霍治國 李春暉 孔 瑞3) 毛紅丹 江夢(mèng)圓 宋艷玲

1)(中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081) 2)(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044) 3)(中國地質(zhì)大學(xué)，武漢 430074)

引 言

電力是現(xiàn)代社會(huì)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的神經(jīng)中樞和動(dòng)力之源，對(duì)于社會(huì)的正常生產(chǎn)及民眾的日常生活極為重要。近代大量溫室氣體排放，溫室效應(yīng)增強(qiáng)，全球氣候變暖[1]；據(jù)IPCC第5次評(píng)估科學(xué)基礎(chǔ)報(bào)告，1880—2012年全球地表平均溫度大約升高了0.85℃[2]。中國季風(fēng)氣候顯著,氣候復(fù)雜多樣，環(huán)境變化速率大，季節(jié)、年際和區(qū)域差異大，氣象災(zāi)害頻發(fā)[3-4]。近年我國的氣溫和降水發(fā)生了明顯變化，我國氣候變暖趨勢(shì)與全球一致；極端天氣氣候事件不斷增多與增強(qiáng) ，給人類生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來嚴(yán)重的影響[3,5-6]。電線積冰是一種自然災(zāi)害，由于輸電線路長期暴露在野外，所處地理環(huán)境復(fù)雜，且在全球變暖的背景下，極端天氣氣候事件造成的自然災(zāi)害的強(qiáng)度和頻率在增加，電線積冰嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定[7-9]。超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的電線積冰可能導(dǎo)致輸電線路倒塔斷線、導(dǎo)線舞動(dòng)、開關(guān)設(shè)備故障、設(shè)備外絕緣放電、大面積停電斷水等冰災(zāi)事故；積冰融化脫落時(shí)易產(chǎn)生閃絡(luò)、絕緣子損壞[10-11]，對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成極大影響，同時(shí)也給社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來一定沖擊。1932年美國首次出現(xiàn)有記錄的架空電線覆冰事故[12]。1998年1月加拿大魁北克遭遇暴冰事故，900 km的輸電線路被破壞，1000多基線塔倒塌[13]。國內(nèi)也發(fā)生過嚴(yán)重的冰雪災(zāi)害，1980年10月25—26日黑龍江佳木斯電網(wǎng)遭受了50年一遇的雪災(zāi)，最大覆雪64～70 mm[14]；1984年1月17—20日華東電網(wǎng)遭受嚴(yán)重雪災(zāi)，全網(wǎng)220 kV主網(wǎng)線路共有16條跳閘，110 kV線路有62條跳閘，眾多地區(qū)供電受到影響[15]；2008年1月10日—2月26日我國南方地區(qū)出現(xiàn)50年一遇的大范圍持續(xù)低溫雨雪冰凍天氣，其中貴州、湖南等地屬百年一遇，據(jù)統(tǒng)計(jì)，1億多人口受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失超過1516.5多億元[16]。

除此之外，日本、芬蘭、俄羅斯、冰島等世界其他地區(qū)也曾發(fā)生過嚴(yán)重冰雪災(zāi)害。

20世紀(jì)50年代開始，國外學(xué)者開始電線積冰的相關(guān)研究，最早建立了Imai模型、Lenhard模型等經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，后又提出預(yù)測(cè)效果較好的Jones模型和Makkonen模型等，建立了氣象要素與積冰的關(guān)系[17-18],結(jié)合不同方法對(duì)電線積冰進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)[19-21]。而國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，于1964年底在四川會(huì)東縣白龍山建立了第1個(gè)電線積冰觀測(cè)站。在21世紀(jì)前，對(duì)電線積冰的研究相對(duì)較少，主要集中于積冰與其影響因子定性和定量關(guān)系[22-24]；21世紀(jì)以來，相關(guān)研究不斷發(fā)展，多集中于積冰特征[25-26]、與氣象條件關(guān)系[16,26-28]、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型[29-31]、天氣形勢(shì)場分析[32-33]、微物理機(jī)制[34-35]以及高壓輸電線積冰研究[36]等方面，還有很多學(xué)者詳細(xì)探討了單一冰凍雨雪天氣過程[37-38]。

本文綜合多方面研究成果，對(duì)中國電線積冰災(zāi)害的概念與分類、影響與危害、時(shí)空分布、成因、影響因子、預(yù)報(bào)模型、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及預(yù)防措施等方面進(jìn)行梳理，以期為電線積冰災(zāi)害深入研究提供參考。

1 概念與分類

1.1 概 念

電線積冰是一種分布廣泛的自然現(xiàn)象?！兜孛鏆庀笥^測(cè)規(guī)范》[39]規(guī)定，電線積冰是雨凇、霧凇凝附在導(dǎo)線上或濕雪凍結(jié)在導(dǎo)線上的現(xiàn)象，電力、通訊部門稱之為電線覆冰。積冰直徑(單位：mm)是導(dǎo)線橫截面上電線積冰冰層表面上最遠(yuǎn)兩點(diǎn)的距離，導(dǎo)線直徑包括在內(nèi)，取整數(shù)。積冰厚度(單位：mm)是導(dǎo)線橫截面上垂直于積冰直徑方向上冰層表面上最遠(yuǎn)兩點(diǎn)的距離，厚度一般小于直徑，最多與直徑相等，取整數(shù)。積冰重量(單位：g·m-1)是單位長度導(dǎo)線上電線積冰冰層的重量，取整數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)冰厚是指均勻裹在導(dǎo)線上密度為0.9 g·cm-3的冰層的厚度，計(jì)算公式見式(1)[40]：

(1)

式(1)中，B0為標(biāo)準(zhǔn)冰厚(單位：mm)，W為積冰質(zhì)量(單位：g)，L為導(dǎo)線長度(單位：m)，r為導(dǎo)線半徑(單位：mm)。

從積冰架上的導(dǎo)線開始形成積冰起，至積冰消失止，稱為一次積冰過程。整個(gè)積冰過程一般可分為4個(gè)階段：形成、生長、維持和脫落[41]。電線積冰觀測(cè)須視機(jī)測(cè)定每次積冰過程的最大直徑和厚度，分方向記錄。

1.2 分 類

電線積冰分類方式包括基于表觀特性、形成過程、冰在導(dǎo)線表面的增長過程和冰在導(dǎo)線上的橫截面形狀等。基于形成過程將電線積冰分為降水積冰、云中積冰和凝華積冰，其中降水積冰多產(chǎn)生雨凇，云中積冰多產(chǎn)生霧凇，而凝華積冰則產(chǎn)生晶狀霧凇[42]。基于冰在導(dǎo)線表面的增長過程可將電線積冰分為干增長和濕增長，霧凇和干雪是干增長，雨凇和濕雪是濕增長，混合凇介于二者之間[43]。基于冰在導(dǎo)線上的橫截面形狀可將電線積冰分為圓形或橢圓形積冰、翼型積冰和新月型積冰，以及各種不規(guī)則形狀[44]?；诒碛^特性的分類方式最常見，主要分為雨凇、霧凇、凍結(jié)雪和混合凇，我國以霧凇型積冰和雨凇型積冰為主。

