山區(qū)架空輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速計(jì)算分析

謝直卉

(四川省電力設(shè)計(jì)院，四川 成都 610072)

山區(qū)架空輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速計(jì)算分析

謝直卉

(四川省電力設(shè)計(jì)院，四川 成都 610072)

設(shè)計(jì)風(fēng)速是架空輸電線路設(shè)計(jì)中重要的氣象要素之一，設(shè)計(jì)風(fēng)速的合理取值直接關(guān)系到工程的安全與經(jīng)濟(jì)。絕大多數(shù)地處山區(qū)的輸電線路無(wú)專門的氣象觀測(cè)站，在確定線路設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，可通過(guò)代表性氣象參證站風(fēng)速資料進(jìn)行頻率計(jì)算以及利用基本風(fēng)壓反算的方法先計(jì)算設(shè)計(jì)風(fēng)速，再將該設(shè)計(jì)風(fēng)速按照調(diào)整公式計(jì)算出山區(qū)風(fēng)速，通過(guò)大風(fēng)調(diào)查以及結(jié)合附近已有線路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，綜上對(duì)山區(qū)架空輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速進(jìn)行分析和取值。根據(jù)現(xiàn)行新的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和《電力工程氣象勘測(cè)技術(shù)規(guī)程》，為山區(qū)架空輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速的計(jì)算和確定提供了分析思路和方法。

設(shè)計(jì)風(fēng)速；輸電線路；計(jì)算；方法

0 引 言

山區(qū)架空輸電線路由于受地形、地貌、下墊面因素以及收資條件的影響，其設(shè)計(jì)風(fēng)速的確定應(yīng)綜合分析各種影響因素。有資料條件的地區(qū)，可利用附近氣象參證站的風(fēng)速資料進(jìn)行選用、統(tǒng)計(jì)和數(shù)學(xué)分析，資料條件差的地區(qū)，可利用基本風(fēng)壓反算設(shè)計(jì)風(fēng)速的方法。結(jié)合大風(fēng)調(diào)查情況以及結(jié)合附近已有線路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，確定出山區(qū)架空輸電線路的設(shè)計(jì)風(fēng)速，為山區(qū)架空輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速的計(jì)算和確定提供了分析思路和方法。

1 氣象站設(shè)計(jì)風(fēng)速計(jì)算

1.1 代表性氣象站風(fēng)速資料進(jìn)行頻率計(jì)算推求設(shè)計(jì)風(fēng)速

該方法計(jì)算設(shè)計(jì)風(fēng)速主要分為原始資料的收集與審查、風(fēng)速的高度訂正、次時(shí)換算、頻率計(jì)算4個(gè)步驟。

首先選擇代表性、距線路工程區(qū)域最近的氣象站作為參證站，歷年觀測(cè)的至少25年以上的最大風(fēng)速資料作為樣本，資料年限不足的，應(yīng)選擇鄰近有長(zhǎng)期資料觀測(cè)站的資料進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)資料系列，對(duì)選擇的風(fēng)速樣本進(jìn)行“三性”(代表性、可靠性、一致性)審查。若觀測(cè)的風(fēng)速儀高度與標(biāo)準(zhǔn)高度不一致時(shí)，要將臺(tái)站的風(fēng)速記錄統(tǒng)一換算為離地面10 m高處的風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)速隨高度變化的指數(shù)公式計(jì)算高度為Z處的風(fēng)速為

式中，地面粗糙度系數(shù)α的取值根據(jù)以下類別進(jìn)行選擇。A類區(qū)指近海海面、海島、海岸及沙漠地區(qū)，取α=0.12；B類區(qū)指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵及房屋比較稀疏的中小城鎮(zhèn)和大城市郊區(qū)，取α=0.16；C類區(qū)指有密集建筑群的城市市區(qū)，取α=0.22；D類區(qū)指有密集建筑群且房屋較高的大城市市區(qū)，取α=0.30。若氣象站為定時(shí)觀測(cè)2 min平均最大風(fēng)速，應(yīng)將其進(jìn)行次數(shù)和時(shí)距的換算至自記10 min平均最大風(fēng)速，換算公式為V10=αV2min+b，系數(shù)a、b可通過(guò)搜集當(dāng)?shù)胤治龀晒蚋鶕?jù)資料計(jì)算確定。

最后，按上述風(fēng)速資料進(jìn)行均一化處理，換算成10 m高自記10 min平均最大風(fēng)速資料后，進(jìn)行頻率計(jì)算，常采用的方法有P-Ⅲ型曲線法和極值分布法(耿貝爾)，其中P-Ⅲ型曲線法在電力系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛，應(yīng)用時(shí)可根據(jù)各地不同情況采用不同的線型。

