1 引言

输电线路舞动是由于导线表面覆冰后气动参数改变, 在风激励(风扰动作用)下引起的大幅度低频率自激振动(郭应龙等, 2003)。输电线路舞动会对杆塔、导线、金具及部件造成损害, 从而导致线路跳闸和停电, 对输电线路的安全运行带来很大隐患(Gupta et al, 1994)。舞动事故的发生除引起线路电气绝缘击穿引起跳闸外, 还可能引起倒塔、断线、横担受损等事故, 给输电线路的安全运行造成威胁(王丙兰等, 2017)。

由于输电线路舞动给电网运行带来极大影响, 近年来相关学者在舞动成因方面做了大量工作。有学者从输电线路结构与参数的角度进行相关探讨, 并指出采用四分裂导线甚至多分裂导线较单导线更易发生舞动(王少华等, 2005;傅观君等, 2013)。有从海拔、坡度、坡向等地形角度对导致输电线路舞动的因素进行分析, 指出地形等因素主要是通过影响风速、风向及覆冰情况来影响舞动的发生(王守礼, 1994;谢运华, 1997;黄俊杰等, 2015)。有研究从降水、气温、相对湿度、风速等方面分析影响输电线路舞动的气象条件(陶保震等, 2010;顾光芹等, 2012;高正旭等, 2016)。影响输电线路舞动的因素主要是输电线路结构与参数、下垫面环境条件及气象条件, 对于特定输电线路及环境条件, 气象条件是造成输电线路舞动最直接的诱因, 其中风力和气象条件造成输电线路覆冰是两个最主要影响因素(王守礼, 1994;谢运华, 1997)。

2018年1月24—27日, 安徽省沿长江地区20多条220 kV及以上输电线路长时间舞动, 舞动时间最长达40 h, 振幅最大达到5 m, 共造成220 kV及以上线路跳闸11条, 紧急避险拉停2条, 其中±500 kV线路跳闸2条, 500 kV线路跳闸4条, 拉停1条, 220 kV线路跳闸5条, 拉停1条, 输电设备出现不同程度受损。本研究在对25—26日输电线路覆冰及风特征分析的基础上, 从环流形势等方面探讨导致此次舞动的天气成因。

2 资料选取

所用资料包括: (1)国网安徽省电力有限公司电力科学研究院提供的安徽省2018年1月23—27日输电线路出现舞动数据, 包括舞动出现经纬度、海拔及舞动起止时间等。(2)安徽省气象信息中心提供的2018年1月23—27日1983个站(包括81个国家站和1902个区域自动站)逐5 min风速、风向数据; 59个气象观冰站电线覆冰观测数据; 安庆站逐12 h温度、露点温度、风向、风速、气压及位势高度探空数据。(3)ERA-Interim再分析资料在气温和风场等方面能够较客观的反映真实情况(曹杨等, 2017;敖雪等, 2018), 在相关研究中得到广泛应用(杨朝虹等, 2018;程译萱等, 2018), 利用ERA-Interim全球范围每日4次再分析温度、位势高度、U、V风场等资料, 水平分辨率为0.125°×0.125°, 垂直层次用到地面、925 hPa和700 hPa共3层(Dee et al, 2011)。(4)美国地质调查局地球资源观测卫星数据中心提供的空间分辨率为30″安徽省及周边区域内数字高程模型海拔数据(http://eros.usgs.gov/elevation-products)。(5)地图数据均取自国家测绘局提供给中国气象局的海岸线、中国国界以及行政区划数据。

3 输电线路舞动及地面天气实况 3.1 输电线路舞动情况

2018年1月24—27日, 安徽省沿长江一带共有20多条220 kV及以上输电线路出现舞动, 其中25—26日舞动最为集中。从舞动出现位置(图 1)可以看出, 此次舞动主要位于沿长江及跨江线路上, 舞动区域多处于大别山区和皖南山区之间的峡谷地区。从巡检人员反馈舞动线路所处地形上看, 多数舞动区域为平坦农田和低矮丘陵。根据线路走向和舞动集中程度将舞动主要集中区分为4个区域。4个区域内线路走向与长江总体的走向夹角较大, 尤其是第2、3、4区域内的线路走向近乎与长江走向相垂直。

在4个区域内分别选取1个最近的国家级地面气象台站(图 1中4个空心小方框)用于分析舞动地点地面气象要素(1:太湖站, 2:枞阳站, 3:铜陵站, 4:青阳站)。在4个区域附近选取1个探空气象站(安庆站, 图 1中实心小方框), 用于分析高空气象要素。

3.2 舞动发生期间覆冰及气象要素分析

根据舞动现场的观测情况, 此次舞动除第3区域的线路外, 其余3个区域均观测到不同程度的电线覆冰。从安徽省2018年1月逐日降水量分布(图略)可以看到, 24—28日安徽省南部出现不同程度的降水, 其中25日降水最为明显。此次舞动主要集中在25—26日, 期间安徽省南部累计降雨量普遍在10 mm以上(图 2), 沿江中西部站点观测到不同程度的电线覆冰, 覆冰强度最大为太湖站, 厚度达到12.3 mm。