1.2.1 雨 凇

雨凇是過冷卻雨滴碰到溫度較低的地面物體后，直接凍結(jié)而成的堅(jiān)硬冰層，密度為0.5～0.9 g·cm-3，通常氣溫為-5～-1℃，有降雨的條件下，多在冷暖空氣交鋒且暖空氣勢(shì)力較強(qiáng)的情況下發(fā)生。雨凇主要發(fā)生在隆冬季節(jié)，多出現(xiàn)在我國南方地區(qū)，其中又以山地、湖區(qū)最為常見。雨凇型積冰的形成過程是過冷卻水滴進(jìn)入氣溫在0℃以下的氣層，與低溫狀態(tài)下的導(dǎo)線接觸，過冷卻水滴在導(dǎo)線表面發(fā)生相變，形成透明或半透明的冰層[37]。由雨凇形成的電線積冰強(qiáng)度大、冰層密實(shí)、不易脫落，對(duì)電網(wǎng)的威脅最大。根據(jù)電線積冰氣象風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[40]，中國雨凇型區(qū)包括湖北、重慶、江西、湖南、貴州、云南、廣西和廣東。

1.2.2 霧 凇

霧凇是空氣中的水汽直接凝華或過冷卻霧滴直接凍結(jié)在物體上形成的乳白色冰晶物，密度約為0.1～0.3 g·cm-3，通常在氣溫小于-5℃、濕度大或出現(xiàn)輕霧、霧時(shí)形成。霧凇多出現(xiàn)在我國北方地區(qū)，高山、林區(qū)尤為常見。霧凇是一種結(jié)構(gòu)松散的白色凍結(jié)物，易脫落。基于霧凇的結(jié)構(gòu)和形成條件，可將霧凇分為粒狀霧凇和晶狀霧凇。

粒狀霧凇通常在氣溫為-8～-2℃、有霧和風(fēng)的條件下，過冷卻霧滴迅速凍結(jié)在物體表面形成，呈半透明毛玻璃狀，密度一般為0.3～0.6 g·cm-3，由冰粒組成，當(dāng)它在導(dǎo)線上凝附過多時(shí)可使導(dǎo)線墜斷。晶狀霧凇大部分出現(xiàn)在氣溫低于-15℃、有霧、無風(fēng)或弱風(fēng)條件下，由冰晶組成，一般呈乳白色松脆粒狀，密度較小，由水汽凝華形成，因其形如絨毛，受震動(dòng)易脫落，不易造成災(zāi)害。過冷卻水比較充足一般形成晶狀霧凇，反之形成粒狀霧凇[45]。中國霧凇型區(qū)包括黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、河北、北京、天津、山西、陜西、寧夏、甘肅、新疆、青海、四川、山東、江蘇、上海和安徽[40]。

1.2.3 凍結(jié)雪

凍結(jié)雪是由自然降雪粘附在導(dǎo)線上形成的覆冰，凍結(jié)雪的密度小，通常在氣溫為0℃左右、降濕雪時(shí)形成。凍結(jié)雪結(jié)構(gòu)松散，易破碎，危害較小，且該情況較少見，故對(duì)凍結(jié)雪的專門研究較少，但嚴(yán)重的凍結(jié)雪也會(huì)壓斷導(dǎo)線，損壞林木。

1.2.4 混合凇

混合凇則是雨凇和霧凇混合凍結(jié)形成的不透明或半透明覆冰，密度介于雨凇和霧凇之間，堅(jiān)硬且粘附力強(qiáng)。在濕度大的地區(qū)，一般先出現(xiàn)霧凇，再出現(xiàn)雨凇，隨著霧凇、雨凇的產(chǎn)生，導(dǎo)線增加了捕獲大氣中懸浮過冷卻霧滴和水滴的面積，導(dǎo)線上堆積的冰不斷增加，冰將導(dǎo)線包裹起來，在風(fēng)和一定溫濕條件下如果不融化脫落，就形成混合凇。中國混合凇型區(qū)包括河南、浙江和福建[40]。

2 影響與危害

2.1 線路過負(fù)載事故

過負(fù)載事故是指線路實(shí)際覆冰超過設(shè)計(jì)抗冰厚度，線路覆冰質(zhì)量增加，覆冰后風(fēng)壓面積增加，造成機(jī)械和電氣方面事故[46]。當(dāng)線路上積冰達(dá)到一定體積和重量時(shí)，導(dǎo)線的弧垂增大，與地面的距離縮小，可能發(fā)生閃絡(luò)事故。覆冰重量如繼續(xù)增大，可導(dǎo)致線路拉斷、導(dǎo)線從壓接管內(nèi)抽出，或桿塔基礎(chǔ)下沉、傾斜或爆裂，造成塔身傾斜或倒桿[47]。

2.2 相鄰不均勻覆冰或不同期脫冰事故

當(dāng)相鄰的兩根輸電線覆冰重量相差較大時(shí)，或不同期出現(xiàn)覆冰，或不同期脫冰都會(huì)造成桿塔兩端受力不平衡，產(chǎn)生張力差，致使導(dǎo)線滑動(dòng)，甚至導(dǎo)致鋼芯抽動(dòng)。當(dāng)相鄰輸電線張力差較大時(shí)，桿塔承受能力變差，懸垂絕緣子的偏移量增大，導(dǎo)致絕緣子易出現(xiàn)損壞或破裂，也可能導(dǎo)致桿塔倒塌，或橫擔(dān)折斷、向上翹起，并發(fā)生扭轉(zhuǎn)[47-48]。

2.3 絕緣子串冰閃事故

絕緣子嚴(yán)重覆冰后，大量傘形冰凌橋接，在縮短泄漏距離的同時(shí)也降低了絕緣強(qiáng)度。積冰融化時(shí)，冰體表面的水膜溶解大氣中的污穢顆粒，提高融化冰水導(dǎo)電率，絕緣子表面電壓分布出現(xiàn)畸變，使絕緣子串的閃絡(luò)電壓下降，局部表面電阻降低，可能造成冰閃事故。閃絡(luò)過程中持續(xù)電弧燒傷絕緣子，降低了絕緣子的絕緣強(qiáng)度[47]。

2.4 覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)事故

輸電線路不僅要承受自重、覆冰等靜態(tài)荷載，還要承受風(fēng)力所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)荷載[49]。輸電導(dǎo)線覆冰不均勻時(shí)，形成的截面不對(duì)稱，有風(fēng)存在時(shí)導(dǎo)線受力不均，會(huì)發(fā)生低頻馳振，導(dǎo)線脫冰時(shí)也會(huì)發(fā)生舞動(dòng)。導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)機(jī)械振動(dòng)能量很大，可能引起桿塔、導(dǎo)線、金具及部件的損壞，造成頻繁跳閘甚至停電事故，嚴(yán)重威脅輸電線路的正常運(yùn)行[50-51]。

