应用气象学第五章

2023/2/31第五章水利、电力、通讯与气象2023/2/32本章主要内容（4学时）§1水库调度和综合利用与气象§2核电站选址和工程设计与气象§3架空线路与气象2023/2/33水库调度和综合利用与气象基本概念水库调度即对水库调蓄能力的控制运用，以达除害兴利，综合利用水资源，极大地提高社会经济效益的目的。防洪调度发电调度防凌调度灌溉调度2023/2/34水库调度和综合利用与气象防洪调度就是通过蓄、泄、滞、分等措施人为改变天然洪水的时、空分布规律，以达到减免洪水灾害的目的。发电调度以发电为主的水库调度，可分为日、周、年调节，以适应电力负荷变化，扩大水电站容量效益，替代火电站承担尖峰负荷，从而降低系统单位电能的燃料消耗量。2023/2/35水库调度和综合利用与气象灌溉调度在充分掌握下游灌溉面积、作物组成、需水定额和时段分布的基础上，分析灌溉需水过程曲线，运用气象实况资料和短期天气预报对未来水和需水进行平衡调解，运用径流调节计算结果，发挥水库塘堰配合作用，进行客观调度。防凌调度河流在进行“武开河”时，以形成凌汛，为防止凌汛进行的调度行为。2023/2/36水库调度和综合利用与气象黄河开河分“文开河”、“武开河”。“文开河”即河道封冻后，河槽内水量较小，大地回春之时，水温逐渐升高，封冻自上而下开始解冻，冰水安全下泄或就地消融，凌情解除。而“武开河”是指河道封冻期间，由于上下河段气温差异较大，冰厚、冰量、冰塞亦有差异。春暖花开之际，气温升高，在水量较大的情况下，上段河道先行解冻，而下段河道因纬度偏北，冰凌仍然固封，冰水齐下，水鼓冰开。在“武开河”时，有时大量冰块在弯曲形的窄河道内容易堵塞，形成冰坝，使水位上升，形成严重凌汛。2023/2/37水库调度和综合利用与气象综合利用水库调度通则（水利部1993年月12月1日水管[1993]61号通知颁发）2023/2/38水库调度和综合利用与气象---防洪调度防洪调度的判别条件：常以库内水位、入库流量和指标站降雨量作为调度的判别条件。防洪调度的一般原则：少留专供调洪库容，减少无益弃水，充分发挥和提高水库综合效益。

所用气象资料主要包括：降雨、蒸发、气温、风向风速。2023/2/39水库调度和综合利用与气象---防洪调度第十三条防洪调度的原则：1、在保证大安全的前提下，按下游防洪需要对洪水进行调蓄；2、水库与下游河道堤防和分、滞洪区防洪体系联合运用，充分发挥水库的调洪人作用；3、防洪调度方式的判别条件简明易行，在实时调度中对各种可能影响泄洪的因素要有足够的估计；4、汛期限制水位以上的防洪库容调度运用，应按各级防汛指挥部门的调度权限，实行分级调度。2023/2/310水库调度和综合利用与气象---防洪调度为了提高水库综合经济效益。必须充分运用天气预报，及时蓄水，尽量多次重复利用有效库容。在汛期的每次洪水后尽可能多蓄水，然后尽快消落，腾库容以迎接下次洪水。遇有暴雨要少蓄多用，而面临干旱时要多蓄少用，抓住洪水尾，以减少弃水提高径流利用率。准确、及时气象预报的关键作用要求在洪水期每天发布几次降雨预报，包括降雨的时空分布，并且要求短、中、长天气预报紧密结合，以便确定水库泄洪方案及时控制泄量。准确的长期天气预报，在编制年、月水力发电计划中能起到有利的长、中期发电调度作用，并利用中短期预报随时修正发电计划，做到以水定电，保证灌溉，防止水害。2023/2/311水库调度和综合利用与气象----发电调度发电调度的气象服务利用长期趋势预报---枯水年份，特枯年份，丰水年份利用短期天气预报利用中期天气预报使中、长期预报相结合，短、中期预报相结合，充分发挥水库的调节功能。2023/2/312水库调度和综合利用与气象----灌溉调度小水库调度中的气象决策----浙江新昌水库为例实际方案、信任方案、完善预报方案2023/2/313水库调度和综合利用与气象----灌溉调度2023/2/314水库调度和综合利用与气象----灌溉调度中型水库水位调度中的气候最优决策---湖北桃花江水库为例水位调度决策的损失函数

