谢银昌，林小柏， 王 磊

(1.云南省电力设计院，云南 昆明 650011；2.云南电网公司电力研究院，云南 昆明 650217)

覆冰是一种自然现象，就电力系统而言，覆冰是自然灾害。严重覆冰对电力系统安全运行有着灾难性的影响，导致电力线路机械和电气性能的急剧下降，引起断线、倒塔、绝缘子闪络等多种事故，造成巨大的经济损失。

云南省位于我国的西南地区，境内山脉连绵起伏，河流纵横交错，地貌复杂，云南省境内立体气候显著，气象灾难频繁。受季风气候影响，普遍存在的微地形、微气候特征，决定了云南省是全国覆冰严重的地区之一。

云南省电网冰区分布图反映了一定区域内覆冰的分布规律，是输电线路防冰、抗冰设计的基础资料。进行输电线路建设或改造时，覆冰分布图能提供科学依据，选择最安全、经济的路径和抗冰设计。进行输电线路抗冰设计时，针对线路路径的覆冰情况，因地制宜的选择不同的设计标准，既能有效的进行抗冰，又能节约工程造价。覆冰分布图对防冰、抗冰工作具有指导意义，抗冰、防冰、融冰等技术提供技术支撑能对重冰区进行巡查和监控，能有效的防治冰灾事故发生。本课题的研究及绘制云南省电网冰区分布图对电网设计及安全运行具有重大的理论意义及工程应用价值。

1 覆冰类型与覆冰研究现状

输电线路覆冰的类型与气象因素有密切的联系，不同的气象因素组合可形成不同的覆冰类型。通常将导线覆冰分为以下几类。

雨淞：一般是由水滴直径较大的过冷却雨或毛毛雨降落形成，密度接近 0.9 g/cm3。密度大于0.7 g/cm3的冰称为雨凇，雨凇视感为透明或半透明、密实、无孔隙，手感为坚硬、光滑、湿润、粘附力很强，形状色泽为椭圆形、光滑似玻璃。在雨凇覆冰情况下，覆冰是连续增长。雨淞覆冰是最严重的一种导线覆冰形式。

雾淞：风携带雾中或云中的过冷却水滴与导线表面碰撞而形成雾凇，密度在0.1～0.3 g/cm3之间，雾凇分为粒状和晶状两种，其中粒状雾凇视感为粗颗粒、不透明，手感为脆、较湿润，形状色泽为椭圆形、白色；晶状雾凇视感为细粒、不透明，手感为松、脆、干燥，形状色泽为针状、纯白色。雾凇是冬季高海拔山区输电线路最常见的一种覆冰形式。

混合淞：通常是过冷却水滴在导线上形成的雨淞与雾淞交替混合冻结形成的不透明的覆冰，密度在0.2～0.6 g/cm3之间，混合淞视感为成层或不成层，似毛玻璃，较密实，基本无孔隙，手感为较坚硬、较湿润，形状为椭圆形或圆形。混合淞形成时间较长，覆冰厚度可以达到几百mm，危害特别大。输电线路事故多半是在混合淞下发生。

湿雪：是自然降雪粘附在输电线路上而形成的。密度在0.2～0.4g/cm3之间，空气中的干雪或冰晶很难粘结在导线表面，即使降落在上面，也很容易被风吹掉。当空气中的雪含有过冷却水滴，变成湿雪后才容易粘附在导线上。此外还有白霜，是空气中的湿气与0℃以下的冷物体接触时，湿气在冷物表面凝华形成的，一般覆冰量不会很大，不会对输电线路造成很大的危害。

2 云南导线覆冰成因分析

影响我国的绝大部分冷空气均来自极地地区的冷空气爆发。当极地涡旋运动的中心偏离北极时，极地冷空气随着涡旋运动的偏离从新地岛附近进入西伯利亚，在冬季强烈的陆地冷却辐射作用下变得干冷，沿途不断南下变性后从新疆维吾尔自治区进入我国，然后由西北逐渐向东和东南推进，进入太平洋后整个过程结束，所经地区一般出现剧烈的降温和雨雪天气。