3 時(shí)空分布

3.1 時(shí)間分布

電線積冰災(zāi)害主要發(fā)生在冬季，春、秋季偶有發(fā)生。我國電線積冰災(zāi)害從10月開始，發(fā)生時(shí)間由北向南逐漸推遲；次年4月終止，終止時(shí)間由南向北逐漸推遲，其中12月、1月和2月出現(xiàn)日數(shù)較多。在全球氣候變暖背景下，電線積冰災(zāi)害的年代際變化與溫度變化呈負(fù)相關(guān)。1950—2015年我國氣溫的增幅超過0.25℃·(10 a)-1[52]，其中1987年以前為冷期，之后為暖期，1990—2009年氣溫增幅為0.45℃·(10 a)-1[53]。我國的電線積冰災(zāi)害大體上是20世紀(jì)80—90年代積冰日數(shù)較多，而90年代之后呈下降趨勢(shì)。

東北三省從20世紀(jì)80年代起電線積冰日數(shù)呈下降趨勢(shì)，80年代出現(xiàn)日數(shù)最多，且電線積冰主要出現(xiàn)在10月—次年4月的冬半年，霧凇日12月和1月出現(xiàn)日數(shù)最多，而雨凇日11月和3月出現(xiàn)日數(shù)最多[45,54-56]。河北20世紀(jì)80年代電線積冰日呈增加趨勢(shì)，1990年以后呈減少趨勢(shì)，電線積冰主要出現(xiàn)在11月—次年4月，其中12月和1月出現(xiàn)日數(shù)最多[25,57]。河南、新疆電線積冰均發(fā)生在冬半年，出現(xiàn)在11月—次年3月[10,58]。陜西1980—2005年積冰日呈明顯減少趨勢(shì)，主要出現(xiàn)在10月—次年5月[26]。

南方電線積冰發(fā)生起始時(shí)間一般晚于北方地區(qū)。湖北1980—2011年電線積冰日數(shù)經(jīng)歷了兩個(gè)頻發(fā)期和一個(gè)少發(fā)期，電線積冰主要出現(xiàn)在11月—次年3月，其中1月積冰日數(shù)占全年的51%[59-60]。江西1970—2010年電線積冰主要出現(xiàn)在11月—次年3月，其中1月和2月最多，雨凇型積冰和總電線積冰日數(shù)呈減少趨勢(shì)，在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)最頻繁；而霧凇型積冰在20世紀(jì)70年代到80年代中期出現(xiàn)較多，之后減少[61]。

3.2 空間分布

我國電線積冰災(zāi)害的空間分布不均勻，大體上北方地區(qū)多霧凇而南方地區(qū)多雨凇[62]。北方地區(qū)的電線積冰多發(fā)區(qū)較分散，主要分布在吉林中南部、河南東南部、新疆北部、山東西部、甘肅東南部等部分地區(qū)；同時(shí)，海拔較高地區(qū)以及鄰近江河湖泊的地區(qū)電線積冰災(zāi)害發(fā)生較頻繁。吉林1980—2012年的電線積冰總?cè)諗?shù)為0～319 d，空間分布極其不均勻，霧凇在中部和南部出現(xiàn)多，東西部少，在長白山天池的高海拔地區(qū)出現(xiàn)最多；雨凇日數(shù)在南部地區(qū)高于北部，很多地區(qū)沒有雨凇出現(xiàn)[45,54]。遼寧1980—2007年11個(gè)觀測(cè)站出現(xiàn)電線積冰總?cè)諗?shù)為8～101 d，年平均發(fā)生日數(shù)為0.3～3.6 d，其中遼東南、東北、遼東灣東北岸地區(qū)出現(xiàn)較多[56]。黑龍江1981—2012年霧凇在松嫩平原的齊齊哈爾中部、綏化中部以及三江平原東部出現(xiàn)最多，32個(gè)觀冰站電線積冰總?cè)諗?shù)為12241 d；而雨凇總?cè)諗?shù)348 d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于霧凇日數(shù)[55]。河北1980—2009年電線積冰總體呈低海拔地區(qū)多、高海拔地區(qū)少、平原和沿海多于山區(qū)的特點(diǎn)，20個(gè)站的霧凇總?cè)諗?shù)為1893 d，雨凇為140 d[25,57]。新疆電線積冰日數(shù)為北疆大于南疆，南疆大于平原，年平均出現(xiàn)積冰日數(shù)最多的站點(diǎn)為33.3 d，積冰日數(shù)最少的站點(diǎn)僅為1.1 d[58]。

南方地區(qū)的電線積冰多發(fā)區(qū)呈帶狀分布，包括湖北西部、江西北部、安徽北部、湖南南部、西南地區(qū)東部等地。湖北1980—2008年11個(gè)站共有269 d出現(xiàn)電線積冰，鐘祥等中部平原站、西南部的利川以及東南部的咸寧等地為湖北主要積冰區(qū)[59-60]。江西1970—2010年贛北和贛中電線積冰最頻繁，7個(gè)站分別為267 d和225 d，且雨凇最多，霧凇次之[61]。安徽1971—2000年海拔高的地區(qū)的雨凇、霧凇日遠(yuǎn)多于海拔低的地區(qū)，北部地區(qū)多于南部地區(qū)[63]。貴州1980—2010年平均積冰日數(shù)大體上呈現(xiàn)中部及西部多、東部及南北少的特征，在27°N附近的中部地勢(shì)較高地帶為積冰多發(fā)帶[64]。

4 成 因

4.1 大氣環(huán)流場

電線積冰通常形成于特定的大尺度環(huán)流背景下，一般與500 hPa，850 hPa和地面形勢(shì)場關(guān)系密切，積冰形成最重要的兩個(gè)條件是冷空氣和充足的水汽條件。積冰的持續(xù)時(shí)間受天氣系統(tǒng)移動(dòng)速度影響，當(dāng)系統(tǒng)移動(dòng)緩慢時(shí)，積冰持續(xù)時(shí)間較長。冬季西北太平洋副熱帶高壓位置的異常變動(dòng)也與電線積冰出現(xiàn)關(guān)系密切[65]。

不同地區(qū)出現(xiàn)電線積冰時(shí)環(huán)流場有一定差異。河南1951—1980年雨凇發(fā)生時(shí)500 hPa的環(huán)流形勢(shì)大致可分為環(huán)流平直型、兩槽一脊型和烏拉爾阻塞高壓型3種；且地面形勢(shì)場一般處在冷鋒或錮囚鋒后部，地面吹東北風(fēng)[10]。青海東部一次積冰過程表明在500 hPa高空?qǐng)D上歐亞環(huán)流形勢(shì)為兩槽一脊型，地面圖上冷空氣分兩股進(jìn)入青海東部并相遇，形成降水[66]。而在湖北，積冰日數(shù)偏多時(shí)海洋出現(xiàn)厄爾尼諾信號(hào)，偏少時(shí)海洋信號(hào)不明顯[59]；高空環(huán)流形勢(shì)主要有小槽發(fā)展型、橫槽型和低槽東移型3種[67]。其中，2008年和2009年兩次積冰過程屬于小槽發(fā)展型，500 hPa上湖北處于槽前西南氣流控制；850 hPa上水汽經(jīng)西太平洋、孟加拉灣和南海進(jìn)入我國南方地區(qū)，湖北受偏北氣流影響；地面形勢(shì)場上湖北一直處于冷鋒前[68-69]。福建1980—2007年雨凇和霧凇發(fā)生時(shí)受南下強(qiáng)冷空氣和西南暖濕氣流的影響，地面形勢(shì)場上處于地面冷高壓前緣[70]。四川二郎山1996—2001年電線積冰多發(fā)生在西風(fēng)帶為大槽大脊下，有較深厚的高原槽或高原橫切變線活動(dòng)，高原上500 hPa存在鋒區(qū)，低層有地面冷空氣回流[71]。云南和貴州電線積冰的成因之一是準(zhǔn)靜止鋒。云南滇東北2008年1—2月的電線積冰過程最重要的影響天氣系統(tǒng)是昆明準(zhǔn)靜止鋒[72]。貴州2008—2011年電線積冰資料顯示，低溫雨雪天氣下的大氣環(huán)流形勢(shì)通常呈西高東低、兩槽一脊分布，使冷空氣向東南移動(dòng)，西太平洋副熱帶高壓的西伸北移使西南暖濕氣流和冷空氣交匯[73]。其中貴州2008年的低溫雨雪冰凍天氣過程，中高緯度西風(fēng)帶呈Ω型阻塞形勢(shì)，副熱帶高壓位置偏西偏北，冷空氣南下，貴州準(zhǔn)靜止鋒長期維持，使得水汽通過鋒前的偏南氣流向北輸送[37,74]。

