时间内向导线输送的水滴越多，覆冰也越严重。因此，覆冰随悬挂高度的升高而增加。1.5地形因素受风条件比较好的突出地形或者空气水分较充足的地区，其覆冰程度也比较严重。典型性的地形主要有山顶、迎风坡、湖泊、云雾环绕的山腰、风口、分水岭等处，其覆冰程度也比较严重。21 000 kV特高压输电线路简介1 000 kV晋东南-南阳-荆门交流试验示范线路全长645 km，经过山西、河南和湖北三省，其中河南境内342.811 km。特高压试验示范线路为南北走向，北端
13、气温低，南端气温高。沿线经过地形复杂，气候多变的山区，尤其是高海拔山区具有明显的立体气候特征，在一个小范围内，由于地形的变化，气候会有很大的差异。线路沿线地形地貌主要为中低山、低山、丘陵、山前平原、山间凹地、垅岗、河流漫滩等。线路沿线既有交通困难的太行山区、地形破碎的黄土冲刷丘陵地带，也有特殊跨越黄河、汉江大跨越，还有交通发达但污秽严重的平原地区；既有干旱少雨、风大雾重的平顶山、洛阳地区，又有雨水充沛，洪水冲刷较重的南阳、襄樊、荆门地区。31 000 kV输电线路覆冰区划分依据3.1沿线历年气象数据统计分析由于输电线路冰区分布很广，地形地貌相差较大，因此对局部地区微气象条件、微地理特征进行充分
14、的调查、系统分析，根据微气象条件和微地理特征划分覆冰区。通过河南省气象局提供的1961年到2008年线路所经地区的气象资料，为线路覆冰区的划分提供了充分的气象数据支持，再结合现场考察的沿线地形地貌特征，更能准确地对该工程线路进行覆冰区的划分。沿线气象数据资料统计分析如下。3.1.1温度温度对输电线覆冰的发生和发展起着决定性的影响，导线覆冰需具有足够可冻结的温度，一般为0 以下。通过对河南气象局提供的沿线历年气象实测资料进行统计分析，绘制沿线各县累年逐月的平均温度分布图见图1。时间分析：12、1、2月的平均气温均在05，1月份的气温最低，平均温度0 左右；地区分析：同一月份各个地区的平均气温相差
15、不大，1月份温县、孟州、巩义、偃师及鲁山的平均气温在0 左右，其中伊川、社旗已达零下。因导线覆冰所需的温度一般为0 左右，而从图1可知，12个月当中当年11月至次年3月期间月平均温度为-0.710，符合覆冰形成的温度条件，故只需对沿线各地区当年11月至次年3月这5个月份的气象数据资料进行统计分析，其他7个月2010年 05 月第 46 卷第 5 期5May2010High Voltage ApparatusVol.46No.5图3沿线各地区最大风月平均日数分布图份的气象数据资料可不予考虑分析。3.1.2湿度该工程通过的平丘地区主要在河南省，此地区冬季潮湿，空气湿度较大，易于导线覆冰；该工程通过
16、的山区，海拔在1 400 m以下，山区以下的平丘地带空气温度湿度较大，低海拔平丘地区的湿度空气随冬季的上升气流易于在该线路通过的山区造成导线覆冰条件。通过对河南气象局提供的沿线历年气象实测资料进行统计分析，绘制沿线各县累年逐月的平均湿度分布图见图2。时间分析：冬季12月、1月及2月各地区湿度相对其他月份较大，1月份的平均湿度在80%85%；地区分析：在同一月份沁阳、博爱、巩义、偃师、伊川、鲁山、方城及社旗的平均湿度较大，其中1月份平均湿度在80%85%的地区为沁阳、巩义、偃师、伊川、鲁山、方城以及社旗。图2沿线各地区月平均湿度分布图3.1.3最大风风速是输电线路发生覆冰的必要气象条件，通过对河
17、南气象局提供的沿线气象资料进行统计分析，绘制沿线各地区每月最大风平均日数分布图见图3。时间分析：大风一般发生在12月、1月及2月；地区分析：伊川、汝州、宝丰、鲁山以及方城冬季大风日数较多，其中在同一月份汝州的最大风日数最多。3.1.4平均降水量降水是造成冬季导线覆冰的重要因素，毛毛雨也是造成污闪的重要条件。通过对河南气象局提供的沿线气象资料进行统计分析，绘制沿线各地区月平均降水量分布图见图4。时间分析：3月份的平均降水量最多（21.641.3 mm），其次为11月份（19.532.2 mm）、2月份（9.320.7 mm），12月与1月的平均降水量相差不大（6.214.8 mm）；地区分析：同
