750 kV金昌—安西送電線路工程玉門段設(shè)計風(fēng)速的計算分析

穆紅文，王國尚，劉亞峰，張千山

（甘肅省電力設(shè)計院，蘭州市，730050)

0 引言

輸電線路桿塔荷載主要包括塔身風(fēng)荷載和桿塔自重荷載，導(dǎo)線風(fēng)荷載、導(dǎo)線張力、導(dǎo)線覆冰和導(dǎo)線自重荷載等。除耐張塔由導(dǎo)線張力、轉(zhuǎn)角度數(shù)控制之外，直線塔多數(shù)桿件設(shè)計是由大風(fēng)工況控制，尤其是750 kV高壓輸電線路鐵塔，鐵塔較高，風(fēng)荷載的影響就更大。風(fēng)荷載與設(shè)計風(fēng)速的平方成正比，設(shè)計風(fēng)速取值越高，鐵塔抗擊風(fēng)的能力就越大，發(fā)生超越設(shè)計風(fēng)速的概率就越低，線路安全運(yùn)行的保證率就越高，但鐵塔重量也越大，導(dǎo)致工程造價增加，而設(shè)計風(fēng)速取值太小會造成倒塔斷線事故[1-3]。要做出較客觀的大風(fēng)估計值，達(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)，這是電力部門尤其是氣象部門必須認(rèn)真研究的問題。本文就750 kV輸電線路設(shè)計中風(fēng)速取值問題進(jìn)行探討。

1 資料來源和氣象觀測情況

750 kV金昌—安西送電線路工程玉門鎮(zhèn)段線路基本行進(jìn)在戈壁灘上，地形平坦、空曠，海拔在1 524～1 548m之間，地面粗糙度屬B類。玉門段的基本風(fēng)要素特征和設(shè)計風(fēng)速的資料主要來源于玉門鎮(zhèn)氣象站。玉門鎮(zhèn)氣象站位于玉門市玉門鎮(zhèn)南門外，屬國家基本氣象站，從1955至2007年已積累53年風(fēng)速資料，其中1955—1985年為定時觀測，1986—2007年為自記觀測。資料超過25年，可用于風(fēng)速統(tǒng)計計算。玉門昌馬風(fēng)電場測風(fēng)塔地處玉門鎮(zhèn)西南6.5 km處，750 kV線路從其西北2 km處通過。于2007年4月9日—12月31日共265天在測風(fēng)塔上進(jìn)行了3層的梯度風(fēng)觀測，但資料太短，故只采用玉門鎮(zhèn)氣象站的基本風(fēng)資料，風(fēng)電場資料可用來建立線路與氣象站最大風(fēng)速關(guān)系。

2 玉門鎮(zhèn)區(qū)風(fēng)的基本特征

2.1 平均風(fēng)速

從表1可見，玉門鎮(zhèn)月平均風(fēng)速為3.0～4.5m/s，差異不顯著。最大平均風(fēng)速（4月份）與最小平均風(fēng)速（9月份）相差只有1.5m/s。從季節(jié)分布看，玉門鎮(zhèn)春季平均風(fēng)速最大，秋季最小。春季風(fēng)速大的原因是冷、暖空氣交匯頻繁，天氣多變常帶來大風(fēng)天氣，而秋季天氣相對穩(wěn)定，大風(fēng)出現(xiàn)較少，所以平均風(fēng)速也小。

表1 玉門氣象站1955—2007年的逐月平均風(fēng)速和大風(fēng)日數(shù)Tab.1 Meanmonthly w ind speed and strong w ind day from1955—2007 atYumenWeather Station

2.2 最大風(fēng)速

由表2可見，玉門鎮(zhèn)1955—2007年的年最大風(fēng)速為29m/s，對應(yīng)的風(fēng)向為WSW，出現(xiàn)在1955年8月14日。各月的最大風(fēng)速以8月份最大，為29m/s，1月份次之，為25.6m/s，其他各月最大風(fēng)速均大于20m/s。分析還發(fā)現(xiàn)，全年中有8個月的最大風(fēng)速出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，有2個月的最大風(fēng)速出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代。

表2 玉門鎮(zhèn)氣象站1961—1999年累年各月最大風(fēng)速Tab.2 Monthlymaximum w ind speed from 1961—1999 at YumenWeather Station

圖1顯示了玉門鎮(zhèn)歷年最大風(fēng)速的變化趨勢。從回歸曲線可以看出，最大風(fēng)速的總體變化趨勢是逐漸減小的，其中在1965—1989年間相對穩(wěn)定，風(fēng)速基本在20m/s以上，超過了此后17年的最大風(fēng)速，在1997年達(dá)到最小值12.3m/s，近幾年則呈現(xiàn)出上升趨勢。

圖1 玉門鎮(zhèn)1955—2007年最大風(fēng)速Fig.1 Maximum w ind speed from 1955—2007 atYumen

2.3 大風(fēng)日數(shù)

