输电线路导线覆冰数学物理模型分析

系统回顾了近年来国内外有关输电线路导线覆冰的数学物理模型,介绍了各模型的物理假设,数学建模及参数化过程.并着重分析了各个模型的建模理念,提出了这些模型在研究导线覆冰机制和对覆冰做出预测时的优点与局限性.为今后对这些经典模型的改进指出了一些方向.     

河北省超高压线路一次连续覆冰事件的模拟与诊断

利用1980—2021年河北省142个国家气象站观测资料以及电力部门提供的导线覆冰个例资料,分析了河北省历史导线覆冰空间特征,发现省内南部沿海和张家口东北部主要以雾凇覆冰为主,邢台东北部、沧州东部地区存在少量雨凇覆冰情况。系统分析2015年11月15次覆冰跳闸事故的天气环流形势,造成此次灾害的冷空气由北向南传播,中后期叠加来自西部向东传播的气流;关键区对流层低层存在雪水混合物和明显的风切变,对流层中层存在“负〖CD*2〗正〖CD*2〗负”的温度异常层结分布特征,热力环流中上升运动为覆冰提供了有利条件。基于气象观测资料,综合考虑导线覆冰增长、维持、消融过程,建立导线覆冰小时级覆冰厚度预报模型。利用覆冰个例进行检验,发现该模型能够较好地捕捉气象条件对导线覆冰过程的影响,能够客观地反映覆冰厚度时空分布特征,为覆冰监测预警提供精细化数据支撑。     

利用常规气象资料建立的导线覆冰模型

利用2001-2009年冬季四川省二郎山观冰站的覆冰资料和气象资料,在明确影响导线覆冰因子及建立覆冰模型理论框架的基础上,分析了覆冰厚度与若干气象因子的联系,结果发现覆冰增长与水汽压、风速等单一气象指标之间的相关并不理想;尝试用若干气象指标综合咸水汽输送量指标,该指标与覆冰增长率有较显著的相关。在此基础上建立了一个以风速、温度、水汽压等常规气象观测要素为参数的导线覆冰模型,将综合覆冰拟合的冰厚与实测冰厚值进行比较,拟合结果较好地模拟了实际覆冰,达到工程应用的目的。     

基于过程判别的雨雾凇导线覆冰气象模式

利用2011年1月—2013年3月在贵州开展导线覆冰自动观测试验获取的观测资料,分析了覆冰过程演变及其气象条件变化特征,提出一次完整的导线覆冰过程包括覆冰开始、增长、维持、减弱、消融5个阶段,并得到覆冰过程的气象条件判别指标;基于导线覆冰理论模型的改进并结合气象条件判别,建立了基于过程判别的雨雾凇导线覆冰气象模式,应用该模式对观测获取的多个导线覆冰过程进行数值模拟检验。结果表明:模式能够模拟自然环境下覆冰的增长,并能够正确模拟出覆冰的减弱、消融,模拟过程覆冰质量变化的最大相对误差小于20%。该模式具有较完整的理论基础和计算方案,主要以常规气象观测要素为输入,能够计算输出覆冰全过程逐小时覆冰质量、覆冰厚度及覆冰密度变化,具有较大的应用前景。     

粤北地区导线覆冰气象特征与标准厚度推算

利用广东省乐昌高山气象站1972—1978年观冰资料和气候资料,分析了粤北地区导线覆冰的气象特征,建立了导线覆冰标准冰厚的气象推算模型。根据乐昌国家气象站的历史资料,对乐昌高山气象站的气候资料进行订正延长,构建了乐昌高山气象站覆冰年极值长年代序列,并推算出离地不同高度各重现期的标准冰厚值。结果表明,粤北地区导线覆冰主要发生在1月,其次为2月和12月,平均覆冰期在90天左右,最长覆冰期可达131天以上。主导风向、日最低气温、日降水量是影响导线覆冰厚度的主要气象因素。标准冰厚的年极值序列服从极值I型概率分布,历史上的最大导线覆冰值出现在2008年1月26日,2m高度标准冰厚达64.4mm,15m高度标准冰厚达92.7mm,与2008年冰灾实况调查的覆冰厚度(标准冰厚)115mm较为接近。     