4.2 物理機(jī)制

朱乾根等[75]指出，中央氣象臺(tái)通過分析我國雨凇天氣剖面圖，提出雨凇出現(xiàn)的垂直結(jié)構(gòu)的三層模式，即存在冰晶層、暖層和冷層。冰晶層在500 hPa上溫度為-14～-10℃，在這層中水汽一般凝成冰晶或雪花。暖層也稱融化層，一般為2000～4000 m(700 hPa附近)，暖層內(nèi)有暖濕平流，冰晶或雪花落入該層后可融化為液態(tài)的水。冷層也稱過冷卻雨層，一般在2000 m以下(850 hPa以下)，從暖層中下降的液態(tài)雨滴落入冷層中下降到0℃以下，變?yōu)檫^冷卻雨滴，再繼續(xù)下降碰到地面上的物體后發(fā)生凍結(jié)。

除了三層模式，還有二層模式和一層模式。二層模式無冰晶層，是指在冷層上有一層暖層，云頂高度一般低于500 hPa，液態(tài)水成物在進(jìn)入冷層之后，由于離地面高度有限而只能轉(zhuǎn)化為過冷卻液態(tài)水成物，再下落到地面[37]。一層模式?jīng)]有冰晶層和融化層，是指600 hPa高度至地面的中低空的各層溫度均低于0℃，當(dāng)?shù)蛯佑心鏈貙哟嬖谇宜渥銜r(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)雨凇或霧凇[76]。

4.3 逆溫層

凍雨產(chǎn)生的典型天氣條件是中層逆溫以及有一層溫度高于0℃。在積冰過程中，通常上空存在逆溫層，逆溫層給積冰提供了良好的熱力條件；同時(shí)，逆溫層強(qiáng)弱以及持續(xù)時(shí)間也對(duì)積冰過程有影響。

2005年湖南電線積冰期間存在逆溫層，700 hPa為正溫度區(qū)，850 hPa為正負(fù)溫度交替層，925～1000 hPa為負(fù)溫度層[77]。1980—2004年貴陽出現(xiàn)的雨雪冰凍天氣850～700 hPa多有逆溫層出現(xiàn)，700 hPa附近存在較暖大氣層[78]。2008—2011年貴州電線積冰期間存在鋒面逆溫，逆溫層厚度為500～1000 m，逆溫層底較低，多在1500 m以內(nèi)，逆溫層抬高后積冰開始融化[37,73]。在2008年低溫雨雪冰凍天氣過程中，貴州[64]、二郎山[32]、江南大部以及華南北部[79]的近地面為冷層而中低空均存在逆溫層，相對(duì)濕度較大，有利于出現(xiàn)凍雨天氣并形成電線積冰。通過分析2010年河北黃驊和河南的一次凍雨過程發(fā)現(xiàn)，電線積冰發(fā)生時(shí)近地面均存在逆溫層，有利于固體冰晶融化后形成過冷卻水并結(jié)冰[25,80]。

電線積冰厚度和持續(xù)時(shí)間與逆溫層強(qiáng)度和出現(xiàn)頻次有關(guān)，積冰持續(xù)時(shí)間與逆溫強(qiáng)度呈正相關(guān)。2009—2013年湖北的實(shí)時(shí)電線積冰資料表明逆溫強(qiáng)度越大，積冰持續(xù)時(shí)間越長；逆溫層出現(xiàn)的頻次越大，冰厚越大[67]。2008年2月25—26日的電線積冰過程中，恩施上空800～900 hPa存在弱逆溫層；而2009年1月5—9日的電線積冰過程，恩施上空700～900 hPa間逆溫層較強(qiáng)，溫度較低，積冰過程的持續(xù)時(shí)間也更長[69]。根據(jù)江西1970—2010年雨凇型電線積冰的溫度層結(jié)變化，贛北和贛中在950～800 hPa有較厚的逆溫層，逆溫強(qiáng)度在積冰當(dāng)日最大，而贛南的逆溫層較弱，在積冰前一日達(dá)最大，贛南的積冰日數(shù)也較少[61]。

5 影響因子

影響電線積冰的因素很多，主要有氣象因素以及地形、海拔等其他因素，其中最主要的是氣象條件，電線積冰是在特定的溫度、濕度和風(fēng)的條件下形成的。同時(shí)，在不同地形和小氣候條件下，電線積冰的量級(jí)和性質(zhì)有明顯差異，應(yīng)考慮綜合因素的影響。

5.1 氣象因素

5.1.1 氣 溫

氣溫是影響冰厚的最重要因素之一，導(dǎo)致電線積冰災(zāi)害發(fā)生時(shí)的氣溫一般處于一個(gè)范圍內(nèi)，且各個(gè)地區(qū)的氣溫閾值不相同。一般來說，有電線積冰出現(xiàn)時(shí)日平均氣溫低于0℃，北方的氣溫比南方低，且出現(xiàn)霧凇的氣溫比出現(xiàn)雨凇的氣溫更低。當(dāng)氣溫高于0℃時(shí)積冰可能融化脫落，不同類型的積冰發(fā)生融冰的溫度范圍也不一樣，雨凇的融冰溫度最高，霧凇的融冰溫度范圍最大[81]。中國霧凇型區(qū)有可能出現(xiàn)電線積冰的日平均氣溫為-24～-3℃，雨凇型區(qū)為-10～-1℃，混合型區(qū)為-7～0℃，具體情況見表1[40]。吉林霧凇和雨凇出現(xiàn)時(shí)當(dāng)日平均氣溫分別為-37.4～6℃和-16.3～4.1℃，最低氣溫為-44.1～-0.6℃和-23.6～-0.2℃[54]。遼寧雨凇形成前日和當(dāng)日氣溫一般大于-5℃，而霧凇出現(xiàn)時(shí)均在-20℃以下[56]。我國南方電線積冰年極值最可能出現(xiàn)在日平均氣溫為-5～2℃，日最低氣溫為-6.5～0.5℃，日最高氣溫為-3.5～3℃，即日平均氣溫接近于0℃且高低溫相差不大有利于電線積冰[82]。根據(jù)貴州電線積冰期氣溫歷史資料，大部分地域氣溫為-5～0℃，且氣溫越偏高，積冰密度越大，冰不易脫落[83]。湖北高壓輸電線積冰過程氣溫為-3～-2℃，-2℃以下易形成較厚積冰，當(dāng)氣溫上升超過0℃時(shí)積冰脫落[68-69]。在2008年低溫雨雪冰凍天氣過程中，氣溫長時(shí)間維持在較低狀態(tài)，貴州大部分地區(qū)的日平均氣溫在0℃以下，在電線積冰的持續(xù)積累過程中低于-2℃[37,73]；安徽電線積冰期間氣溫維持在-3～0℃[63]。在2009年的冰凍天氣中，恩施雷達(dá)站電線積冰期的氣溫變化范圍為-6.0～0.8℃，比無積冰期下降了5.6℃[35]。