在計(jì)算設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，根據(jù)《電力工程氣象勘測(cè)技術(shù)規(guī)程》架空輸電線路工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，110～330 kV架空輸電線路工程的基本風(fēng)速設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為30年，500～750 kV、±500 kV輸電線路工程的基本風(fēng)速設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為50年、1 000 kV、±800 kV輸電線路工程的基本風(fēng)速設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為100年。

1.2 利用基本風(fēng)壓反算設(shè)計(jì)風(fēng)速

GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定，基本風(fēng)壓是50年重現(xiàn)期、離地10 m高、采用自記式風(fēng)速儀記錄的10 min平均年最大風(fēng)速為標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算的風(fēng)壓，現(xiàn)行規(guī)范補(bǔ)充了全國(guó)各氣象臺(tái)站處1995年至2008年的年極值風(fēng)速數(shù)據(jù)，重新進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并編制出全國(guó)各城市的風(fēng)壓表和全國(guó)基本風(fēng)壓分布圖。當(dāng)線路工程在當(dāng)?shù)責(zé)o風(fēng)速資料時(shí)，可根據(jù)附近地區(qū)的基本風(fēng)壓(風(fēng)壓表或基本風(fēng)壓圖)近似確定。

在輸電線路工程中，氣象上要提供的是設(shè)計(jì)風(fēng)速資料，這時(shí)就需利用基本風(fēng)壓反算出設(shè)計(jì)風(fēng)速。按伯努利(Bernoulli)公式換算設(shè)計(jì)風(fēng)速，公式如下。

式中，V為基本風(fēng)速，m/s；W為基本風(fēng)壓，kN/m2；Kv為風(fēng)壓系數(shù)。其中，基本風(fēng)速和基本風(fēng)壓的定義是：“根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)站歷年來(lái)的最大風(fēng)速記錄，按基本風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)要求，將不同風(fēng)速儀高度和時(shí)次時(shí)距的年最大風(fēng)速，統(tǒng)一換算為離地10m高，自記10min平均年最大風(fēng)速數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析確定重現(xiàn)期為50年的最大風(fēng)速，作為當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)速V″。風(fēng)壓系數(shù)Kv在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，緯度45°的海平面處、760mmHg標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、氣溫為15 ℃時(shí)的干空氣應(yīng)采用1/1 600。在非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，風(fēng)壓系數(shù)的計(jì)算如下。

Kv=ρ/2

式中，ρ為空氣密度，t/m3?？諝饷芏圈芽砂聪率接?jì)算。

式中，t為空氣溫度，℃；p為氣壓，Pa；pvap為水汽壓，Pa。t、p、pvap均為當(dāng)?shù)囟嗄昶骄怠Ｈ羧狈ζ骄鶜鉁刭Y料時(shí)，空氣密度ρ也可根據(jù)所在地的海拔高度z(m)按下式近似估算。

ρ=0.001 25e-0.0001z

設(shè)計(jì)風(fēng)速的計(jì)算根據(jù)輸電線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，不同等級(jí)的輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速采用不同的重現(xiàn)期，可按照伯努利公式反算出某一設(shè)計(jì)重現(xiàn)期離地10m高自記10min平均最大風(fēng)速。

2 山區(qū)設(shè)計(jì)風(fēng)速計(jì)算

由于受地形的影響，山區(qū)設(shè)計(jì)風(fēng)速最行之有效的方法是直接在工程地點(diǎn)建站觀測(cè)，并與鄰近氣象站進(jìn)行相關(guān)分析，生成輸電線路的風(fēng)速系列。華北電力設(shè)計(jì)院與中國(guó)氣象科學(xué)研究院合作，采用TayLor-Lee的風(fēng)譜模型，結(jié)合華北地區(qū)的山峰風(fēng)速的實(shí)測(cè)資料，對(duì)山頂與山下氣象站的風(fēng)速關(guān)系進(jìn)行研究，但成果仍有一定的局限性，無(wú)普遍適用性。

當(dāng)無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí)，山區(qū)架空輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速應(yīng)由參證站設(shè)計(jì)風(fēng)速相應(yīng)的風(fēng)壓值乘以調(diào)整系數(shù)后，再反算得出設(shè)計(jì)風(fēng)速。山區(qū)風(fēng)壓調(diào)整系數(shù)，盡可能采用實(shí)測(cè)資料分析成果。

表1 山區(qū)風(fēng)壓調(diào)整系數(shù)