4-6月，供过于求；7-9月，供不应求。利用历年降水资料可确定雨季各时段水库的最优蓄水量。以历年后段的可能降水量确定当前水位调度目标。2023/2/315水库调度主要是针对流域、水库和电站开展未来趋势预测和历史资料分析、统计等功能的软件，其包括短期洪水预报、中期径流预报、长期水文预报、发电调度、防洪调度、风险分析、决策支持等内容。

水库调度决策支持系统（RSDSS）多模型、多方法防洪与发电联合调度

实时调度组态设计，可扩展能力强2023/2/316水库调度2023/2/317

§2核电站选址和工程设计中的气象学应用气象学在核电站建设和运行中的应用，主要表现为站址选择，参与结构设计和异常事故出现时的放射性核素大量排放影响检测。前者主要估算大气如何有效地稀释核电站排放的放射性污染物，后者研究大气扩散对可能事故提供的安全因素的大小。2023/2/318核电站选址和工程设计中的气象学应用2006年江苏省气象专家介绍：要挑选一个理想的核电站地址，要求极为“苛刻”。其一，核电站所在地点百年不能有龙卷风之类的恶劣破坏性极强的气候事件。如果没有百年历史资料，气象专家也要根据现有的资料进行计算分析，确保核电站安全第一；其二，不能建在没有水的地方。一个地方如果有充足的淡水或者海水，可以迅速冷却反应堆，保证核电厂运转；其三，土质要十分稳定，岩石基础要牢固，因为一旦发生地震，是没有办法进行补救的。其四，厂址的风向风速等对污染物的扩散、稀释有着至关重要的作用。

2023/2/319核电站选址和工程设计中的气象学应用核电站选址核电站选址不仅取决于经济、技术因素，还必须考虑在常规和事故情况下放射性核素排放的特点和影响、周围居民分布以及地理、地形环境特征。即必须考虑当地可能出现的最严重的地震、海啸、热带风暴、龙卷、洪水等自然灾害。2023/2/320核电站选址和工程设计中的气象学应用必须对较大区域的气候资料进行统计分析，主要包括地面和500米高度风向、风速、最大风速、年平均风速、静风频率；气温、大气稳定度、逆温层高度、湿度、云出现频率、降水量和降水期。初选后的现状考察检测，包括不同天气条件下的示踪物扩散模拟。2023/2/321核电站选址和工程设计中的气象学应用峡江何魁核电气象专用站建在江西吉安市该气象站由一座百米气象铁塔、一个10米气象桅杆和压温湿传感器、日照传感器、反射传感器、辐射传感器和雨量传感器等构成，可测量地面以上各个高度的风向、风速、温度等气象资料。峡江何魁核电气象专用站将在两年的时间内，每天24小时对当地气象进行观测。2023/2/322核电站选址和工程设计中的气象学应用核电站的设计和结构据大气扩散参数确定放射性核素排放持续时间、喷射速度、烟囱高度、隔绝地区尺度、与附近建筑物和地形的相对位置。保证核电站对龙卷风具有足够的抵御能力，主要考虑：龙卷气流直接作用于结构上引起的风压动力作用、龙卷移过结构大气压力场变化效应以及龙卷风飞掷物产生的冲击力等三个方面。2023/2/323核电站选址和工程设计中的气象学应用核电站正常运行和可能异常事故正常运行时对气象要求最低，但像持续静风等不利大气扩散的特定天气预报要重视。一旦出现意外放射性核素排放，必须掌握烟羽轨迹，估算浓度和下风向辐射水平，要求提供地面、500米高度风向风速实况和预报，大气稳定度和逆温层底高度、降水资料、并掌握大尺度天气系统如伴随的锋的6-12h预报以及更长时间和更大下风距离的气流轨迹。重大事故之后要求充分的气象资料包括雨区降水收集分析作为评估依据。2023/2/324