表1 電線積冰氣象條件指標(biāo)[40]Table 1 Meteorological index of wire icing(from Reference [40])

5.1.2 相對(duì)濕度

形成電線積冰的水汽多來自相對(duì)濕度較高空氣中的液態(tài)水。全國各地區(qū)出現(xiàn)電線積冰的相對(duì)濕度最低閾值不同，大部分地區(qū)高于80%，且北方地區(qū)的相對(duì)濕度閾值一般比南方地區(qū)低，雨凇出現(xiàn)時(shí)相對(duì)濕度一般比霧凇低；相同條件下相對(duì)濕度越大，積冰厚度也越大。中國霧凇型區(qū)有可能出現(xiàn)電線積冰的日平均相對(duì)濕度為65%以上，雨凇型區(qū)為75%以上，混合型區(qū)為70%以上(表1)。遼寧雨凇出現(xiàn)時(shí)相對(duì)濕度一般在70%以上，霧凇形成時(shí)約為75%[56]。吉林霧凇出現(xiàn)時(shí)相對(duì)濕度為54%～99%，雨凇出現(xiàn)時(shí)相對(duì)濕度為45%～96%[54]。河北霧凇出現(xiàn)時(shí)，超過60%的相對(duì)濕度超過80%，隨冰厚增加，大于90%的相對(duì)濕度所占比例也增加[57]。我國南方出現(xiàn)電線積冰極值時(shí)相對(duì)濕度在60%以上，多集中于85%～100%，即近飽和天氣狀態(tài)[82]。湖北高壓輸電線積冰過程中環(huán)境相對(duì)濕度均超過90%，積冰增長期間達(dá)95%以上，相對(duì)濕度降到90%以下時(shí)開始脫落[69]。在2008年低溫雨雪冰凍天氣過程中，貴州從地面到1500 m相對(duì)濕度均在80%以上，融冰過程中濕度下降到70%以下[37,73]；安徽相對(duì)濕度一直高于80%，最高時(shí)達(dá)96%[63]。在2009年2月25日—3月4日的電線積冰過程中，鄂西的相對(duì)濕度始終維持在100%，而無積冰期相對(duì)濕度為67%～100%[35]。

5.1.3 風(fēng)速和風(fēng)向

風(fēng)的作用是使空氣中的過冷卻水滴產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，與導(dǎo)線發(fā)生碰撞后被導(dǎo)線捕獲，較低溫度下水滴凍結(jié)，形成積冰。

合適的風(fēng)速范圍對(duì)積冰保持很重要[81]；風(fēng)速過小時(shí)，導(dǎo)線捕獲的水滴不足；風(fēng)速過大時(shí)，水滴在導(dǎo)線上沒有充足時(shí)間凍結(jié)。一般地，我國電線積冰出現(xiàn)時(shí)平均風(fēng)速較小，且霧凇出現(xiàn)時(shí)風(fēng)速比雨凇出現(xiàn)時(shí)小，因?yàn)殪F凇的密度小且結(jié)構(gòu)松散；冰厚與風(fēng)向和電線之間夾角的正弦成正比，風(fēng)向與導(dǎo)線垂直或接近垂直時(shí)更有利于積冰形成。近幾十年中國地面風(fēng)速總體呈減弱趨勢(shì)，全國平均減小速率為0.1～0.22 m·s-1·(10 a)-1[84]。中國霧凇型區(qū)有可能出現(xiàn)電線積冰的日平均風(fēng)速為0～7 m·s-1，雨凇型區(qū)為0～8 m·s-1，混合型區(qū)為0～5 m·s-1(表1)。吉林霧凇和雨凇出現(xiàn)時(shí)風(fēng)速分別為0～6 m·s-1和0～8.3 m·s-1[54]。青海東部出現(xiàn)電線積冰時(shí)的風(fēng)向以偏東風(fēng)居多，風(fēng)速為0～5 m·s-1，且冰重隨風(fēng)速的增大而增大，風(fēng)向與南北向?qū)Ь€的夾角越大，冰重越大[85]。河北霧凇和雨凇出現(xiàn)時(shí)，風(fēng)速多集中于0.3～1.5 m·s-1和3～5 m·s-1[57]。我國南方電線積冰極值出現(xiàn)時(shí)平均風(fēng)速的范圍為0～3.5 m·s-1[82]。湖北高壓輸電線積冰期間風(fēng)速大多在2 m·s-1以下，且導(dǎo)線為東西向，東南風(fēng)易帶來更多水汽，所以風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)時(shí)易形成積冰[69]。貴州冬季盛行東—東北風(fēng)，在風(fēng)速相同時(shí)，南北向?qū)Ь€的冰厚比東西向?qū)Ь€大[83]。四川會(huì)東的觀測(cè)資料表明，導(dǎo)線與積冰時(shí)的風(fēng)向夾角大于45°的冰厚比小于45°時(shí)偏大4%～26%[22]。

5.2 其他因素

除氣象因素，其他因素如地形、導(dǎo)線懸掛高度、線路走向、線徑粗細(xì)等也會(huì)影響積冰的厚度和重量。

5.2.1 地形和地理環(huán)境

地形通過影響氣象要素場分布影響積冰。受山脈影響，氣流會(huì)沿迎風(fēng)坡抬升或受阻擋而改向，改變冷暖空氣的分布、水汽匯聚，從而改變積冰分布；風(fēng)速隨海拔升高而增大，在風(fēng)口、埡口等處風(fēng)速大、水汽通量大，積冰量也大于其他地形區(qū)域[86]；在山頂和高原邊緣地區(qū)積冰現(xiàn)象更嚴(yán)重，而在背風(fēng)處和氣流下沉區(qū)積冰較弱[87]。青海東部有黃河和湟水，氣流從黃河河谷進(jìn)入后，受地形影響沿迎風(fēng)坡抬升，水汽匯聚，該區(qū)域降水增加，易形成電線積冰[85]。福建多丘陵，氣流沿迎風(fēng)坡抬升，水汽匯聚，使得山區(qū)降水增加，并常出現(xiàn)霧，易于出現(xiàn)積冰[70]。滇東北110 kV宣以線的兩側(cè)各有一個(gè)盆地，冬季盆地產(chǎn)生的云霧沿陡坡上升到山頂，易于形成積冰[24]。貴州的中央高地形阻止西北冷流進(jìn)入貴州西部，使更多冷東風(fēng)進(jìn)入貴州東南部，且更多云水、雨水顆粒以及地表降雨在高原的迎風(fēng)側(cè)向南移動(dòng)，從而使凍雨帶向東南擴(kuò)展[88]。