3 山區(qū)大風(fēng)調(diào)查

大風(fēng)調(diào)查是對(duì)氣象站風(fēng)速資料的補(bǔ)充和完善，為分析確定設(shè)計(jì)風(fēng)速提供參考。一般情況下，大風(fēng)調(diào)查在工程地點(diǎn)附近3～5km范圍進(jìn)行，先搜集工程地點(diǎn)附近的風(fēng)災(zāi)資料，根據(jù)災(zāi)情定出風(fēng)力，可查閱風(fēng)力等級(jí)表，換算成相應(yīng)風(fēng)速；還可搜集當(dāng)?shù)貧庀?、工程建設(shè)部門對(duì)風(fēng)速、風(fēng)壓知情人員進(jìn)行調(diào)查。對(duì)調(diào)查大風(fēng)資料進(jìn)行可靠性和重現(xiàn)期分析，最后分析估算出設(shè)計(jì)風(fēng)速范圍。

山區(qū)輸電線路大風(fēng)調(diào)查中還應(yīng)搜集微地形氣候影響、山坡山麓風(fēng)速變化特征及當(dāng)?shù)厣絽^(qū)風(fēng)速分析計(jì)算方法，并對(duì)附近山頂、山麓的站風(fēng)速資料進(jìn)行分析比較。

4 山區(qū)輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速分析及取值

確定山區(qū)輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速是一個(gè)綜合分析的過(guò)程。通過(guò)工程地區(qū)大風(fēng)調(diào)查和對(duì)比觀測(cè)、分析移用參證站設(shè)計(jì)風(fēng)速、風(fēng)壓反算設(shè)計(jì)風(fēng)速，結(jié)合工程地點(diǎn)附近大風(fēng)調(diào)查以及已有輸電線路的設(shè)計(jì)風(fēng)速及運(yùn)行情況等因素綜合分析確定山區(qū)架空輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速值并劃分風(fēng)區(qū)。在此過(guò)程中，應(yīng)將參證站設(shè)計(jì)風(fēng)速計(jì)算成果與該地區(qū)基本風(fēng)壓等值線圖或全國(guó)基本風(fēng)壓等值線圖作對(duì)比分析，若計(jì)算出的設(shè)計(jì)風(fēng)速值小于風(fēng)壓圖上風(fēng)速時(shí)，宜采用風(fēng)壓圖的數(shù)值。當(dāng)工程點(diǎn)當(dāng)?shù)貨](méi)有風(fēng)速資料時(shí)，可根據(jù)附近地區(qū)規(guī)定的基本風(fēng)壓或長(zhǎng)期資料，應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘調(diào)查，結(jié)合地形、氣象等條件的對(duì)比分析進(jìn)行綜合分析確定，從安全出發(fā)取較大值，提高其安全性。

風(fēng)區(qū)劃分以一個(gè)風(fēng)區(qū)段內(nèi)各點(diǎn)的設(shè)計(jì)風(fēng)速基本相等；一個(gè)風(fēng)區(qū)段內(nèi)屬同一氣候區(qū)，形成大風(fēng)的天氣條件大體一致；一個(gè)風(fēng)區(qū)段內(nèi)地形條件類似，海拔相當(dāng)?shù)仍瓌t，根據(jù)沿線地形情況，概化為一個(gè)或幾個(gè)設(shè)計(jì)風(fēng)速區(qū)段。由于輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)荷載以一個(gè)耐張段為同一風(fēng)區(qū)，為方便設(shè)計(jì)計(jì)算，故風(fēng)區(qū)劃分不宜多，距離不宜太短，風(fēng)區(qū)級(jí)差一般在2～5m/s。

5 算例分析

某一220kV送電線路工程地處云南省山區(qū)境內(nèi)，地勢(shì)高差突出，氣候差異較大，立體氣候特征明顯，路徑海拔一般在820～1 210m之間，以中山、低山為主，屬南亞熱帶低熱丘陵氣候，線路位于低緯度季風(fēng)區(qū)，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)。 工程路徑地區(qū)無(wú)氣象站風(fēng)速實(shí)測(cè)資料，故可利用基本風(fēng)壓反算設(shè)計(jì)風(fēng)速。根據(jù)查全國(guó)基本風(fēng)壓圖，當(dāng)?shù)氐貐^(qū)基本風(fēng)壓為0.3kN/m2(按50年一遇風(fēng)壓考慮)，通過(guò)乘以山區(qū)調(diào)整風(fēng)壓系數(shù)后，再反估算得出設(shè)計(jì)風(fēng)速，計(jì)算得該區(qū)域10m高50年一遇10min平均最大風(fēng)速為24.17m/s，10m高30年一遇10min平均最大風(fēng)速為22.96m/s。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)大風(fēng)調(diào)查及查閱當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)史料，線路附近地區(qū)的歷史大風(fēng)情況如下： 1977年6月1日14時(shí)，該市營(yíng)建路的大青樹(shù)被大風(fēng)吹斷，該市壩部分甘蔗被吹斷。1984年3月15日22時(shí)，遮放糖廠遭大風(fēng)襲擊，吹倒臨時(shí)工棚56間，清凈煮煉車間屋頂上的“風(fēng)帽”吹掉4個(gè)，廠區(qū)水泥電桿吹斷一根，部分照明電線被吹斷。