18、一月份唐河、鲁山及伊川平均降水量较多，其中唐河月平均降水量最多，3月份唐河的平均降水量为41.3 mm。图4沿线各地区月平均降水量分布图3.1.5雨淞、雾凇雨凇和雾凇是覆冰的两种类型。通过对河南省气象局提供的输电线路沿线雨凇、雾凇的气象资料进行统计分析，绘制了沿线各地区发生雨淞的月平均日数分布图（图5）、发生雾凇的月平均日数分布图（图6）。由图5有，时间分析：雨凇主要发生在前年12月至次年3月之间，其中1月、2月雨凇较多；地区分析：在同一月份孟州、方城、鲁山、宝丰、社旗、唐河发生雨淞的日数较多。由图6有，时间分析：雾淞主要发生在11月和12月；地区分析：在同一月份沁阳、孟州、温县、方城、伊川、
19、社旗发生雾淞的日数较多。图5沿线各地区雨淞月平均日数分布图3.1.6积雪、结冰积雪（特别是湿雪）是造成导线覆冰的重要原因，当导线上积雪会造成导线断裂、铁塔倒塌。通过对河南气象局提供的沿线气象资料进行统计分析，绘制沿线各地区逐年累月积雪日数分布图（图7）、图1沿线各地区月平均温度分布图62010年 05 月第 46 卷第 5 期结冰日数分布图（图8）。由图7有，时间分析：积雪发生在11月3月份，其中1月份积雪日数居多；地区分析：在同一月份沁阳、博爱、温县及宝丰等地积雪时间较长。由图8有，时间分析：结冰发生在11月至次年3月份，其中1月份各地区结冰日数同比其他月份居多；地区分析：在同一月份宝丰地区
20、结冰日数最长，而其他地区结冰日数相差不大。图7沿线各地区积雪月平均日数分布图图8沿线各地区结冰月平均日数分布图3.2沿线地形地貌特征只有清楚地掌握了线路路径的实地地形地貌情况，才能更准确地划分覆冰区。根据地表高低起伏的趋势和形态的不同，微地形多种多样，针对导线覆冰受微地形微气候影响的一般规律，具有代表性、典型性的地形主要有风口、分水岭、迎风坡、背风坡、山脊、山顶、山坳、鞍部、与陆地邻近的湖泊及水库等水体9-10。河南境内地形复杂，气候多变。尤其是高海拔山区具有明显的立体气候特征，在一个小范围内，由于地形的变化，气候会有很大的差异。通过对该工程河南境内的线路进行现场实地考察，得出沿线地形地貌主要
21、为中低山、低山、丘陵、山前平原、山间凹地、垅岗、河流水库等（见图911），形态复杂，多崩塌、滑坡等不良地质现象。线路自北向南途经山高林密的太行山区、地形破碎的湿陷性黄土丘陵地带、黄河特殊跨越（见图12）、沁河跨越（见图13）、污秽严重的平原地区、干旱少雨、风大雾重的洛阳、平顶山地区、雨水充沛的南阳地区（见图14），沿输电线路勘察时可发现，线路在翻越高山区时，会遇到一些垭口、分水岭、迎风坡、小盆地等微地形。这种地形会造成风速和水汽通量增大，使绝缘子串能捕获更多的水滴，因而形成较其他地形处更大的覆冰。图9线路跨越陶化店水库图10线路跨越山间凹地图11线路跨越山前平原图12线路横跨黄河图13线路横跨
22、沁河图14线路经过多雨区41 000 kV输电线路覆冰区划分结果该工程在河南境内的线路，电线覆冰均发生在冬季。从当年秋季的11月至次年春季3月份的5个月中均可发生，比较集中地出现于12月至次年2月，从历年最大电线覆冰的统计资料看，多数地区的最大电线覆冰发生在冬季，一般占80%以上；从各月情况来看，大部分地区的最大电线覆冰发生在1月份，一般占30%以上，最大可达67%，其次是2月和12月，多在20%以上，3月和11月相对较少，一般在10%以下。根据覆冰的影响因素、线路经过的14个县1961年到2008年的详细气象数据以及结合沿线实图6沿线各地区雾凇月平均日数分布图7May2010High Vol