导线覆冰极值的概率分布模拟及其应用试验

利用南方地区多个气象站和电力部门观冰站的导线覆冰逐日冰厚资料,将广义极值分布和广义帕雷托分布引入导线覆冰的概率模型研究中,通过超门限覆冰次数的泊松分布拟合检验,结合H ill图解,提出了基于超门限峰值法门限值的确定方法;对两种分布在导线覆冰极值模型拟合的适用性研究表明,广义帕雷托分布对各站覆冰冰厚极值的拟合精度最高;重现期冰厚极值估计随样本长度的变化分析表明,广义帕雷托分布模型极值估计的稳定性比广义极值分布强,一般样本容量达到25 a左右时,广义帕雷托分布重现期冰厚极值的估计趋于稳定,可以作为短序列下估计导线覆冰极值的较好方法。     

广西输电线路覆冰典型年份的环流特征分析

采用NCEP/NCAR逐月再分析资料、广西北部43个气象台站的温度、湿度、风、降水、导线覆冰等观测资料以及广西输电线路覆冰资料,建立雨凇覆冰厚度计算模型,并得出气象台站的历史覆冰厚度序列。采用数理统计和合成分析等方法研究典型覆冰年份的时空特征、环流背景及气象要素变化特征,结果发现:广西输电线路覆冰主要出现在冬季的桂北,并有逐年减轻的趋势,MannKendall突变检验表明,存在1个明显的突变点,出现在1985年;广西典型覆冰年份,500 hPa欧亚大陆中高纬地区呈明显的"两槽一脊"型,广西高空处于南支槽前,地面受冷高压脊控制;赤道中东太平洋,从夏季到秋季,海温由偏高转为偏低,到冬季SSTA维持为负距平,说明广西输电线路覆冰与LA NINA事件有较密切的关系。当日最低气温在0.2℃以下,风速5 m·s-1,并伴有雨凇和弱降水,低温寡照天气时容易出现覆冰。     

基于雾条件下能见度估算的导线覆冰气象模型

在总结分析导线覆冰模型理论框架及其影响导线覆冰增长强度的主要气象因子的基础上,根据四川省二郎山观冰站2006年1月—2009年3月的覆冰观测资料和同期常规气象资料,分析发现覆冰密度仅与气温相关显著,运用非线性回归分析建立了导线覆冰密度模型;利用能见度与液态水含量的转换关系估算了空气中的液态水含量及其输送指标,在此基础上建立了一个以气温、风速等常规气象观测要素为参数的导线覆冰模型,以便于工程应用。对模型拟合结果进行分析,实测冰厚和拟合冰厚之间的相关系数为0.8340,拟合冰厚的均方根误差为28.61 mm。     

黑龙江省输电线路覆冰状况研究

本文利用31个气象观测站30a积冰观测资料分析黑龙江省的电线积冰现状,采用极值Ⅰ型概率分布计算了各重现期最大冰厚,对黑龙江省的冰区进行了划分,初步得出齐齐哈尔、富裕一带属于冰灾较严重的地区,其余为轻冰区的结论.     

风电场风机叶片覆冰气象条件及覆冰模型研究进展

随着我国风电行业的快速发展,覆冰已经成为严重威胁风电场安全稳定运行的因素之一,针对这一问题,国内外学者陆续开展了相关研究。综合现有研究成果,从覆冰概况、研究方法分类、影响覆冰的因素、风机叶片覆冰期特点等方面做了总结。大量的研究成果显示：影响风机叶片覆冰的气象因素主要为环境温度、相对湿度、风速、液态水含量（Liquid Water Content,LWC）和体积中径（Median Volume Diameter,MVD）等。此外,冰风洞试验和数值仿真模拟方面已有很多成果,而覆冰模型法的研究还较少,后续研究的重点是开展对高分辨率数值预报产品的订正研究,构建适用于本地的风机叶片覆冰模型,为风电场提前预警覆冰期以采取融冰措施、合理安排生产等提供科学参考。     