§3架空线路与气象线路机械性能随气象条件的变化电线积冰污闪跳闸事故与气象绝缘配合计算的气象条件雷电的电磁干扰及防护2023/2/325架空线路与气象

架空线路包括输电线、通讯线、电气化铁路接触网。架空线路在选线、设计中必须考虑气象资料，主要考虑的要素为风、积冰和温度。

一般取15年一遇的最大风力、最大积冰厚度、最高和最低气温作为计算依据。特别重要的线路，包括特大跨越地段，还应考虑更长的重现期的风力、冰厚和温度极值，按特殊荷载考虑。2023/2/326设计气象条件，应根据沿线气象资料的数理统计结果及附近已有线路的运行经验确定，基本风速、设计冰厚按以下重现期确定：1)750kV、500kV输电线路及其大跨越：50年2)110～330kV输电线路及其大跨越：30年架空输电线路的新规程：/view/26d3c133ee06eff9aef8071c.html2023/2/327线路机械性能随气象条件的变化档距（R）弧垂或驰度（H）临界档距：表示在最大外加荷载条件下（拉长作用）与最低温度（伸长作用）同时出现时导线材料所受的最大应力状态的档距。2023/2/328线路机械性能随气象条件的变化杆塔承受压缩力、拉伸力、弯曲力、扭力等各种作用。杆塔机械荷载受风力、积冰、导线自重的作用，常用比载计算，其单位为kg/（m.mm2），积冰的重量有时超过导线的自重，是严重积冰区线路设计的控制因素。对覆冰地区的重要线路考虑安装线路覆冰在线监测装置，并采取防冰、减冰、融冰措施。2023/2/329线路机械性能随气象条件的变化综合比载越大，气温越高，则弧垂越大，缩短档距可减小弧垂。计算最大弧垂目的在于保证对地的安全距离和防止风偏造成的闪络。计算各种气象条件下导线的拉力、档距和弧垂及其相互关系，可作为杆塔设计和导线防振动的设计依据。2023/2/330线路机械性能随气象条件的变化电线的振动因气象因素引起的导线振动，包括颤动、舞动、脱冰跳跃、次档距振荡和横向碰击。2023/2/331线路机械性能随气象条件的变化颤动由横向微风引起，与导线成45°~90°角，0.5~5m/s风速在背风面产生空气涡旋，使导线上下振动，造成线夹附近金属疲劳，以致断股。舞动由阵风引起，频率低，振幅大，可造成导线地线闪络、断路。档距与弧垂越大，舞动振幅越大。2023/2/332线路机械性能随气象条件的变化脱冰跳跃是积冰脱落时，因突然减轻荷载而上跳，包括不均匀覆冰时产生的上拔力，也产生舞动，可造成闪络、导线地线短路、绞线损伤。次档距振荡发生于并排导线下风侧导线受上风侧导线对气流干扰产生的乱流而引起的振荡。当风向与电线交角大于45°，风速大于15m/s，积冰较重时，最易发生次档距振荡。并排导线摆动不同步易产生横向碰击，并发生闪络和短路。2023/2/333电线积冰电线积冰：是指水气、水滴和（或）雨滴在寒冷或严寒情况下，凝聚粘附在电线上形成的一种冻结物。电线积冰冰层增长方式：