由于青藏高原的阻挡作用，影响云南省的冷空气过程与全国大多数地区明显不同。30多年的统计分析表明，影响云南省的冷空气过程可以分为三大路径：东北路径、偏东路径和西北路径三个方向，其频率分布见图1。云南省的导线覆冰与冷空气的路径、强弱息息相关，故云南省覆冰主要集中在滇东北、滇东地区、滇西北地区和滇东南地区。

图1 影响云南的冷空气路径及其频率分布图

云南省1971～2000年冰冻天气分布图如图2，可以看出云南省冰冻天气分布大致呈西北—东南向，基本沿高黎贡山、无量山、哀牢山等山脉为界。冰冻天数最多的是滇东北的镇雄和威信，年平均可达50～80 d，其次是滇东北的昭通和鲁甸、滇西北的德钦和贡山，年平均为30～50 d，滇东的曲靖市各县区、滇西北的维西、兰坪、剑川，年平均为10～30 d，滇中地区、滇西北东南部地区和滇东南地区年平均为10 d以下。

图2 云南省1971～2000年冰冻天气分布图

从图3“云南省50多年来冰冻天气连续日数极值分布图”，可以看出冰冻天气连续日数极值大值区域仍然是滇东和滇西北地区。镇雄和威信冰冻天气连续日数极值达40～60 d，滇东大部分地区、德钦和贡山等地为20～40 d，滇中、滇东南和滇西北部分地区为5～10 d，滇西南部分高海拔地区仅为1～2 d。

综合上述，由于影响云南的三大路径冷空气的发生频率、影响范围、严重程度各不相同，使得云南省覆冰主要集中在滇东、滇东北地区，其次是滇西北地区，再次是滇东南地区。云南冰冻天气最严重的是滇东北和滇东地区，其次是滇西北地区，滇中和滇东南地区较轻，滇西南除高海拔地区外，几乎没有冰冻天气。

3 云南易覆冰区覆冰特点

图3 云南省50多年来冰冻天气连续日数极值分布图

云南地形以山地为主，大致以玉龙山、元江谷地和云岭山脉南段为界，分为东西两部分。东部是云贵高原的一个组成部分，称为云南高原；西部是横断山地，属横断山系南段。东部及西部地形地貌的差异，是造成东西电线覆冰不同的基础。北方南下冷空气注入四川盆地后，沿大凉山的东侧进入云南。到滇东北遇到昭通东南方、南方、西南方的石门坎、尖山、堂琅山和莱灵山，会泽东南的牯牛山，昆明东北的梁王山等山脉，冷空气受阻趋于静止，形成昆明静止锋。此静止锋在滇东北最长可停留10～15 d之久，锋面逆温明显，下层过冷却水汽也比西部多，常形成冻结天气。滇西北地区虽然海拔高、气温低，但寒流受到青藏高原的阻挡，冬季常在该地区形成低涡，基本上没有“昆明静止锋”产生的天气，故与滇东北相较电线覆冰相对较轻，持续时间较短。但该地区立体气候明显，在海拔高程、空气湿度等冻结条件满足的情况下，仍会出现粘附湿雪及粒状雾凇的现象。

在这种冷空气活动和大地形的综合作用下，导致云南省东重西轻、北重南轻的电线覆冰分布特点。覆冰厚度在30 mm及以上地区主要分布在滇东及滇东北地区，如昭通地区的镇永甲线、永甘甲乙线、威甘线、威镇多线、大镇线、镇镇线、昭大线、曲靖地区的宣曲线、宣以线、云贵交界的羊盘线及东川地区的以东线等，均与昆明静止锋有关。滇西北的碧罗雪山由于空气湿度大、海拔高，局部微地形、微气象点也会出现冰厚30 mm的情况，如福兰线、福剑线、大华桥送出线等。覆冰厚度20 mm也是东部大于西部、北部大于南部，主要集中在滇东北、滇东、滇西北及部分滇中地区。