線路位于低緯度季風(fēng)區(qū)，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，年平均風(fēng)速0.9m/s，屬于微風(fēng)區(qū)，但歷年大于八級(jí)的大風(fēng)最多年達(dá)19天，以3～5月出現(xiàn)為多，占全年大風(fēng)日的75%。

沿線附近地區(qū)已建有送電線路多條，附近芒東線、芒帕線等110kV線路設(shè)計(jì)風(fēng)速為25m/s，運(yùn)行至今情況良好，無(wú)風(fēng)害事故；芒盈線、芒潞線等220kV線路設(shè)計(jì)風(fēng)速為30m/s，建成至今無(wú)風(fēng)害事故。

根據(jù)線路地區(qū)氣象站設(shè)計(jì)風(fēng)速計(jì)算結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)大風(fēng)調(diào)查情況、沿線地形地貌特點(diǎn)、下墊面糙度等因素分析以及附近已建線路的設(shè)計(jì)運(yùn)行情況綜合分析，推薦本工程全線離地15m高30年一遇10min平均最大風(fēng)速為30.0m/s。

6 結(jié) 語(yǔ)

1)山區(qū)架空輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速的計(jì)算可采用代表性氣象站風(fēng)速資料進(jìn)行頻率計(jì)算或者利用基本風(fēng)壓反算法，但必須考慮地形的影響。有條件時(shí)直接在工程地點(diǎn)建站觀測(cè)，并與鄰近氣象站進(jìn)行相關(guān)分析，生成輸電線路的風(fēng)速系列；有資料地區(qū)可建立風(fēng)速數(shù)值模型；無(wú)資料地區(qū)可采用壓調(diào)整系數(shù)法反算出設(shè)計(jì)風(fēng)速。

2)山區(qū)輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速確定前，宜作工程點(diǎn)大風(fēng)調(diào)查，為分析確定設(shè)計(jì)風(fēng)速提供參考。在設(shè)計(jì)風(fēng)速取值時(shí)應(yīng)將參證站資料、大風(fēng)調(diào)查情況以及現(xiàn)場(chǎng)踏勘調(diào)查作對(duì)比分析確定。

3)氣象站所觀測(cè)風(fēng)速資料作設(shè)計(jì)風(fēng)速計(jì)算能做較為準(zhǔn)確的計(jì)算，但對(duì)于山區(qū)架空輸電線路的設(shè)計(jì)風(fēng)速計(jì)算需考慮地形、下墊面等自然因素的復(fù)雜影響。在無(wú)建站條件和無(wú)資料地區(qū)，目前只有采用調(diào)整系數(shù)法進(jìn)行估算；資料條件充足時(shí)可建立數(shù)值模型進(jìn)行推算。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外也開(kāi)發(fā)了一些風(fēng)能資源評(píng)估系統(tǒng)軟件，可為計(jì)算山區(qū)架空輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速提供一定的參考依據(jù)，由于目前的風(fēng)能資源評(píng)估系統(tǒng)軟件是平均風(fēng)速的概念，尚缺乏一定的適用性，推求山區(qū)架空輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速還有待進(jìn)行更進(jìn)一步研究。

[1] GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2] DL/T 5158-2012，電力工程氣象勘測(cè)技術(shù)規(guī)程[S].

Design wind speed is one of the most important meteorological elements in the design of overhead transmission lines, and the reasonable value of design wind speed is directly related to the security and economy of the projects. There is no special meteorological observation station for transmission lines in most mountainous area. So when determining the design wind speed of those lines, the frequency calculation can be done by the wind speed data of representative meteorological station and the design wind speed can be calculated firstly using back calculation method with basic wind pressure. And then the design wind speed is adjusted according to the formula to calculate the wind speed in mountainous area. Through the wind investigation and combining with the experiences of the existing running lines nearby, the design wind speed of overhead transmission line in mountainous area is analyzed and set the values. According to the current "Load Code for the Design of Building Structures" and "Technical Code for Meteorological Survey in Electric Power Engineering", the proposed method provides the analyzing ideas and methods for the calculation and determination of design wind speed of overhead transmission line in mountainous areas.

design wind speed; transmission line; calculation; method

TM75

A

1003-6954(2015)03-0030-03

2014-12-29)

謝直卉(1982)，碩士，工程師，主要從事電力工程水文氣象勘測(cè)工作。