干增长：所有撞击到电线、杆塔上的水都产生冻结，没有从其表面流失者。

湿增长：撞击到冰面上的一部分水会离开冰面。我国有相当多的省份都发生过电线积冰，较严重的有四川、贵州、云南、湖南、湖北、陕西、山东、河南等省。2023/2/334电线积冰林力等指出，产生覆冰必须达到的气象条件是：气温及导线表面温度达到0℃以下；空气相对湿度在８５％以上；风速＞１ｍ／ｓ。鲁俊等统计了安徽省有气象记录以来的电线积冰观测资料，分析了电线积冰的时空分布特征，同时也对积冰出现时段的气象要素特征进行了详细的总结。发现电线积冰的气象条件基本满足气温≤0℃，相对湿度≥８０％，风速在０～３ｍ／ｓ，同时与风向有关，积冰直径极大值时出现静风的频率最多。雾凇积冰极值出现时，气温≤－３℃。引自：王文，蔡晓军，2010年干旱气象2023/2/335电线积冰电线积冰形态：晶淞或雪淞雾淞雨淞混合淞引起电线积冰的天气现象：雨凇、雾凇、湿雪或者它们的混合物。2023/2/336电线积冰晶淞或雪淞---雪晶碰撞导线，表面水膜降温而冻结在导线上，发生于0-3m/s风速和-2℃条件下，也可在-10℃以下的低温由水汽直接在导线上凝华形成。质轻，结构松散，易脱落，密度小（0.1g/cm3），出现几率小，对高频衰减有影响，一般无危害。2023/2/337电线积冰雨凇---是一种呈透明的或无玻璃状的密实冰层。多在静止锋或冷锋天气下形成。从锋面上暖空气下落的雨滴，穿过锋下冷空气层时冷却成为过冷却水滴，接触电线、地物冻结成雨淞。若气温不太低，过冷却水滴在电线或其它地物上铺展开来才冰结，成为透明密实的冰层。形成时风速一般较大，气温为-1~-3℃，气温低到-16℃时，也可以形成雨淞。雨淞又称明冰或冰凌。白色透明，结构坚硬，密度大0.5-0.9g/cm3，出现几率小，但危害最大。2023/2/338电线积冰雾淞生成于有雾而且气温在0℃以下的天气，由过冷雾滴碰撞冻结而成，呈乳白色，不透明。当气温约在-10—-20℃之间，雾或轻雾中很小的过冷水滴冻结在电线上，形成晶状雾淞积冰，无风时结在整个电线表面，有风时结在迎风面。空气中水汽在电线上凝华也可结成晶状雾淞。密度0.2-0.5g/cm3，也较易脱落，在湿润地区因持续时间长，强度大，出现几率大，危害甚大。雾凇在5m/s风速和-8℃条件下形成。2023/2/339电线积冰混合淞---俗称粗冰，由形成雾凇和雨凇的条件交替出现而混合组成，密度0.5-0.6g/cm3，出现几率小，但危害很大。2023/2/340电线积冰陕西省宝鸡、华山、洛川、吴旗、榆林5站1980—2005年电线积冰观测资料,分析了陕西省雨凇、雾凇及混合凇的分布特征与物理特性。结果表明:陕西省华山电线积冰最多、最大、最重。电线积冰以雨凇最多,雾凇次之,混合凇最少,分别占55.2%,27.9%和16.9%。各地积冰日多出现在11月至次年3月。雨凇、雾凇、混合凇的平均等效直径为10～25mm,极大值为78mm;平均质量为86～236g/m;华山积冰质量极值最大,为1290g/m;积冰平均密度为0.22～0.34g/cm3,混合凇最大,雾凇最小。南北向等效直径的平均值、积冰质量、密度均大于东西向。近26年,年最大积冰质量有增加的趋势。