23、tage ApparatusVol.46No.55覆冰区划分的应用分析在实际应用中，覆冰区的划分为开展特高压输电线路覆冰在线监测、导线覆冰机理、冰情预测及防冰除冰技术的研究奠定了基础：覆冰区的划分对于下一步应用覆冰在线监测系统提供技术指导和理论依据，结合特高压工程建设，经中国电力科学研究院项目论证、综合考察、方案审核，对1 000 kV交流特高压试验示范工程线路河南段在线监测系统的安装进行了整体规划并实施，在已划分的线路覆冰区共安装了10套覆冰在线监测系统，成功地监测了导线覆冰情况；在已划分的覆冰区利用覆冰在线监测系统所监测的覆冰气象数据，分析各种微气象条件（温度、湿度、风速、风向、降水量、大
24、气压力、日照强度等）与导线覆冰之间的关系，建立覆冰与微气象条件的关系模型；通过覆冰与微气象条件的关系模型以及覆冰生长预测模型的建立，可根据宏观气象实现广域和局域的冰情预测；当通过覆冰在线监测系统监测到输电线路覆冰事故比较严重时，有关单位就可立即采取一些防冰除冰应对措施以提高输电线路的安全运行维护管理。6结语特高压电网将在整个国家电网中处于核心地表2南荆I线覆冰区划分杆塔号平均最低温度/地形地貌所在地域470.9塔靠近池塘，湿度较大社旗116-1191.5档距都超过 600 m，在平原地区属于大档 唐河1571.5附近有绵羊河流经唐河175-1761.5档内跨越唐河，档距为 723 m唐河表1长
25、南I线覆冰区划分杆塔号平均最低温度/地形地貌所在地域271-2720.00.3跨越沁河，档距为 830 m271：博爱县 272：沁阳市339-3400.10.8跨越黄河，线路湿度大339：孟州市 340：巩义市378-3790.20.8跨越依洛河，档距为 832 m378：偃师市 379：巩义市382-3830.20.8跨越滑城河，档距为 832 m382：巩义市 383：偃师市397-3980.2 左右跨越陶化店水库偃师市427-4280.9 左右档距 1 055 m，海拔 813 m伊川县452-4540.9 左右线路西侧附近为刘瑶水库伊川县611-6120.8 左右跨越沙河平顶山鲁山县
26、地考察的地形地貌，可将输电线路沿线符合条件的相关杆塔区域分为覆冰区。根据已有的气象数据资料和地形地貌，结合地区划分和杆塔划分两种手段来对该工程河南段线路进行覆冰区的划分。地区划分：将符合覆冰气象条件的地区博爱、温县、偃师、方城4个县城区域划分为覆冰区。划分理由是依据气象部门提供的历年气象数据，对数据进行统计分析，得出这4个县城区域的冬季平均温度在0 左右、湿度在85%左右以及风速大于1.0 m/s均符合覆冰产生的条件。杆塔划分：将符合覆冰条件的县城所在的输电杆塔作进一步的覆冰区细分，即根据输电线路沿线微气象条件、微地形情况，以及对输电线路的现场勘测数据资料（资料包括现场气象监测数据及现场地形地
27、貌描述），在符合覆冰条件的县城的基础上，再进一步对所经县城的杆塔进行覆冰区的分析、划分及筛选，使得覆冰区的划分具体细分到线路杆塔上，突出了重点。1 000 kV特高压交流试验示范工程输电线路覆冰区，覆冰区划分图见图15，具体划分结果见表1、2。图151 000 kV特高压交流试验示范工程输电线路覆冰区划分图（下转第13页）82010年 05 月第 46 卷第 5 期位，高电压、大容量负荷的传输，可靠性是运行的首要因素。做好特高压电网的运行工作对于保证特高压电网乃至整个国家电网的安全、稳定、可靠运行具有十分重要的意义。1 000 kV特高压试验示范工程线路沿线气象变化显著，地形地貌相差较大，因此
28、对局部地区微气象条件、微地理特征进行充分的调查、系统分析，根据微气象条件和微地理特征准确地划分覆冰区是行之有效的，能有效指导特高压输电线路运行维护管理，以此提高正常巡视和事故抢修过程中的快速反应能力，对保证特高压线路安全运行具有重要意义，同时验证设计的合理性，为今后特高压线路设计提供借鉴。但覆冰区的划分可进一步通过一些方法来提高和改进。如在已划分的覆冰区的基础上根据覆冰基本冰厚进一步划分覆冰区等级：重冰区、中冰区、轻冰区，基本冰厚达到20 mm及以上的地区称为重冰区，1020 mm为中冰区，10 mm以下为轻冰区。冰区等级划分基本方法可通过线路分段法、等值线图法、地理分区法等方法进行研究。参考