云南滇东、滇北地区、滇东南的电线覆冰主要表现为雨凇、雾凇及混合冻结，而滇西北地区则主要表现为粘附湿雪。

4 冰区分布图的绘制

4.1 覆冰模型的建立

根据云南省冷空气的路径、强弱及各区域覆冰性质，将云南省区划为五个大区域，即：滇东北和滇东、滇西北、滇东南、滇中及滇西南五个大区域，然后再根据每个区域内形成覆冰的特点、覆冰性质又进行细化，形成局部区域的覆冰模型，见图4。

图4 云南省覆冰模型、冰区区划及冰区预警预报流程图

滇东北及滇东区域覆冰模型研究时，研究人员依据Kathleen F研究的成果做为基础，选取滇东及滇东北22个站点最冷月(1月份)平均气温、最低气温、平均风速值、相对湿度和降水量，再结合云南滇东北的实际情况构建了相应的覆冰模型如式(1)所示：

式中：P为降水率；N为冻雨时数；V为风速；ρi为冰密度；ρw为水密度W=0.067 P0.846为空气液态水含量。通过实际考察的覆冰资料与22个站点的气象观测资料反算系数，得到较为合理的系数取值(K=0.0013)，由此计算得到22个站点冬季最冷月的覆冰量。

由于长序列完整覆冰资料很难获得，远不能满足输电线路工程设计的需求。因此，充分利用现有气象站常规气象观测资料(覆冰四要素：气温、湿度、降水和风速风向)、冷空气袭经路径、强弱、影响范围及下垫面情况建立覆冰模型及未来通过上述气象预报资料预测近期覆冰厚度的方法。对输电线路规划、工程设计及已建输电线路的设计、运行和维护都具有非常重要的现实意义。

4.2 冰区划分原则

根据“南方电网冰区分布图绘制方法”(2013年试行版)，划分冰区应遵循地区相似性与差异性的原则，按照不同的指标分级进行划分。在同一冰区，计算用覆冰参数应尽量相同，同时考虑立体气候特点和地形影响，在进行不同冰区划分时，又要遵循以下原则：

(1)一个冰区内各点的覆冰量要基本接近。

(2)一个冰区应属同一气候区，形成覆冰的天气条件应大致相同。

(3)一个冰区内应地形条件类似，同一地理位置海拔相当。

(4)对风口、垭口、分水岭、迎风坡、山顶突出处等微地形、微气候区，宜酌情加大处理。

4.3 冰区划分依据

(1)云南省五个大区域覆冰模型成果；

(2)覆冰成因及影响覆冰的气象条件分析结果；

(3)区域各调查点设计冰厚的分析计算结果；

(4)区域气象站、观冰站覆冰分析计算结果；

(5)区域地形、海拔及植被分类结果；

(6)区域已建输电线路设计冰区及运行资料；

(7)区域冰雪灾害记录和报告。

4.4 冰区划分技术方法

云南地形复杂多样，气候呈现地域变化，覆冰是地形因子与气候因子综合影响的结果，相应的覆冰呈现了地域性规律，冰区划分应充分考虑各种可能的影响因素。冰区划分主要依照以下步骤进行：

(1)根据覆冰成因及影响覆冰的气象条件分析结果，结合类似地形(经纬度、海拔、相对高差、植被分类)、气候带(气温、湿度 、风、日照)内覆冰存在相近特征的规律，以各调查点设计冰厚分析计算结果为依据，对覆冰地区按地形环境与覆冰条件基本一致原则进行覆冰地形气候分区；

(2)在同一类似地形气候区内，依据覆冰资料(包括观测、调查覆冰及已建线路设计覆冰、运行资料、邻近类似区冰雪灾害记录或报告)地点及该地点的地形气候特征类比延伸确定其代表的类似子区域，以该点的覆冰量近似代表子区域的覆冰量。