同時(shí)，若附近存在較大水體提供充足水汽，會(huì)使電線積冰更易發(fā)生。江西梅嶺山的東北面是鄱陽湖，昆明東郊老鷹山山腳有陽宗海，水汽條件充足，冬季常有電線積冰現(xiàn)象[42]。不同下墊面對(duì)電線積冰風(fēng)險(xiǎn)的影響度不同，據(jù)相關(guān)研究，湖北水體對(duì)電線積冰風(fēng)險(xiǎn)敏感性等級(jí)最高，其次是林地、農(nóng)田、草地等[89]。

5.2.2 高 度

一般在同一地區(qū)，海拔高度越高，溫度越低，在濕度條件滿足的情況下，越易形成電線積冰，積冰也越厚；但如果濕度條件不適宜，電線積冰與海拔高度不存在明顯關(guān)系。如云南中部海拔1800 m冰厚約5 mm，2000 m約10 mm，2300 m約20 mm，2500 m以上約30 mm[24]。據(jù)相關(guān)歷史記錄，湖南歐鹽縣和湖北恩施地區(qū)電線積冰厚度隨海拔高度的升高而增加[87]。湖北不同地區(qū)隨海拔高度增加電線積冰厚度也增加，積冰厚度與海拔高度呈對(duì)數(shù)關(guān)系[89]。

電線積冰厚度一般隨導(dǎo)線懸掛高度的增加而增加，原因之一是空氣中液水含量隨高度增加而升高，濕度條件更好；另一個(gè)原因是風(fēng)速隨高度增加而增加，風(fēng)速越大，單位時(shí)間內(nèi)向?qū)Ь€的水汽輸送量越大，積冰厚度增加。根據(jù)1965—1969年四川會(huì)東的電線積冰觀測(cè)，風(fēng)速一定時(shí)，20 m高度處的冰厚為2 m處冰厚的1.5倍，30 m處冰厚為2 m處的1.6倍[90]。甘肅蘭州—陜西關(guān)中一帶2006—2008年兩個(gè)冬季的觀測(cè)資料表明，10 m高度、5 m高度處18 mm 導(dǎo)線的積冰重量分別是2 m高度的2.43倍和1.42倍[91]。

5.2.3 導(dǎo)線自身特性

電線積冰多少受導(dǎo)線剛度的影響。電線積冰總是在迎風(fēng)面上先出現(xiàn)積冰，然后導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)，在未積冰或積冰較少的表面繼續(xù)積冰，直徑較細(xì)的導(dǎo)線易扭轉(zhuǎn)，有利于積冰均勻分布在導(dǎo)線上，增大積冰量[42]。

導(dǎo)線直徑也是一個(gè)重要因素，主要影響積冰重量。導(dǎo)線直徑越大，積冰重量越大，凝結(jié)的冰層越薄，但對(duì)積冰厚度影響不明顯。粗導(dǎo)線的表面積更大，與周圍大氣中液態(tài)水的接觸面積更大，有利于過冷卻水滴在導(dǎo)線上形成積冰[92]。甘肅蘭州—陜西關(guān)中一帶2006—2008年兩個(gè)冬季的觀測(cè)資料表明26 mm電線積冰重量是18 mm導(dǎo)線和4 mm鐵絲的1.18倍和1.32倍，而導(dǎo)線直徑對(duì)冰厚的影響不明顯[91]。2011年1—5月全國電線積冰資料表明：26.8 mm和4 mm導(dǎo)線的積冰直徑、積冰厚度和標(biāo)準(zhǔn)厚度無明顯差異，但積冰重量增加較顯著[92]。

另外，輸電線路中的電流對(duì)積冰形成也有影響。一方面，導(dǎo)線上電場的出現(xiàn)會(huì)對(duì)霧滴和水滴產(chǎn)生吸引力，使更多水滴向?qū)Ь€移動(dòng)并增加積冰量。如云南海子頭附近的110 kV以東線和海浪線，1966—1967年在使用中的以東線冰厚較大而尚未使用的海浪線冰厚較小[24]。另一方面，電流也會(huì)影響導(dǎo)線表面溫度，當(dāng)電流達(dá)到一定值時(shí)，導(dǎo)線會(huì)發(fā)熱并使表面溫度上升到0℃以上，使導(dǎo)線不易積冰[24]。

6 預(yù)報(bào)模型

6.1 物理數(shù)值模型

20世紀(jì)50年代國內(nèi)外學(xué)者開始提出電線積冰預(yù)測(cè)模型。早期只出現(xiàn)一些根據(jù)觀測(cè)結(jié)果提出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如Lenhard模型[93]基于經(jīng)驗(yàn)，僅考慮單位長度上的冰重與降水量的線性關(guān)系，且相關(guān)性很低，該模型過于簡單，預(yù)測(cè)效果差。其后出現(xiàn)一些干增長模型，假設(shè)過冷水滴的凍結(jié)系數(shù)為1，不能反映覆冰的詳細(xì)物理過程，如Jones簡單模型[94]，利用逐時(shí)降雨量和風(fēng)速計(jì)算最大可能標(biāo)準(zhǔn)冰厚，參數(shù)易于獲取，但未考慮導(dǎo)線直徑，常用于雨凇的積冰模擬。又進(jìn)一步發(fā)展出數(shù)值模型，在描述物理過程的同時(shí)，還可以考慮隨時(shí)間變化的因素以及輸入?yún)?shù)的變化。Makkonen模型[95-96]是一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的數(shù)值模型，給出了積冰增長量與碰撞率、收集率、凍結(jié)率以及液態(tài)含水量的關(guān)系，模擬效果較好；但由于雨凇和濕雪積冰的參數(shù)化難度大，常用于霧凇積冰增長量的計(jì)算。

由于Jones模型和Makkonen模型的預(yù)測(cè)效果較好，應(yīng)用最廣泛，但因?yàn)殡娋€積冰災(zāi)害的區(qū)域差異性，部分學(xué)者將其作為基礎(chǔ)模型，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際積冰資料進(jìn)行改進(jìn)。張懷孔[97]、杜骦等[80]、周紹毅等[98]基于Jones簡單模型，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，構(gòu)建適合于當(dāng)?shù)氐谋衲Ｐ?。鄧芳萍等[99]以Jones簡單模型、Makkonen模型以及積冰脫落經(jīng)驗(yàn)公式為基礎(chǔ)建立小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)冰厚模型，對(duì)浙江兩次電線積冰過程的模擬效果較好。

6.2 統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型

物理數(shù)值模型根據(jù)物理規(guī)律建立，而統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型則對(duì)具體資料統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)不同地區(qū)電線積冰資料與氣象因子的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，并運(yùn)用不同方法建立計(jì)算電線積冰相關(guān)物理量的模型。雖然統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型的區(qū)域局限性很大，但與物理數(shù)值模型相比，具有輸入?yún)?shù)易于測(cè)量和獲取的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際覆冰預(yù)測(cè)中能夠取得較好效果。用于建立統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型的方法很多，其中較早期的也是使用較多的是多元線性回歸方法和多元逐步回歸方法。