29、文献:1何清，汪涛，金涛，等.输电线路覆冰监测技术J.湖北电力，2009（1）：16-17.2魏其巍.电线覆冰机理分析及在工程设计中的应用J.电力建设，2007（3）：26-28.3廖祥林.导线覆冰性质分类和密度浅析J.EPC，2006，15（9）:17-25.4刘军臣，郭二凤，康雯瑛.河南电线积冰气候特征及对架空线路的影响J.河南气象，1999（1）:27-28.5王守礼.影响电线覆冰因素的研究与分析J.电网技术，1994（4）:18-24.6黄新波，孙钦东，张冠军，等.线路覆冰与局部气象因素的关系J.高压电器，2008，44（4）:289-294.7蒋兴良.输电线路覆冰及防护M.北京:中国
30、电力出版社，2001.8黄新波输电线路在线监测与故障诊断M北京：中国电力出版社，2008.9金西平.微地形微气候对电力线路覆冰的影响J.供用电，2008（4）:17-19.10张弦.输电线路中微地形和微气象的覆冰机制及相应措施J.电网技术，2007（S2）：87-89.频繁出现这种冲击性的励磁涌流不但干扰继电保护装置，还会对变压器和电力系统安全运行产生严重影响8。对于更大容量的变压器涌流持续时间还会更长，因而会发热导致铜损耗增加，产生机械应力使变压器扭曲8。采用选相关合策略以后，各种剩磁状态下的励磁涌流均能得到很好的控制，这将为电力系统带来巨大的经济效益，因而具有广阔的应用前景。3结论根据空载
31、变压器励磁涌流产生机理，选用关合技术消除变压涌流，并建立模型对选相关合控制策略进行仿真验证，提出了变压器剩磁测量方法，得到如下结论。1）剩磁的大小和极性直接关系到空载变压器选相关合性能，因此剩磁准确测量是选相关合技术的一个关键问题。2）选相关合技术的实质就是通过控制断路器合闸时系统电压的相位角，以预感磁通与剩磁相等的时刻为最佳合闸时刻，可以避免铁芯磁通的饱和，控制励磁涌流的产生。参考文献:1郝治国，张保会，褚云龙，等.变压器空载合闸励磁涌流抑制技术研究J.高压电器，2005，41（2）：81-84.2EBNERA.TransientTransformerInrushCurrentDue toC
32、losing Time and Residual Flux Measurement Deviations ifControlled Switching is UsedC/European EMTP-ATP Conference，Spain，2007：24-36.3王巨丰，何振东，李明武，等.利用分相关断策略消除电力变压器的励磁涌流J.广西电力，2005（5）:43-45.4丁富华，邹积岩，方春恩，等.相控真空断路器投切空载变压器的应用研究J.中国电机工程学报，2005，25（3）:89-93.5BRUNKE J H，FRLICH K.Elimination of Transformer Inr
33、ushCurrents by Controlled SwitchingJ.IEEE Transaction on PowerDelivery，2001，16（2）：276-280.6TSUTADA H，HIRAI T.A Basic Study of Controlled Closingfor Transformers with Residual FluxJIEEE Transaction on Powerand Energy，2001，123（6）：765-771.7孙会浩，刘玉林，吴磊.基于EMTP_ATP的变压器建模及仿真J电气应用，2008，27（6）:46-49.8唐博，彭安金，王高丰，等.采用选相位关合技术消除变压器空载合闸的励磁涌流J.电气开关，2007（3）:22-25.表1随机合闸与选相关合仿真结果表三相剩磁状态IaInTa/sIsInTs/s（0，0，0）15.974.0750.0850（0，-0.3m，0.3m）15.534.0950.0660（0.5，0.2m，-0.7m）17.443.4750.1380.1（0，-0.7m，0.7m）7.992.8250.1050（上接第8页）!13