基本風壓公式在高海拔區域應用的誤差分析

宋 俊，王瑋瑋，桂紅華

(1.中國電力規劃設計協會，北京 10020；2.中南電力設計院，湖北 武漢 430071)

近年來，以糯扎渡水電站開發為代表一系列工程，極大刺激了云南電網事業的發展，主要表現在云廣直流、糯扎渡送電廣東直流等位于高海拔地區的輸電工程相繼上馬。由于高海拔地區空氣密度較小，基本風壓計算公式ω0＝v2/1600沒有考慮空氣密度的影響，不能簡單應用于高海拔地區，必須對其進行空氣密度修正，否則會導致過大的計算誤差。

云南思茅地區作為糯扎渡送電廣東直流、思茅至通寶等輸電工程的起點，其接地級線路基本風速的合理確定，對這一系列工程經濟造價、安全運行具有重大意義。

1 基本風壓的定義

現行《建筑結構荷載規范》(GB50009－2001)(2006版)(以下簡稱《規范》)規定基本風壓是指風荷載的基準壓力，一般按當地空曠平坦地面上10 m 高度處10 min平均的風速觀測數據，經概率統計得出50 年一遇最大值確定的風速，再考慮相應的空氣密度，按公式ω0＝ρv2/2確定的風壓。基本風壓要能反映本地區較大范圍內的氣象特點，避免局部地形和環境的影響。現在，國內氣象站多采用風杯式自記風速儀，在確定風壓時，必須考慮各臺站觀測當時的空氣密度。從《規范》附錄D基本雪壓和風壓的確定方法，可查得考慮空氣密度的公式為：

由公式(1)又可推導出由基本風壓計算基本風速的公式如下：

式中：ω0為基本風壓，v0為50年一遇的基本風速，ρ為空氣密度。

《規范》條文說明中指出，以往國內的風速記錄大多數根據風壓板的觀測結果，刻度所反映的風速實際上是統一根據標準的空氣密度1.25 kg/m3按上述公式反算而得，因此以往在按該風速確定風壓時，可統一按公式ω0＝v2/1600計算。

標準空氣密度是標準大氣壓1013 hPa(水銀柱高為760 mm標準大氣壓)下、溫度為15℃時、緯度45°的海平面處計算出來的，該公式為：

其中，干空氣重度r= 12.25 Pa，g= 9.8 m/s2，可得ρ=1.25 kg/m3，將式 (3)代回式 (2)，可推演出在標準狀態下由基本風壓值計算基本風速的公式：

在標準狀態下由基本風速計算基本風壓的公式：

2 送電線路基準風壓計算公式

根據現行相關規定，基本風速應根據沿線氣象資料的數理統計結果，參考《規范》的風壓圖以及附近已有線路的運行經驗確定。其中，110 kV～330 kV輸電線路重現期為30年一遇；500 kV、750 kV輸電線路重現期為50年一遇。

現行送電線路相關導則中關于導線及地線、桿塔以及絕緣子基準風壓的標準值，統一采用如下簡化公式計算：

v為離地10m高度處的基本風速。可見，現行送電相關導則中計算基準風壓的標準值采用公式實際上是標準狀態下由基本風速計算基本風壓的公式(5)。這樣采用，用以往風壓板測出的風速計算時是正確的；在低海拔地區，如海拔為30 m的地區應該采用ω0＝v2/1605，采用簡化公式計算出的基準風壓只是偏大0.3%，其區別也不大；但海拔達到1000 m的地區，應該采用ω0＝v2/1768，采用簡化公式計算結果偏大了10.5%。

3 思茅地區基準風壓取值

3.1 思茅地區基本風速的計算

以思茅地區接地極線路為例，據相關規范，500 kV接地極線路按照220 kV輸電線路設計要求考慮，其基本風速的設計重現期為30年一遇。思茅氣象站經緯度為100°58′E、22°47′N，海拔高度1302.1 m。10、50、100年一遇的風壓值分別為：0.25、0.45、0.55 kN/m2。

由于《規范》根據新的觀測資料重新對全國各氣象臺站統計了風壓和雪壓，并將風雪荷載的基本值的重新期由30年一遇改為50年一遇，故還需根據下式轉換為其他重現期R對應風壓值：

其中，x100、x10分別為100年一遇風壓值、10年一遇風壓值。若求思茅地區30年一遇風壓值，則根據式(7)算得該值約為0.39 kN/m2。

若以常用簡化公式 由風壓計算風速，則思茅地區30年一遇基本風速約為25.1 m/s。但是云南的地理位置具有海拔高、緯度低特點，與簡化公式中標準空氣密度要求有較大差別，故空氣密度需要重新求算。《規范》中給出了密度隨海拔高度變化的簡要計算公式：

思茅地區的海拔高度z=1302 m，代入式(8)計算得空氣密度ρ＝0.0011 t/m3＝1.1 kg/m3，再由式 ，可推出思茅地區30年一遇基本風速約為26.7 m/s。

可見，采用簡化公式 計算結果偏小，不安全。本工程30年一遇的基本風速推薦采用由風壓推算值26.7 m/s(近年來思茅氣象站周圍建設了不少高樓房，采用實測風速計算值較小)。

3.2 接地極線路基準風壓的計算

根據以上計算，思茅地區30年一遇基本風速為26.7 m/s，據現行相關規定的計算公式ω0＝v2/1600計算出思茅地區30年一遇基準風壓為0.45 kN/m2。從以上基本風速的計算過程可知，該地區30年一遇實際基準風壓為0.39 kN/m2，計算值偏大了15%。如果設計專業知道水文氣象專業基本風速的取值過程，直接采用0.39 kN/m2作為接地極線路的基準風壓就不會出現取值偏大的現象，無需采用ω0＝v2/1600進行計算。可見，公式的使用條件錯誤還可導致送電線路各專業之間接口的計算錯誤。

4 誤差分析

從式(2)、(8)可看出，隨著海拔高度增高，密度ρ不斷減小，基本風速相應地不斷增加。由于簡化計算的vf不考慮密度變化，所以總是小于真值vt，故式(9)可以簡化為：

采用常規簡化公式ω0＝v2/1600計算出的基準風壓值一般偏大，偏大的相對誤差計算公式：

5 結語

(1) 《規范》中的基本風壓值對城市附近空曠平坦地區的代表性較好，而輸電線路多走在荒山大嶺，因此還需考慮微地形、微氣象的影響，才能得出工程地點可靠的風壓值。

(2) 當線路位于高海拔地區，若由氣象站自記觀測儀器實測的風速經過統計計算得出或由公式 推算，并統一采用簡化公式 計算導線及地線、桿塔以及絕緣子的基準風壓標準值，由于未考慮空氣密度的影響，所計算的基本風壓標準值偏大，造成了浪費。

(3) 當線路位于高海拔地區，若按常用公式推算得出基本風速時，其計算的風速值一般偏小，基準風壓的計算結果偏小，偏于不安全。

(4)在工程設計過程中，建議相關專業多溝通協商，氣象報告中寫明設計風速及基本風壓的計算方法，以避免設計專業重復考慮，造成計算錯誤。

(5)基準風壓計算公式在中國廣大的低海拔地區應用時誤差不大，但在高海拔地區的誤差較大。當海拔在1000 m以上時，其基準風壓的計算誤差超過了10%。

[1]DL/T5158－2002，電力工程氣象勘測技術規程[S]．

[2]GB50009－2001，建筑結構荷載規范[S]．

[3]Q/DG1－D005－2009，110 kV～750 kV架空輸電線路設計技術導則[S]．