部分學(xué)者利用多元線性回歸方法，構(gòu)建研究區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值[82]、冰厚[100]、積冰強(qiáng)度[101]與氣象因子的回歸模型，還考慮積冰持續(xù)時(shí)間的影響；部分學(xué)者利用多元逐步回歸方法，構(gòu)建研究區(qū)域冰厚[60]、標(biāo)準(zhǔn)冰厚[30,55]與氣象因子的回歸模型并進(jìn)行模擬效果分析，應(yīng)用于重建歷史冰厚序列及冰區(qū)劃分等方面。除氣象因子外，某些預(yù)測(cè)模型中還選擇了其他因素。如在以霧凇為主的地區(qū)利用霧凇日數(shù)和站點(diǎn)海拔高度構(gòu)建電線積冰日數(shù)的回歸方程[57]；同時(shí)選擇氣象因子和地理因子構(gòu)建冰厚模型[29]。還有研究對(duì)多元逐步回歸方法和其他方法進(jìn)行對(duì)比，通過對(duì)比利用多元逐步線性回歸和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種方法建立的安徽標(biāo)準(zhǔn)冰厚的氣象因子估算模型，得到人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的擬合效果更好，但預(yù)測(cè)效果較差[102]；對(duì)比多元回歸方法和判別分析方法建立的貴州電線積冰厚度氣象因子預(yù)報(bào)模型，得到多元回歸模型的效果更好[103]。

由于電線積冰是一個(gè)復(fù)雜的非線性過程，線性擬合方法得到的結(jié)果無法滿足需求，所以近年其他方法也被更多地運(yùn)用到構(gòu)建積冰預(yù)測(cè)模型中。如電線積冰厚度與1月平均風(fēng)速、平均降水量和海拔的二次多項(xiàng)式方程[104]、基于BP(back propagation，反向傳播)算法建立的電線積冰厚度人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判別分析模型[105]以及基于誤差修正的MCMC(Markov Chain Monte Carlo，馬爾可夫鏈蒙特卡羅)的貝葉斯時(shí)間序列模型[106]。還有學(xué)者使用支持向量機(jī)方法以及對(duì)支持向量機(jī)的改進(jìn)構(gòu)建積冰預(yù)測(cè)的非線性模型，如建立支持向量機(jī)回歸模型[107]，或加入各氣象參量的權(quán)重進(jìn)行回歸模型的訓(xùn)練[108]；又如基于k均值鄰近(k-vector nearest neighbors，k-VNN)算法和最小二乘支持向量機(jī)(least squares support vector machine，LS-SVM)的覆冰預(yù)測(cè)模型[7]，以及利用基于粒子群算法優(yōu)化的支持向量機(jī)算法建立的預(yù)測(cè)模型[109]，均有利于提高整體預(yù)測(cè)精度。

7 災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)是指在特定評(píng)價(jià)時(shí)段和空間范圍內(nèi)，未來災(zāi)害造成的潛在損失大小及其發(fā)生的可能性，即損失的概率分布。這一定義包含了災(zāi)害造成的潛在損失大小及其可能性(不確定性)兩層含義[110]。風(fēng)險(xiǎn)是由災(zāi)害危險(xiǎn)性、暴露性、脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力綜合作用的結(jié)果。已有的電線積冰氣象風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)將電線積冰風(fēng)險(xiǎn)劃分為4級(jí)，分別為輕、中、重和嚴(yán)重，每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)不同的氣象條件持續(xù)時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)冰厚(表2)[40]。對(duì)于電線積冰災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究較少，主要集中在電線積冰災(zāi)害的危險(xiǎn)性和線路的脆弱性評(píng)估。

表2 電線積冰氣象風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[40]Table 2 Weather risk level of wire icing(from Reference [40])

危險(xiǎn)性評(píng)估是災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的核心內(nèi)容，部分國內(nèi)外學(xué)者通過繪制災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖進(jìn)行電線積冰災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估。Shan等[111]和Dalle等[112]分別繪制了美國積冰嚴(yán)重性區(qū)劃圖和法國南部濕雪和霧凇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖。王穎等[101]利用估算的積冰強(qiáng)度構(gòu)建了綜合危險(xiǎn)度指數(shù)，并繪制了中國電線積冰災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)劃圖。

脆弱性是指受危險(xiǎn)影響地區(qū)的承災(zāi)體面對(duì)致災(zāi)因子危險(xiǎn)性可能遭受的傷害或損失程度[113]。在電線積冰災(zāi)害脆弱性評(píng)估方面，主要對(duì)輸電線路的故障概率進(jìn)行評(píng)估。如建立電力倒塔斷線的概率計(jì)算模型[114]，用載冰量與元件強(qiáng)迫停運(yùn)率之間的關(guān)系來評(píng)估冰災(zāi)對(duì)輸電線路可靠性的影響[115]，通過預(yù)測(cè)的雨凇覆冰厚度來計(jì)算不同危害引發(fā)的故障率，進(jìn)而得出線路總故障率并進(jìn)行評(píng)估[116]，并進(jìn)一步考慮融冰因素，評(píng)估線路覆冰故障率[117]。

8 預(yù)防措施

8.1 防冰措施

8.1.1 電線積冰觀測(cè)和監(jiān)測(cè)預(yù)警

目前電線積冰的觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)量不多，且空間分布不均，今后應(yīng)加強(qiáng)電線積冰觀測(cè)站點(diǎn)的建設(shè)，或建立適用于高壓線路自動(dòng)觀測(cè)的系統(tǒng)，以收集更多在不同地形、不同海拔高度的電線積冰資料，更精確地進(jìn)行冰區(qū)劃分，為線路設(shè)計(jì)提供參考。

建立和完善電線積冰監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，提高對(duì)電線積冰的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度，有利于相關(guān)部門在電線積冰前后及時(shí)采取防范措施和除冰措施，防止災(zāi)害的發(fā)生或降低災(zāi)害的損失。

8.1.2 線路設(shè)計(jì)時(shí)盡量避開覆冰地區(qū)

在輸電線路路徑設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)參考當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件和冰區(qū)分布，并進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，盡量避開重覆冰區(qū)和易形成積冰的地段[58]。若須經(jīng)過大面積覆冰區(qū)，則應(yīng)增強(qiáng)線路的抗冰能力，如選擇機(jī)械強(qiáng)度較高的電線材料并適當(dāng)縮小檔距，以減小導(dǎo)線積冰災(zāi)害發(fā)生的概率[118-119]。

8.1.3 熱力防冰

輸電線路的熱力防冰技術(shù)指鐵磁線材料防冰技術(shù)，利用具有低居里溫度點(diǎn)的鐵磁合金制作成各種防冰器件并安裝在線路上，但只在局部重覆冰線段采用，因其能耗高、成本高未得到大面積推廣[120]。

