引言

大风灾害是一种危害巨大的自然灾害，它威胁着人身和财产安全。尤其对电力系统，大风灾害是造成电力供应中断的主要自然灾害之一。大风灾害除造成电塔倒塔灾害外，还造成输电线路电杆被大风刮倒、刮断、输电线路发生偏闪络事故等^[1-2]。这些事故的发生，给国家和人民财产带来极大的损失。关于大风灾害造成电网设施损坏方面研究，李兰等^[3]通过计算最大风压，研究了瞬时大风对铁塔的破坏力。庞文保等^[4]通过风随高度的变化关系，推算出30 m高度铁塔抗风设计建议值30 m·s^-1。

河北省地处华北地区，东临渤海，西依太行山，北部有燕山山脉，天气气候复杂，灾害性天气对电力系统造成的损失时有发生。在所有的自然灾害中，由大风造成电力设施损坏的占总灾害的68%。例如2009年7月23日夜间，因局地雷雨大风等强对流天气，造成邢台任县500 kV输电线路发生一次性串倒输电铁塔8基，造成直接经济损失超过1个亿。2009年8月27日，受局地大风灾害影响，石家庄栾城县60条480 km长的高压线路，发生倒杆42处102基、断杆58基、断线60处，有6条线路和4座变电站全部停电。因此分析大风灾害对电力系统设施的影响特征，有针对性地做好气象服务^[5]，为防灾减灾、提前有效应对灾害性天气具有重要意义。

1 资料来源及说明

资料来源：根据《中国气象灾害大典》(河北卷)、河北气候影响评价、气象报表，地方民政局、农业局、档案局、救灾办以及电力公司等灾情记录，统计汇总成的河北省灾情直报数据，资料时长为26年(1983—2008年)，整理对电力设施、电网安全造成损害的灾情记录样本407个。

灾害性大风统计：在所有的灾害实例中，有的灾情明确记录最大风力及对电力设施的损坏情况，有的灾情只记录因大风天气造成电力设施损坏，没记录出现的具体风力。对灾情实例中明确记录风力的样本进行统计，以确定对电力设施造成损失的灾害性大风。不同风力造成电网设施损失的起数统计见表 1。可见7~12级大风是影响电网安全的主要灾害性大风。其出现频次相对较高，造成电网设施安全事故的百分比率高达95.6%，是今后预报服务和防范的重点。

2 1983—2008年河北大风灾害对电网影响特征 2.1 年际变化特征

图 1是1983—2008年26年逐年大风灾害引起电网安全事故发生起数。从图 1可知，河北省历年年平均大风灾害电力事故起数为15.5起，最多年为1990年的43起，最少年1983年仅为2起，逐年变化存在显著的差异。20世纪90年代出现两个峰值高点，分别是1990和1997年，致使90年代年平均事故起数18.1起，明显高于其前后相邻的两个年代。图中趋势线是大风灾害事故一元线性回归方程，回归系数为-1.104起/10 a，说明大风灾害事故随时间呈略减少趋势，但并不显著。

2.2 月变化特征

由大风灾害造成电力系统安全事故主要出现在夏半年(5—9月)，雷雨大风强对流的高发季节。河北省雷雨大风最早出现于4月下旬，止于10月，6—8月最多。雷雨大风持续时间短，风速大，破坏性强。图 2给出大风灾害造成电网安全事故起数的月变化。由统计结果可知，7月累计出现大风灾害电网安全事故159起，占到总灾害事故的39.1%，6月出现大风灾害电网安全事故102起，占总灾害事故25.1%，8月大风灾害电网事故77起。仅这3个月的灾害事故占全年总事故的83.0%。另外4月出现的8次大风灾害事故主要出现在下旬，都记录的是雷雨、冰雹大风，属于强对流引起的瞬时大风灾害。10月出现过的4次大风灾害都出现在上旬末、中旬初，也记录是雷雨大风灾害。由此可见，夏季雷雨大风是造成电力系统灾害的主要气象因素，其占总大风灾害事故的97.8%，应引起足够重视。冬半年(11月至翌年3月)大风造成的电网安全事故有但很少，其中各年11月均没出现过电力系统大风灾害事故，其他各月在1~4次之间。