湖南电线覆冰厚度估算模型研究

基于湖南省97个地面气象观测站（其中28个站有电线积冰观测业务）自建站至2008年的日气象观测资料,雪峰山、东山峰高山站的部分电线积冰观测资料,NCEP/NCAR再分析资料及地理信息资料,开展了气象要素、温度垂直结构、地理信息等环境因子对电线覆冰厚度的影响分析;利用逐步回归方法建立了电线覆冰厚度与环境因子的回归模型;在对回归模型进行统计检验的基础上,开展了自建模型与其他两种相关模型的比对分析。检验及比对结果表明,自建模型具有可用性。     

中国电线积冰灾害研究进展

电线积冰灾害是导致电力系统发生事故的重要自然灾害之一。基于已有研究成果,从电线积冰相关概念与分类出发,对电线积冰的影响与危害、时空分布、成因、影响因子、预报模型、风险评估以及预防措施等方面进行归纳。我国电线积冰灾害以雾凇型积冰和雨凇型积冰为主,主要环境成因包括准静止锋、大气垂直结构和逆温层,同时还受到地形、高度和导线自身特性等的影响。电线积冰灾害总体上呈现北方多雾凇而南方多雨凇的分布特征,20世纪80—90年代的积冰日数较多,90年代后呈下降趋势。为更好地实现电线积冰灾害的模拟与预测,预报模型也在不断完善,包括物理数值模型和统计预测模型;而对于电线积冰灾害风险评估的研究较少,主要集中在电线积冰灾害的危险性和线路的脆弱性。基于多学科指标构建的电线积冰综合性指标、基于灾变过程的综合风险评估及气候变化对电线积冰的影响将是今后重点研究方向。     

江西省电线积冰特征及温度层结分析

利用1970—2010年江西省16个气象站电线积冰监测资料和对应时段周边探空数据,将江西省分为赣北、赣中、赣南,分区合成分析江西省电线积冰特征和温度层结特征,主要结论如下:(1)江西省电线积冰日数逐年减少,90年代以后维持较低水平;(2)全省以雨凇型积冰为主,且赣北、赣中发生较为频繁;(3)赣北雨凇过后容易出现雾凇现象,造成持续电线积冰;(4)赣北、赣中雨凇型积冰温度层结符合"3层模型",融化层平均温度为1.5℃,800~900hPa为较强逆温层;赣南则类似于"1层模型",温度层结存在变化,但整层维持在0℃以下。     

陕西省电线积冰区划

采用华山气象站1980—2007年的电线积冰观测资料和陕西省95个气象观测站资料,分析了电线积冰厚度与常规气象资料的相关性,并据此推算出各地距地面10m高度上历年标准的电线积冰厚度,用极值Ⅰ型推断30和50年一遇的最大积冰厚度。结合陕西省电力设计院设计经验、陕西省电网运行现状及历史电网冰灾事故调查情况,对陕西省电网冰区进行了初步划分。结果表明:最大积冰厚度与年雾凇日数、年雨凇日数有较好相关性;将全省分为6个积冰区,并分别绘制出全省不同区域30和50年一遇的1:500000积冰分布图。该结果已作为陕西省电力建设中电线积冰厚度设计的重要依据。     

2008年低温冰冻雨雪灾害天气过程中贵州电线积冰气象条件分析

利用气象电线积冰观测资料、探空观测数据、自动站资料以及NCEP再分析资料,分析2008年低温冰冻雨雪灾害天气过程中贵州电线积冰的分布特点,讨论了贵州电线积冰的气象条件,并对电线积冰的融冰条件进行了讨论.分析认为此次低温冰冻雨雪灾害天气过程中,贵州电线积冰严重,积冰范围广、时间长,相对而言贵州中东部地区积冰较厚;贵州电线...     