风速和风向与导线夹角大小对电线起舞起着至关重要的作用(Novak, 1973;徐中年, 1995;王少华等, 2005)。图 3给出了安徽省1月25—26日极大风速和极大风速风向(由于安徽省全部站点较多, 只有81个国家站点同时给出了极大风速和风向, 阴影部分为利用全部站点的极大风速)。从图 3中可以看出, 安徽省山区风速相对较小, 且风向空间差异明显, 极大风速大于10 m·s^-1的区域主要位于沿江地区, 且风向为较一致东北风, 与长江河谷走向相平行。此次输电线路舞动地区均位于极大风速相对大值区, 同时极大风速风向与舞动线路夹角普遍大于45°, 较大的夹角有利于舞动出现(王少华等, 2005)。

为进一步分析出现舞动区域的风速、风向, 图 4分别给出了4个区域内气象观测站24—27日逐时极大风速和极大风速风向与导线夹角的变化(太湖、枞阳、铜陵和青阳站分别对应第1、2、3、4处舞动区域)。从图 4(a)中可以看出, 27日之前各站点维持相对较高的极大风速, 其中太湖站极大风速明显高于其他各站, 约为15 m·s^-1, 其他3站相差不大, 约10 m·s^-1。从27日开始各站风速明显减弱, 均在7 m·s^-1左右。需要说明的是, 由于低温冰冻, 太湖站和枞阳站在25日00:00(北京时, 下同)前后风速仪被冻结, 导致极大风速数据缺测。通过查询观测资料发现, 缺测时刻两站已经出现电线覆冰。

从图 4(b)中可以看出, 在27日之前, 除枞阳站外, 其他3处极大风速风向与舞动线路夹角普遍45°以上, 其中第4处(对应青阳站), 舞动导线与极大风速风向夹角最大, 普遍在70°以上, 27日以后夹角明显减小, 大部分时刻处于60°以下。此次舞动主要集中的25—26日, 4处舞动区域极大风速较大, 且其中3处导线与极大风速夹角主要维持在45°以上, 有利于舞动的发生。

4 舞动发生天气成因分析

覆冰与大风是导致舞动发生的重要原因(黄俊杰等, 2015), 此次安徽省沿江地区输电线路舞动期间, 舞动线路附近出现大范围的覆冰, 同时风速也较其他地区明显偏大, 其天气成因值得进一步分析。

4.1 舞动发生前后覆冰形成原因

电线出现覆冰主要是由冻雨导致的, 过冷水滴遇到低于0 ℃的线路便会在其表面形成覆冰(Waugh et al, 2018)。虽然近几十年我国大部地区电线覆冰日数呈减少趋势, 但极端结冰事件仍然很多(余予等, 2018)。一般认为冻雨形成主要有“过冷暖雨”和“融化过程”两种机制(Huffman et al, 1988; Rauber et al, 2000), 接下来分析此次覆冰过程的具体形成机理。从安庆站风场时间高度剖面[图 5(a)]中可以看到, 850 hPa及以下安庆站以偏东气流为主, 925 hPa向下偏北分量明显加强, 风速最大值位于925 hPa附近, 25—26日风速多处在14~18 m·s^-1, 风向以偏东风为主。在偏东风作用下, 925 hPa为对流层低层温度最低的层次。700 hPa及以上均在偏西气流控制下。温度的垂直分布直接影响降水的具体相态(张俊兰等, 2017)。700 hPa高度上, 除26日08:00外, 其他时次均为西南气流, 受其影响, 700 hPa为暖层, 最高温度大于-2 ℃。700 hPa向上气温随高度的升高而迅速降低, -10 ℃等温线位于550 hPa附近。利用探空数据中气压、温度和露点计算得到各等压面上相对湿度和比湿(丁一汇, 1989)。在比湿和相对湿度的时间高度剖面图[图 5(b)], 相对湿度大于80 %的区域基本位于-10 ℃等温线以下, 925 hPa为比湿相对低值区(25—26日比湿普遍 < 3 g·kg^-1), 而700 hPa高度附近比湿为整层最大。通过对比风和温度分布可以发现, 925 hPa东北气流为低温低水汽含量气流, 700 hPa西南气流为高能高湿气流, 两层气流的配合为安庆上空温度层结的维持和水汽配置起到至关重要的作用。在此次降水过程中水汽基本在-10~0 ℃, 处于过冷却状态, 属于典型的“过冷暖雨”。