2.3 空间分布特征

河北省地处中纬度沿海与内陆交接地带，南北相差约6个纬度，东西跨越约7个经度，从西北向东南依次为坝上高原、燕山和太行山地、河北平原三大地貌单元。复杂的地形地貌、气候差异和地方经济发展状况使得大风灾害电网安全事故分布极不均匀。以县为单位，统计分析1983—2008年河北省大风灾害造成电网安全事故的空间分布(图 3a)。由图可见，大风灾害对电力设施的影响具有明显的地域性^[6]，主要出现在三个区域：(1) 燕山南麓的唐山地区；(2) 太行山东麓的保定地区；(3) 沿海的沧州一带。而张家口、承德地区是大风灾害电网安全事故出现相对较少的区域。风灾事故次数与大风发生频次有密切关系^[7]，由于大风灾害致电网安全事故主要出现在夏季，因此统计分析1983—2008年6—8月各气象站17 m·s^-1以上大风出现频次分布(图 3b)。在保定、沧州和唐山北部地区各有一个大风高频次中心，基本与电力灾害事故出现区域相对应。说明大风灾害多发区域，电力灾害事故也相对应较多。但是张家口西北部的大风高频次中心与电网灾害事故分布不相对应。这主要是因为张家口西北部地区与内蒙古高原相邻，平均海拔高度1400 m，受西北路径冷空气影响，年内多大风天气；另外由于坝上地区占地面积大，人口密度小，经济相对欠发达，电力设施布设相对稀疏，因此造成的电力设施事故相对较少；第三与当地灾情上报数据有关。

由此可见，燕山南麓、太行山东麓等受地形影响，夏季强对流天气多，大风频次高，由此造成的大风灾害电网事故相对偏多，沧州一带受沿海大风、风暴潮的影响，出现大风相对高频次中心，电网安全事故相应较多；另外大风致电网设施安全事故分布与当地的经济发展、电力设施的布设有直接关系；第三，对于大风灾害的统计，可能有些偏远地区灾情未上报。

3 大风灾害个例及成因分析 3.1 大风灾害个例

2009年7月23日23时至24日02时，京广铁路邢台段沿线和滏西地区出现了大风、冰雹、强降雨等强对流天气。邢台市区、任县、南和、临城东部、柏乡、内丘东部及隆尧西部出现暴雨，最大降雨出现在任县为93.6 mm，最大雨强出现在南和县城1 h降雨量达到81.8 mm。任县、南和局部地区出现冰雹，同时伴有7~8级大风，任县自动站24日00时01分极大风速达到24.1 m·s^-1(9级)，南和00时04分极大风速24.8 m·s^-1(达到10级)。受恶劣天气影响，供电和通讯等基础设施损坏严重。河北省南部电网500 kV辛彭线南和县境内129~136号8座铁塔倒塌，7条220 kV线路跳闸，35 kV变电站全停18座，线路故障21条次、损失负荷2.49×10⁴ kW，倒杆862基，受损线路308 km，断杆1092根，基站停电334个，任县与南和县70%停电，造成直接经济损失达1亿元。铁塔倒塌附近长达4~5 km公路两侧，大树连根拔起或拦腰折断。图 4是2009年7月24日00时00分的地面风速等值线分布图，可以看出在任县与南和之间存在一个10¹量级的风速极大值区。从风场的分布来看，铁塔倒塌地点正好位于气旋的中心位置，任县先出现24.1 m·s^-1大风，3分钟后南和出现24.8 m·s^-1的大风，铁塔倒塔时间正好发生在24日00时前后，与当地出现大风的时间相吻合。根据近地面风速廓线指数模式变化方程^[8]：$u = {u_1}{(\frac{z}{{{z_1}}})^\alpha }$，其中，u₁为高度z₁的平均风速，u为近地层任一高度z上的平均风速，α为某一与层结有关的参数。参数α与季节和地区的不同有所差异，夏季参考值α取值范围0.21~0.26，理论上计算南和7月24日00时30 m高度的风速为31.3~33 m·s^-1。因此，南和30 m高度上的风速超过电力输电铁塔抗风能力30 m·s^-1值^{[1, 3]}。

3.2 成因分析

夏半年强对流天气伴随的局地瞬时大风，往往造成输电线杆受力不均衡，特别是电线本身的重量在大风的影响下产生的力，使得电线杆瞬间受力极不均衡而发生断裂、倒杆。当有一根或几根电线杆被刮断、倾倒时，受电线牵引力和风作用力的影响，其相邻的电线杆受力平衡遭到破坏，以致出现一连串的电线杆被刮倒、刮断等事故；同样串性输电铁塔倒塔主要是由于一座电塔被大风刮倒，牵连相邻电塔发生倾倒折断事故。另外，部分输电线路与公路两旁的大树呈平行走向，且相邻较近，大风刮断树枝、刮倒树干从而导致了压断电线或撑倒电杆等事故的发生。在初春、严冬季节，由于系统性大风容易造成电线舞动，特别是在出现雨夹雪、冻雨等情况下，电线积雪或结冰^[9]，使得电线重量增加，在风的作用下电线舞动，护线条大量损坏，导线因严重磨损断落，以至出现电线磨损短线、掉闸闪络事故等。