北疆电线积冰的分布及区划

利用北疆8个气象站1986—2015年电线积冰观测资料对北疆电线积冰的时空分布及区划作了初步分析。分别采用极值I型和皮尔逊III型概率分布函数,推算了不同重现期的积冰厚度并进行了检验对比,根据最大积冰厚度重现水平,对北疆积冰进行了区划。结果表明:电线积冰大多发生在冬半年,1和12月出现频率最高;电线积冰出现最多的地区是福海,最少的是塔城;平均标准冰厚最厚地区为昭苏;精河30 a、50 a一遇的设计冰厚在中冰区,其他各站点30、50 a一遇的设计冰厚都在重冰区,100 a一遇所有站点都在重冰区。     

江西省积冰特征分析及重冰区不同重现期最大标准冰厚推算

用江西境内85个国家气象站近30年雨凇、雾凇观测记录分析了江西省积冰日的年际、年代际变化及分布特点。结果表明江西地区的积冰天气事件近30年来总体呈现发生频次减少,强度增强的特征;高山气象站的积冰事件的发生频率显著高于平原、丘陵气象站。积冰高发区主要分布在西、北山区及中部环鄱阳湖及抚河流域以南。另外,充分考虑2011年前后气象部门观测导线线径的变化,利用建站至今16个观冰站电线积冰数据对全省范围的最大电线积冰最大标准厚度进行了推算,结果更符合电力行业对电线积冰工程气象数据的需求。结果表明,除赣北山区外,全省大部分地区2 m高度电线积冰最大标准冰厚度小于20 mm,“轻冰区”范围较多。应重点关注高海拔山区的电线积冰的致灾状况并加以预防。针对该区域架空输电线路电线积冰设计的实际需要,采用极值I型概率分布函数结合高山站-庐山站的观测数据进行了推算,20 m高度百年一遇的最大标准冰厚达到71.1 mm,在计算不同走向的导线设计冰厚时迎风向与非迎风向的比例系数推荐设定为1.2,该结果可为现阶段江西“重冰区”电力工程项目规划设计中预防冰灾提供有力支持,为有效节省项目建设成本和科学预防气象灾害之间寻求平衡点提供气象保障。     

华家岭2008年电线积冰的变化特征与气象条件分析

利用华家岭气象站不同高度、不同方向、不同导线直径的电线积冰观测资料,分析了电线积冰在不同高度、不同方向、不同导线的变化特征,以及与气温、水汽压、风速等气象要素的关系。分析表明,电线积冰量随高度增加而增加,随电线直径增大而增大;在相同高度、相同导线上,不同方向的积冰量与风向有关。电线积冰量与水汽压、风速分别呈正相关和反相关。在一定阈值内,电线积冰量和气温存在较好的相关性。     

河北省电线积冰的气候特征及一次电线积冰天气过程分析

利用河北省1980-2009年20个气象站的电线积冰观测资料,分析了河北省电线积冰的时空分布特征和不同方位电线积冰的特征。结果表明：河北省电线积冰平原多于山区;年际变化较大,呈减少的趋势;季节变化十分明显,1月份电线积冰日数最多;东西方向和南北方向的电线积冰在最大重量上有一定差别。利用常规观测资料、1°×1°间隔6h的NCEP资料和2010年1月1910日黄骅气象站逐时风向风速资料,对一次引起线路舞动的电线积冰天气过程进行了分析。结果表明：这次电线积冰是在地面冷空气与500hPa、700hPa低槽共同影响下由雨凇形成的。20日受冷空气影响,黄骅地面气温快速降至0℃附近,而850hPa温度由零上逐渐转为零下,在对流层低层有逆温层,气温的垂直结构有利于形成雨凇;发生舞动的线路走向与风向夹角较大;舞动发生在较大风速出现之后。     

一次电线积冰个例的数据处理及关联度分析

利用在四川省阿坝、甘孜和雅安布置的3个称重式电线积冰自动观测站2017年2月4—5日观测资料讨论该装置观测数据处理方法并分析所观测气象要素与数据的关联度。结果表明:基于T值的小波滤波方法具有良好的滤波效果,经过小波滤波后原始数据中的干扰量得到了有效抑制和消除,保留了数据变化的特征信息。通过灰色综合关联度分析,气象要素与电线积冰称重数据的关联度大小依次为温度、气压和风速,关联度在0.516~0.632之间;综合风向玫瑰图分析发现,迎风向导线积冰的增长大于顺风向。