陕西省电线积冰特征--吴素良

蔡新玲

何晓嫒

毛明策

2023/2/341电线积冰电线积冰的观测/ywk/dzgf/gcgf092.htm/blog/static/3715585200731994953268/2023/2/342电线积冰电线积冰引发电网事故的常见形式：杆塔因覆冰而损坏线路各档距覆冰不均匀引发事故导线覆冰事故绝缘子串覆冰事故（闪络）2023/2/343电线积冰电线积冰是导线半径、云、雾含水量、滴谱、风向风速、气温和天气过程持续时间的函数。2023/2/344积冰形状在风小时（0-4m/s）呈圆形，风稍大（3、4级）呈椭圆形或具有迎风生长的三角形截面形态，当气温分布不稳定时，水滴直径随之变化，可出现不规则状混合淞；当风力为5、6级时，不活动杆塔上出现散射状积冰，呈迎风梳齿形态。积冰温度条件在0~-10℃范围内均可出现，但主要发生在-5℃以上。2023/2/345电线积冰冰厚随电线直径和高度的变化积冰厚度与电线直径有关，但随风速、气温、云雾滴谱而异，变化比较复杂。细线，对流场影响小，易于收集小水滴，热容量小，易于冻结，易于扭转，积冰量常比粗线严重。粗线，不易扭转，风大时，电线越粗积冰越重，尤其是在雨凇条件下。

相对于线径为4mm的覆冰厚度，线径为10、15、20mm的折减乘数，分别为0.89，0.82，0.77。2023/2/346电线积冰电线积冰与架空高度密切相关，国内研究表明：积冰厚度随高度的变化规律符合乘幂律：下标0为参考高度（z0=2m），幂数α

比前苏联的α

值小，比国际电工委员会推荐值大，并为风速的减函数：系数m>0，n<1，因积冰形态而异。2023/2/347电线积冰其他因素对积冰的影响导线是否带电----通电导线积冰厚，大25%-40%；积冰扭转力矩作用---档距中心线段积冰比较均匀，冰重增长较快，线夹附近冰重较小。积冰以风向与导线呈垂直交叉状态为最重，与交叉角的正弦成正比。特殊地形---可影响风力、气温，从而加重积冰。跨越河段或临水面的导线、杆塔的覆冰厚。2023/2/348电线积冰电线积冰荷载极值推算设计积冰荷载可按概率分布推算。我国认为遵从极值Ⅱ型分布。极值Ⅱ型分布适于拟合频率分布偏态甚剧的分布，即在不太长的序列中存在一二个特大值的样本。电线积冰变异极大，极值Ⅱ型分布能较好地对它进行拟合，而且该分布还有一个优点，较短重现期下的极值与较长重现期下的极值存在简单关系。2023/2/349电线积冰极值Ⅱ型分布X表示积冰荷载，δ、γ为分布参数