大風(fēng)日指風(fēng)力在8級以上或瞬間風(fēng)速大于或等于17.0m/s的日數(shù)。如表1所示，玉門鎮(zhèn)1955—2007年的平均大風(fēng)日數(shù)為40.7天。從季節(jié)分布看，春季最多，夏季次之，秋季和冬季相當(dāng)。從月分布看，3月和4月的大風(fēng)日數(shù)最多，53年分別平均為6.7天和5.3天，其余各月大風(fēng)日數(shù)多在2.0～3.0天。

2.4 最多風(fēng)向及頻率

由表3可見，玉門鎮(zhèn)各月最多風(fēng)向集中在E風(fēng)和W風(fēng)，年最多風(fēng)向為E風(fēng)，12個月中有9個月的最多風(fēng)向為E風(fēng)，其余的1，11，12月最多風(fēng)向為W。

表3 玉門氣象站1955—2007年各月出現(xiàn)最多風(fēng)向及頻率Tab.3 Monthly dominantw ind direction and frequency from1955—2007 atYumenWeather Station

2.5 各風(fēng)向頻率及最大風(fēng)速

如表4所示，玉門鎮(zhèn)E風(fēng)的頻率最大，為20％，其次是W風(fēng)，為16.7％；最大風(fēng)速為29m/s，對應(yīng)的風(fēng)向為WSW，其次為25m/s，對應(yīng)風(fēng)向為WNW。

全年各風(fēng)向下的頻率及最大風(fēng)速玫瑰圖如圖2所示。

3 線路設(shè)計風(fēng)速的推算

玉門鎮(zhèn)氣象站自1955年至2007年，已經(jīng)有了53年的觀測風(fēng)速資料，這些資料是計算設(shè)計風(fēng)速的基礎(chǔ)資料，它的準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到設(shè)計風(fēng)速取值是否

表4 玉門鎮(zhèn)氣象站1955—2007年各風(fēng)頻率和的最大風(fēng)速Tab.4 Differentw ind frequency andmaximum speed from1955—2007 atYumenWeather Station

圖2 全年各風(fēng)向下的頻率及最大風(fēng)速玫瑰圖Fig.2 Frequency andmaximum w ind speed rosemap under differentw ind directionsyearly

合理。因此，在進(jìn)行設(shè)計風(fēng)速計算之前，應(yīng)特別重視對年最大風(fēng)速序列的均一性進(jìn)行審查，若發(fā)現(xiàn)非均一性問題，則要查明原因，消除其影響。

3.1 年最大風(fēng)速的時次和高度換算

由于玉門氣象站在1955—1985年間最大風(fēng)速取自2min觀測，必須進(jìn)行“時距換算”[4]；定時2m in最大風(fēng)速與10m in最大風(fēng)速的關(guān)系為

式中 Y——自記10m in平均最大風(fēng)速；

X——2m in平均最大風(fēng)速。

為了消除風(fēng)儀離地面高度不同對風(fēng)速大小的影響，使之能滿足《電力工程氣象勘測技術(shù)規(guī)程》中對風(fēng)儀離地面高度要求10m的規(guī)定，利用指數(shù)公式，將氣象站風(fēng)儀離地面10.6m高度上的年最大風(fēng)速，統(tǒng)一換算到離地10m高處的年最大風(fēng)速。

3.2 年最大風(fēng)速序列均一性的審查和修正

圖3為時次修正10m in平均年最大風(fēng)速與觀測的10min平均最大風(fēng)速點(diǎn)繪的年最大風(fēng)速隨時間變化的曲線。可以看出，氣象站的年最大風(fēng)速的序列存在明顯的不連續(xù)現(xiàn)象，1955—1989年期間的年最大風(fēng)速（21.3m/s），明顯地大于1990—2007年期間的年最大風(fēng)速（16.0m/s），1990—2007年期間的年最大風(fēng)速的平均減小幅度高達(dá)24.8％。玉門鎮(zhèn)氣象站在1956年遷往玉門鎮(zhèn)南門“郊區(qū)”后，50年以來沒有遷過站，可以判斷測站位置遷移對最大風(fēng)速減小沒有影響。原因有2個：一是隨著全球氣候變暖，尤其是從1989年以來，冷空氣的頻率和強(qiáng)度減弱，使得本地區(qū)風(fēng)速減小；二是玉門鎮(zhèn)氣象站周圍的環(huán)境發(fā)生了重大的變化。1990年以前，氣象站四周空曠開闊，觀測到的風(fēng)速是大氣運(yùn)行中的實際風(fēng)速；20世紀(jì)80年代末和90年代中后期，測站周圍建起了高樓，使得氣象站的風(fēng)速顯著減小，所以該氣象站1990年后的觀測值已不能代表自然狀態(tài)下的實際風(fēng)速。因此，在計算年最大風(fēng)速的概率時，要對1990—2007年的資料進(jìn)行合理的修正。