(3)对各子区域的覆冰量作归类整合连接形成冰区图。覆冰量级及区划见图5。

4.5 云南冰区图的绘制

根据云南省电力设计院及云南省气象台研究的“云南电网覆冰区划模型”及气象台(站)的观测资料、电线覆冰观测记录、气象灾害史料、现有电力、通信线的设计运行经验，进行统计、计算、分析、归纳，用计算机在1∶25万电子地形图上分区域，进行图层分类和属性编码、转换矢量空间数据及属性、投影坐标系统转换、采用克里金或其它空间插值分析法及冰区的海拔跨度构建冰区分级图层，通过GIS叠加分析、图层融合等步骤。绘制出“云南省电网冰区分布图草图”；现场考察组携带“云南省电网冰区分布图草图”进行全省性实地普查，到各地州(市)电力、气象部门、电信部门及交通运输部门征询意见，对各地区较大的山脉、“微地形、微气象点”及输电线路的典型事故地段进行实地考察，进一步调查核实“云南省电网冰区分布图草图”；根据现场考察论证结果，对“云南省电网冰区分布图草图”的复核及修正，最终根据制图标准，制作项目所需的地图符号、库文件实现地图要素符号化处理及标注属性、图面调整装饰，形成1∶250000的“云南省电网冰区分布图”矢量图及JPG栅格图(云南省50年一遇冰区分布图见图5)。

图5 云南省50年一遇冰区分布图

5 结论与展望

云南省电网冰区分布图的研究基于云南2008年电网覆冰灾害、1983年等覆冰较为严重年份的实地覆冰调查，总结出云南电网的受灾事故类型及电网覆冰特征，结合云南独特的气候及地理条件等因素，进行统计、计算、分析、归纳出不同的覆冰组合，用计算机在1：250000电子地形图上分区域归纳云南电网覆冰分布规律，且作为冰区的划分依据，得到不同重现期的覆冰区划图。

云南省电网冰区分布图反映了一定区域内覆冰的分布规律，是输电线路防冰、抗冰设计的基础资料。进行输电线路建设或改造时，覆冰分布图能提供科学依据，选择最安全、经济的路径和抗冰设计。进行输电线路抗冰设计时，针对线路路径的覆冰情况，因地制宜的选择不同的设计标准，既能有效的进行抗冰，又能节约工程造价。覆冰分布图对防冰、抗冰工作具有指导意义，抗冰、防冰、融冰等技术提供技术支撑能对重冰区进行巡查和监控，能有效的防治冰灾事故发生。绘制云南省电网冰区分布图对电网设计及安全运行具有重大的理论意义及工程应用价值。本文主要得到以下结论：

(1)通过多年的统计资料，并结合云南特殊的地形地貌、地理位置、天气气候特征等方面，总结分析出影响云南省的三大冷空气路径，其发生的频率为：东北路径为63%，西北路径为28%，偏东路径为9%。即云南省覆冰天气现象主要出现在滇东北及滇东地区，其次是滇西北地区，最少是出现在滇东南及其他地区。

(2)云南地处低纬度高海拔地区，山高谷深，立体气候明显。输电线路通常经过寒带、寒温带、温带、亚热带等多种气候类型。这种独特的地形地貌和多样的气候特征，决定了输电线路气象条件的特殊性、局部性、多样性及复杂性。云南电线覆冰分布特点为滇东北、滇东及滇东南地区的电线覆冰主要表现为雨凇及雨凇为主的混合冻结，而滇西北地区则主要表现为粘附湿雪。

(3)云南省滇西南大部地区及沟谷、平坝地区冬季温度稍高，气温很难将至0C以下，不易形成覆冰现象，只有在海拔较高的山区，由于气温低、空气湿度大，冬季常形成雨雪冰冻及大雾天气，为覆冰的形成提供了有利条件。

(4)由于云南境内微地形、微气候点众多，风口、垭口、峡谷风道、迎风面等微地形地区会造成局部地区导线上覆冰严重增加，这些区域的覆冰厚度不能根据大范围内的气象数据来确定，所以在冰区区划时进行了“两微”校订，最终得到较为合理、准确的冰区分布图，但是“两微”校订是非常复杂的，实际工程勘测中需进一步复核。

(5)覆冰是一种自然现象，属小概率事件，而影响覆冰的因素多且复杂。到目前为止，国内外尚没有完全解决电网覆冰问题。因此本项目对云南电网覆冰的调查也不是很全面，针对云南电网覆冰分布我们只积累了较少的数据，在后续的研究中，需进行长期的覆冰观测，不断完善云南省电网冰区分布图。

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