4 大风灾害电网设施损坏统计特征及气象服务对策 4.1 大风灾害电网设施损坏统计

表 2是1983—2008年间大风灾害造成电网设施损坏分类及年代变化统计。从大风灾害造成电网设施灾情统计分析看，大风灾害造成输电线杆被刮倒、刮断是最常见的灾害，在407个样本中，发生电力系统输电线路电线杆被大风刮倒、刮断的有316起，占样本总数的77.6%。变电器毁坏也是雷雨大风灾害造成电力事故的一个主要特征。在大风灾害特别严重的情况下，还会发生电塔倒塔事故，26年间发生大风致电塔倒塌事故9起，其中最为严重的一次是2001年6月15日夜间，唐海县出现雷雨、大风、冰雹等强对流天气，瞬时风力达到9级(22 m·s^-1)，903根低压电线杆被刮倒，涉及线路长3800 m，5座110 kV电杆铁塔被大风刮倒，一台500 kV变压器被毁，断电2天，直接经济损失2000万元。大风灾害造成的电力系统安全事故不是孤立出现的，而是相互联系。一次灾害性天气往往造成输电线电杆被刮倒、刮断、电力设施开关跳闸、变电器毁坏等，甚至输电铁塔被刮倒等多项灾害并发。无论哪种灾害都带来了大面积停电和严重的经济损失。因此做好大风灾害性天气的预报服务至关重要。

4.2 气象服务对策

加强气象监测^[10]，为预报预警提供基础。现有的气象站一般都布设在县城和市区，而电力输电线路和铁塔都布设在野外，因此气象站点无论是密度上，还是位置上都不能满足野外特殊观测的需要。为此，需要加强野外特别是灾害性天气多发区域自动监测站建设，以满足电力行业灾害性天气监测需求。

开展针对性强的气象服务研究。根据云图、天气雷达、地面自动站等多手段监测资料及综合气象资料，提早做出灾害性天气判断，并及时做好针对性强的气象服务，使电力部门能及时采取应对措施，减少和降低灾害性天气损失。

建立电力灾害评估机制^[11-13]。根据大风灾害造成的电力影响，及时作出灾害预评估，为电力部门及时有效的防御灾害性天气造成的损失提供支持。

建立信息联动机制和畅通的信息发布渠道。气象和电力两部门加强业务交流，气象部门要充分了解行业需求，在大风灾害来临前，将有用的信息及时发布出去，供电力部门决策参考。

提高大风灾害多发区域电力设备抗风能力。河北省地形、天气气候复杂，根据气候资料及电力设备抗灾需求，在重点区域提高电力设备抗风设计标准，增强其抗灾性能。

5 结语与讨论

利用河北省1983—2008年大风灾害对电力设施损坏实例资料，从大风灾害发生的时间、空间及损害电力设施类型等方面，揭示了河北省大风灾害的分布特征。

(1) 7~12级的大风是影响河北省电网安全事故的主要灾害性大风。6—8月为大风灾害电网安全事故高峰期，占全年大风灾害总次数的83%。1983—2008年平均每年大风灾害对电力设施造成的损坏次数为15.5次，26年间随时间呈略减少趋势。

(2) 大风灾害电网安全事故地理分布具有明显的区域性，主要集中在三个区域：(a)燕山南麓的唐山地区；(b)太行山东麓的保定地区；(c)沧州、秦皇岛沿海区域。

(3) 在多种电力设施中，输电线电杆被大风刮断、刮倒是最主要的灾害损失，变电器被烧毁、输电铁塔被刮倒也是主要的电力设施损失，其造成的直接经济损失也最为严重。

大风灾害是一种突发性强的灾害天气，掌握大风灾害对电力设施损坏时空分布规律，做好防御工作具有重要的社会意义。可通过以下对策加强预防：(a)加强气象监测，为预报预警提供基础；(b)开展针对性强的气象服务研究，提高预警服务能力；(c)建立电力灾害评估机制；(d)建立信息联动机制和畅通的信息发布渠道；(e)提高大风灾害多发区域电力设备抗风能力。