圖3 玉門鎮(zhèn)氣象站10m高處的逐年最大風(fēng)速變化圖Fig.3 Annualmaximum w ind speed variation at10m of Yumen Weather Station

玉門昌馬測風(fēng)塔周邊環(huán)境幾乎沒有受到人為的影響，圖4為玉門昌馬測風(fēng)塔和玉門鎮(zhèn)氣象站2007年4月9日—12月31日共265天對應(yīng)時間的10m高10min最大風(fēng)速圖。由圖4可知，每天最大風(fēng)速都是昌馬測風(fēng)塔的大于玉門鎮(zhèn)氣象站的；從回歸曲線變化趨勢來看，兩者均為風(fēng)速從先期的大到小到再增大的趨勢，且昌馬風(fēng)電場風(fēng)速比玉門氣象站風(fēng)速平均大2.0m/s左右。圖5為玉門鎮(zhèn)氣象站天最大風(fēng)速與昌馬測風(fēng)塔對應(yīng)天最大風(fēng)速的線型擬合圖，其回歸表達(dá)式為

式中 y——昌馬風(fēng)電場最大風(fēng)速；

x——玉門鎮(zhèn)氣象站最大風(fēng)速。

這表明，在相同的天氣系統(tǒng)影響下，這2個測站最大風(fēng)速的相關(guān)性是好的。利用以上關(guān)系對玉門鎮(zhèn)氣象站1990—2007年間的年最大風(fēng)速進(jìn)行修正，之后與玉門鎮(zhèn)1955—1985年間的年最大風(fēng)速一起構(gòu)成了1955—2007年的完整的相當(dāng)于空曠地上的10m高度10m in平均年最大風(fēng)速的序列，可用于基本風(fēng)速的概率推算。

3.3 年最大風(fēng)速的概率計算

《110～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定750 kV送電線路設(shè)計時的重現(xiàn)期為50年，由10min

圖4 玉門昌馬測風(fēng)塔和玉門鎮(zhèn)氣象站天最大風(fēng)速變化Fig.4 Dailymaximum w ind speed variation at Changma Wind Measuring Tower and Yumen Weather Station

圖5 玉門昌馬測風(fēng)塔和玉門鎮(zhèn)氣象站最大風(fēng)速線型擬合Fig.5 Maximum w ind speed linear fitting between Changma Wind Measuring Towerand YumenWeather Station

平均年最大風(fēng)速推算50年重現(xiàn)期的數(shù)學(xué)期望值作為基本風(fēng)速。最新國標(biāo)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》對資料年限有明確的要求：“選取的年最大風(fēng)速數(shù)據(jù)，一般應(yīng)有25年以上的資料，采用極值Ⅰ型分布函數(shù)來進(jìn)行最大風(fēng)速的計算”[5]。本文使用53年的10m in平均年最大風(fēng)速資料，符合規(guī)范的要求。在此，采用極值Ⅰ型分布擬合極值頻率分布。

式中：xp為重現(xiàn)期為T對應(yīng)的最大風(fēng)速；x為樣本中歷年最大風(fēng)速的平均值，m/s；Cv為離差系數(shù)，

由上式計算得玉門鎮(zhèn)氣象站100，50，30年一遇的10m in年最大風(fēng)速值分別為33.1，31.5，30.3m/s。

3.4 線路設(shè)計風(fēng)速

玉門鎮(zhèn)氣象站位于玉門市玉門鎮(zhèn)南門外“郊外”，地勢較高，周圍空曠，1990年以前氣象站幾乎不受人類活動的影響，其所測風(fēng)速對玉門鎮(zhèn)區(qū)具有較好的代表性，1990年后氣象站受人類活動的影響，風(fēng)速代表性較差，采用昌馬測風(fēng)塔資料對其進(jìn)行修正后，可得到玉門鎮(zhèn)1955—2007年共53年完整的相當(dāng)于空曠地上的10 m高度10 m in平均年最大風(fēng)速的序列。750 kV金昌—安西送電線路工程玉門段線路地處山前洪積扇上，地勢較低，無需進(jìn)行山區(qū)風(fēng)速調(diào)整[6]，故線路設(shè)計風(fēng)速可按玉門鎮(zhèn)氣象站50年一遇風(fēng)速設(shè)計，為31.5m/s。

4 結(jié)論

（1）玉門鎮(zhèn)全年盛行東風(fēng)，累年最大風(fēng)速為29m/s，對應(yīng)風(fēng)向為WSW，累年平均大風(fēng)日數(shù)為40.7天，產(chǎn)生破壞性的大風(fēng)基本上是寒潮大風(fēng)和氣旋大風(fēng)。

（2）氣象站年最大風(fēng)速是計算風(fēng)荷載的重要基礎(chǔ)資料，應(yīng)用時應(yīng)充分考慮和分析資料的均一性和氣象站代表性。經(jīng)對玉門鎮(zhèn)氣象站資料的分析和修正，計算出750 kV金昌—安西送電線路工程玉門段設(shè)計風(fēng)速為31.5m/s。

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