8.1.4 被動(dòng)防冰

在導(dǎo)線或絕緣子表面涂憎水性和憎冰性涂料是被動(dòng)防冰的方法之一，涂料能減小冰的附著力，使其極易脫落和去除。涂層材料一般具有低表面能和強(qiáng)憎水性能的特性，常用的涂料有有機(jī)氟、有機(jī)硅、烷烴及烯烴等類化合物、鋁合金基體超疏水材料、微納米防冰表面材料等，但這種方法并不能完全消除覆冰[120-121]。

8.2 除冰措施

8.2.1 熱力除冰技術(shù)

熱力除冰技術(shù)是指導(dǎo)線覆冰后采取各種加熱措施使其融化或脫落的方法，最早有阻性線、過電流、短路電流3種除冰技術(shù)。阻性線除冰技術(shù)是在積冰導(dǎo)線上纏繞發(fā)熱電阻絲以達(dá)到熔冰目的，過電流和短路電流熔冰是利用電流產(chǎn)生的焦耳熱除冰，其中過電流和短路電流熔冰技術(shù)在實(shí)際中被廣泛應(yīng)用[120]。

隨著技術(shù)發(fā)展，出現(xiàn)了一些熱力除冰的新方法。如基于PTC(positive temperature coefficient，正溫度系數(shù))材料的智能融冰導(dǎo)線，目前還在理論階段[119]；還有熱力蒸汽除冰、激光除冰、微波除冰以及無人機(jī)噴火除冰等方法，但均未大范圍推廣應(yīng)用[119]。

8.2.2 機(jī)械除冰方法

機(jī)械除冰方法是最早被研制的方法，應(yīng)用于輸電線路的是滑輪鏟刮法，是由操作人員在地面上拉動(dòng)一個(gè)可以在線路上行走的滑輪，除冰效果較好。此外，還發(fā)展了彈盒操作冰器、機(jī)器人除冰等方法，彈盒操作冰器可向輸電線路發(fā)射高應(yīng)力沖擊波，使冰層破裂，裝置簡單且效果較好[119]；機(jī)器人除冰可在線路帶電時(shí)完成除冰，且已具備了越障功能，但要求輸電線路上安裝滑軌，需要進(jìn)行大規(guī)模線路改造，目前尚未得到廣泛應(yīng)用[122]。

8.2.3 被動(dòng)除冰方法

被動(dòng)除冰方法是利用風(fēng)、地球引力、隨機(jī)散射和溫度變化等自然條件脫冰的方法，包括阻雪環(huán)、平衡錘、抑制覆冰和積雪重錘和抗冰雪環(huán)等，有助于限制冰災(zāi)[120]。在輸電線上安裝阻雪環(huán)、平衡錘、抑制覆冰和積雪重錘等，能防止電線積冰后發(fā)生扭轉(zhuǎn)，在水平方向上堆積到一定程度后，在風(fēng)或重力的作用下自行脫落。在導(dǎo)線上安裝抗冰雪環(huán)，不僅有阻雪環(huán)的作用，還能發(fā)熱，使得導(dǎo)線上冰雪被部分融化[120]。

8.2.4 其他方法

除了上述的方法以外，還有碰撞前顆粒凍結(jié)和加熱、電暈放電、電子凍結(jié)、電磁脈沖等方法，但大部分還沒有得到應(yīng)用[120]；電磁脈沖除冰有一定效果，但只適用于短距離除冰[119]。

9 展 望

本文基于已有研究成果，從電線積冰概念與分類出發(fā)，對(duì)電線積冰的影響與危害、時(shí)空分布、成因、影響因子、預(yù)報(bào)模型、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及預(yù)防措施等方面進(jìn)行歸納，系統(tǒng)評(píng)述了中國電線積冰災(zāi)害研究新進(jìn)展。但受已有研究成果和電線積冰資料的限制，還存在一定的不足。如地形與地理環(huán)境、高度、導(dǎo)線自身特性對(duì)電線積冰的影響的結(jié)論多以定性描述為主；研究所用資料大部分為觀測(cè)場資料，與實(shí)際情況存在差距。近年有關(guān)電線積冰的研究越來越多，但對(duì)于電線積冰的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)研究成果報(bào)道較少，且研究區(qū)域多為一個(gè)省甚至更小區(qū)域，對(duì)大范圍的電線積冰的研究成果報(bào)道也較少；電線積冰預(yù)測(cè)模型的研究方法和結(jié)果較多，還需進(jìn)一步提高精確度，從而更好地為業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)和災(zāi)害防治提供參考。

今后，針對(duì)電線積冰災(zāi)害應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面：

1)在電線積冰災(zāi)害指標(biāo)方面，目前多集中于電線積冰災(zāi)害的冰厚模型方面，且主要考慮氣象因子的影響，但電線積冰災(zāi)害發(fā)生不僅取決于氣象條件，還與所處的地形和地理環(huán)境、高度等因子有關(guān)。此外，有關(guān)電線積冰災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面的研究較少，主要集中在危險(xiǎn)性和脆弱性評(píng)估。在今后的研究中可以進(jìn)一步考慮多要素影響，構(gòu)建基于災(zāi)變過程的電線積冰綜合性指標(biāo)，綜合評(píng)估電線積冰風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警、監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。

2)目前，電線積冰氣象研究使用的氣象資料多為自動(dòng)氣象站或常規(guī)氣象站資料，與實(shí)際導(dǎo)線高度和位置存在差距；且多基于逐日觀測(cè)資料，不能滿足所有研究需求。建立和完善電線積冰監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，建立適用于高壓線路自動(dòng)觀測(cè)的系統(tǒng)以獲取實(shí)測(cè)資料，對(duì)今后開展電線積冰研究具有重要意義。

3)對(duì)于電線積冰災(zāi)害的時(shí)空分布特征，現(xiàn)有研究多基于省級(jí)尺度或者區(qū)域尺度，對(duì)全國電線積冰的時(shí)空分布研究較少。在全球氣候變化的背景下，近百年中國地表年平均氣溫升高約0.5～0.8℃[123]，研究氣候變暖對(duì)全國電線積冰的影響，揭示電線積冰災(zāi)害時(shí)空新變化以及成因，有助于了解全國電線積冰災(zāi)害區(qū)劃。同時(shí)，對(duì)電線積冰災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)進(jìn)行精細(xì)化的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)電力部門線路設(shè)計(jì)和出現(xiàn)電線積冰時(shí)及時(shí)采取防御措施具有重大意義。

4)強(qiáng)降溫是一種大規(guī)模的強(qiáng)冷空氣活動(dòng)過程，在氣候變暖背景下，雖然強(qiáng)降溫出現(xiàn)概率小，但危害大，常伴有劇烈降溫和大風(fēng)，可能會(huì)引發(fā)大風(fēng)、霜凍、雪災(zāi)、雨凇等災(zāi)害[75]。研究表明[124-126]：強(qiáng)降溫發(fā)生前氣溫具有異常偏高的特點(diǎn)，高空形勢(shì)橫槽轉(zhuǎn)豎，冷平流強(qiáng)盛，大尺度環(huán)流背景與普通低溫事件略有不同。今后研究中可比較強(qiáng)降溫事件與低溫事件下的電線積冰形成機(jī)制的不同之處，建立對(duì)應(yīng)的電線積冰風(fēng)險(xiǎn)模型，進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警和評(píng)估，以減少強(qiáng)降溫事件可能造成的損失。