由上述分析可见, 此次电线覆冰过程受700 hPa和925 hPa高度上的环流影响明显, 两层的环流形势很大程度上决定了对流层中低层温度层结和湿度垂直分布, 下面就这两层的环流形势进行分析。图 6给出了2018年1月25日14:00和26日14:00 700 hPa位势高度场、风场、温度场和温度平流分布。从图 6中可以看出, 两时刻的风场上, 中国东北、华北地区在东北气流控制之下, 其南边缘位于安徽以北地区。在低纬地区, 孟加拉湾以北南支槽稳定维持, 槽前西南气流影响安徽大部地区, 南北两支气流交汇于安徽北部, 位于此次降水的北边界。受南支槽前西南气流影响, 安徽省大部在700 hPa上处于暖温度平流的控制之下, 安徽南部气温维持在-3~0 ℃, 无融化层, 符合过冷暖雨的温度层结特征, 与安庆站探空数据吻合。

在925 hPa上, 2018年1月25—26日中国大陆大部在冷高压控制之下(图 7), 东北气流影响安徽大部地区。除为安徽地区带来东北大风外, 东北气流还带来了冷温度平流, 尤其是在安徽南部地区, 强度超过-8×10^-5 K·m·s^-1。在冷温度平流作用下, 安徽地区925 hPa气温持续下降, 从25日14:00至26日14:00气温下降3 ℃左右, 此次冻雨出现区域内, 气温由-6~-3 ℃下降到-9~-6 ℃。在冷温度平流的作用下, 落入对流层低层的液态水始终处在过冷却状态, 为冻雨的形成提供条件。

综上分析, 此次输电线路舞动发生过程中, 云内气温基本处在-9~0 ℃之间, 云中的液态水始终处于过冷却状态, 且整层大气无融化层的出现, 此次冻雨属于典型的“过冷暖雨”, 700 hPa南支槽前的西南气流为此次冻雨输送水汽的同时带来了暖温度平流, 维持了暖层的存在。925 hPa大陆冷高压下东北气流带来的冷温度平流使近地面层液态水处于过冷却状态, 为冻雨的形成提供条件。

4.2 舞动发生前后大风形成原因

风速大是此次舞动过程重要特征之一, 通过安庆站风速、风向时间高度分布[见图 3(a)]可以看到, 对流层低层均在东北气流控制之下, 其中925 hPa高度上风速最大。图 8给出了冻雨发生前后925 hPa平均位势高度、温度和风场的空间分布。

从图 8中可以看出, 此次降水过程的锋面位于25°N附近, 这主要是因为受到地形的阻挡作用(段旭等, 2018)。从各时次锋面位置的分布上看(图略), 此次过程锋面位置稳定少动。舞动发生前, 锋面后侧的冷空气开始产生堆积, 气温持续下降, 在华北地区形成低温中心, 高压增强。在舞动发生期间, 安徽南部的气压梯度达到最大, 平均风速大于6 m·s^-1的区域最广。到27—28日, 安徽南部地区的温度梯度和气压梯度明显减弱, 平均风速也明显减小。可见, 舞动期间925 hPa华北地区高压东南部气压梯度增大是导致安徽沿江地区东北风增强并维持的重要原因。

5 讨论

王传辉等(2015)在对安徽省风的气候特征分析时指出, 大别山区和皖南山区之间的沿江河口由于地形的影响, 为安徽省平均风速的大值区, 此次舞动发生在气候大风区域内。就此次过程而言, 从25—26日地面风场上(见图 3)可以看出, 安徽省境内风速大值主要出现在沿江河谷地区。

此次舞动发生的长江西段处在大别山区和皖南山区之间峡谷地带, 该地带呈现东北西南走向, 与这次风向一致, 地形的峡谷效应可能在此次大风过程起到重要作用。河谷地形可起到增加风速的作用, 且下垫面越光滑, 对风速增大作用越明显(盛春岩等, 2014)。此次舞动过程中风速大值区域位于大风进入长江河谷入口相对平坦的地区(见图 3)。地形对山区河谷风场分布影响呈现出河谷地形越明显, 河谷风场的“峡谷效应”越明显的特点(洪新民等, 2017)。本研究定性讨论了河谷地形在此次大风过程中可能起到的作用, 河谷地形作用对于风速增强的定量分析还有待进一步研究。

6 结论

本研究对2018年1月25—26日发生在安徽南部沿江地区输电线路舞动的气象要素进行分析, 并对导致覆冰和大风的天气形势进行探讨, 得到以下主要结论:

(1) 发生舞动的地区普遍观测到冻雨天气, 导致输电线路出现不同程度的电线覆冰。舞动位置出现较强的东北风, 极大风速风向与舞动线路夹角普遍在45°以上, 冻雨和大风是导致此次输电线路舞动的直接因素。

(2) 导致此次舞动线路覆冰的冻雨属于典型的“过冷暖雨”。700 hPa南支槽前的西南气流为此次冻雨发生输送水汽的同时带来了暖温度平流, 维持了暖层的存在。925 hPa在大陆冷高压作用下东北气流带来的冷温度平流使近地面空气中液态水处于过冷却状态, 有利于冻雨的发生。

(3) 在此次输电线路舞动期间, 准静止锋锋面后侧冷空气在华北上空堆积致使冷高压加强, 是导致安徽省沿江地区较强东北风形成的主要因素。

致谢: 本文得到安徽省气象台叶金印研究员的悉心指导, 谨致谢意。