T1—较短重现期；T2—较长重现期2023/2/350电线积冰电线积冰过程：快速增长阶段缓慢增长或维持阶段融化消失阶段冰害事故2023/2/351电线积冰电线积冰专用气象服务---电线积冰时变模式参考：《气象信息服务》P308-P3132023/2/352污闪跳闸事故与气象2001年2月22日凌晨,辽宁大部分地区遭受几十年未见的浓雾天气,造成辽宁电网建国以来最严重的1次大面积污闪停电事故,事故波及沈阳、鞍山、营口、辽阳、抚顺、铁岭和阜新等地区。220ｋＶ线路跳闸151条次,跳闸线路44条,并造成12座220ｋＶ变电所全停;66ｋＶ系统全省跳闸171条次,120座66ｋＶ变电所全停;事故处理过程中,铁岭电厂2号机组(300ＭＷ)被迫解列1次,3号机组(300ＭＷ)被迫停机;沈海电厂2台机组(200ＭＷ)与主网解列单运,单运时间达05ｈ;全省共损失负荷9370ＭＷ·ｈ,其中沈阳地区尤为严重,损失负荷7430ＭＷ·ｈ,9:20停电负荷逐步送出,截止当日14:14全省大部分负荷送出,18:12全省负荷全部送出。2023/2/353污闪跳闸事故与气象污闪事故虽不及雷害频繁，但停电时间长、范围大，损失电量大，检修恢复时间长，应积极防治。化工、冶金、水泥工业烟尘、海水飞沫、盐碱地土壤尘等含游离的酸、碱、盐成分高，对输电绝缘运行威胁最大。表面湿度对污层的形成和保持起重大作用，越潮湿污秽越严重，最危险的是雾对绝缘子的湿润作用。2023/2/354污闪跳闸事故与气象污秽物的类型分为四类：1、无自然污染和无工业污染源区或远离污染源的居民区，等值附盐密度0-0.03mg/cm2;2、盐碱地，0.03-0.10mg/cm2；3、海岸附近或其它含盐分的水域附近，0.01-0.25mg/cm2；4、紧贴工业和火电厂区，〉0.25mg/cm2。2023/2/355污闪跳闸事故与气象引发污闪的地面气象条件(四川盆地为例)雾、雾和小雨、小雨、雾和毛毛雨、毛毛雨、雨夹雪、其它58%20%9%3%1%8%2023/2/356污闪跳闸事故与气象由此可见，可以把雾作为引发污（雾）闪的主要因子。引发污闪的雾与一般雾相比具有自己特点：1、水平能见度特低、液态水含量特多；2、雾日持续天数多；3、雾的持续时间长。2023/2/357污闪跳闸事故与气象引发污闪的温度层结条件：当逆温出现时，底层大气温度层结稳定，使接近地面的水汽和污秽物不易向上扩散，造成近地层既有丰富水汽，又有可充当凝结核的污秽物，容易发生污闪事故。例：对呼和浩特1981-1995年积污期每日08时、20时原始探空曲线上地面至离地1000m高度的逆温（包括等温）资料进行统计后发现，该地区15年间积污期逆温出现频率达74.2%；08时出现频率比20时多25%左右，逆温层厚度100-400m。2023/2/358污闪跳闸事故与气象出现污闪的前期气象条件连续无降水日数的长短，对污闪现象影响较大，连续无降水日数长，使绝缘子上污秽物长时间得不到自然清洗，积污加重，这时如果空气湿度突然增加，极易造成污闪。以内蒙呼和浩特地区为例，用1981-1995年的资料统计表明，在积污期（10-4月），最长连续无降水日数平均38.1天。2023/2/359污闪跳闸事故与气象污闪潜势预报制作污闪潜势预报的困难

---污闪是小概率事件；---尚未建成污闪个例（数据）库污闪潜势预报将遇到的问题---预报未来是否有雾---预报雾的强度---预报雾的持续时间2023/2/360污闪跳闸事故与气象污闪的防治：按污秽物的不同类型选用相应的绝缘子型号。在污闪频发季节，预报有阴雨、高湿有雾天气，应立即向电力部门通报或发布警报。防治污闪除人工定期检查清扫污秽物外，在严重污染地区的瓷瓶上涂刷憎水涂料（矿物油脂或硅胶、地蜡等），可使清扫绝缘子的周期大大延长，并利于清扫作业。2023/2/361污闪跳闸事故与气象

例：500千伏江城直流高压线是国家电网的命脉线路之一，每年冬春季节，由于降雨稀少，绝缘子表面严重积污，如果不及时清洗，将会发生绝缘子污闪和覆冰闪络事故，对跨区电网的安全稳定运行构成威胁。传统的常规清洗作业需要耗费大量人力物力，至少需要停电十天半月，直接损失输电容量300万千瓦，每小时的损失在30万元以上。采用直升机带电水冲洗，不仅效率提高数倍，而且避免停电带来的损失。2023/2/362绝缘配合计算的气象条件绝缘配合就是根据设备所在系统中可能出现的各种电压(正常工作电压和过电压)，并考虑保护装置和设备绝缘特性来确定设备必要的耐电强度，以便把作用于设备上的各种电压所引起的设备绝缘损坏和影响连续运行的概率降低到经济上和运行上能接受的水平。2023/2/363绝缘配合计算的气象条件绝缘配合技术是考虑运行环境和过电压保护装置特性的基础上，科学合理地选择电网中电气装置的绝缘水平。在此过程中，权衡设备造价、维修费用和故障损失，力求用合理的成本获得较好的经济利益。2023/2/364绝缘配合计算的气象条件对架空线路要求适当加强绝缘配合，主要防止杆塔和档距中的各种可能放电途径，其中涉及气象条件。过电压外过电压（由雷击引起，分直积雷和感应雷）