山區(qū)架空輸電線路設(shè)計風速計算分析

謝直卉

(四川省電力設(shè)計院，四川 成都 610072)

山區(qū)架空輸電線路設(shè)計風速計算分析

謝直卉

(四川省電力設(shè)計院，四川 成都 610072)

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

設(shè)計風速；輸電線路；計算；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)計風速的確定應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速資料進行選用、統(tǒng)計和數(shù)學分析，資料條件差的地區(qū)，可利用基本風壓反算設(shè)計風速的方法。結(jié)合大風調(diào)查情況以及結(jié)合附近已有線路的運行經(jīng)驗，確定出山區(qū)架空輸電線路的設(shè)計風速，為山區(qū)架空輸電線路設(shè)計風速的計算和確定提供了分析思路和方法。

1 氣象站設(shè)計風速計算

1.1 代表性氣象站風速資料進行頻率計算推求設(shè)計風速

該方法計算設(shè)計風速主要分為原始資料的收集與審查、風速的高度訂正、次時換算、頻率計算4個步驟。

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，歷年觀測的至少25年以上的最大風速資料作為樣本，資料年限不足的，應選擇鄰近有長期資料觀測站的資料進行插補延長資料系列，對選擇的風速樣本進行“三性”(代表性、可靠性、一致性)審查。若觀測的風速儀高度與標準高度不一致時，要將臺站的風速記錄統(tǒng)一換算為離地面10 m高處的風速，根據(jù)風速隨高度變化的指數(shù)公式計算高度為Z處的風速為

式中，地面粗糙度系數(shù)α的取值根據(jù)以下類別進行選擇。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。若氣象站為定時觀測2 min平均最大風速，應將其進行次數(shù)和時距的換算至自記10 min平均最大風速，換算公式為V10=αV2min+b，系數(shù)a、b可通過搜集當?shù)胤治龀晒蚋鶕?jù)資料計算確定。

最后，按上述風速資料進行均一化處理，換算成10 m高自記10 min平均最大風速資料后，進行頻率計算，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)中應用較為廣泛，應用時可根據(jù)各地不同情況采用不同的線型。

在計算設(shè)計風速時，根據(jù)《電力工程氣象勘測技術(shù)規(guī)程》架空輸電線路工程的設(shè)計標準要求，110～330 kV架空輸電線路工程的基本風速設(shè)計重現(xiàn)期為30年，500～750 kV、±500 kV輸電線路工程的基本風速設(shè)計重現(xiàn)期為50年、1 000 kV、±800 kV輸電線路工程的基本風速設(shè)計重現(xiàn)期為100年。

1.2 利用基本風壓反算設(shè)計風速

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

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

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

Kv=ρ/2

式中，ρ為空氣密度，t/m3。空氣密度ρ可按下式計算。

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?shù)囟嗄昶骄怠Ｈ羧狈ζ骄鶜鉁刭Y料時，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)計風速的計算根據(jù)輸電線路設(shè)計標準要求，不同等級的輸電線路設(shè)計風速采用不同的重現(xiàn)期，可按照伯努利公式反算出某一設(shè)計重現(xiàn)期離地10m高自記10min平均最大風速。

2 山區(qū)設(shè)計風速計算

由于受地形的影響，山區(qū)設(shè)計風速最行之有效的方法是直接在工程地點建站觀測，并與鄰近氣象站進行相關(guān)分析，生成輸電線路的風速系列。華北電力設(shè)計院與中國氣象科學研究院合作，采用TayLor-Lee的風譜模型，結(jié)合華北地區(qū)的山峰風速的實測資料，對山頂與山下氣象站的風速關(guān)系進行研究，但成果仍有一定的局限性，無普遍適用性。

當無實測資料時，山區(qū)架空輸電線路設(shè)計風速應由參證站設(shè)計風速相應的風壓值乘以調(diào)整系數(shù)后，再反算得出設(shè)計風速。山區(qū)風壓調(diào)整系數(shù)，盡可能采用實測資料分析成果。

表1 山區(qū)風壓調(diào)整系數(shù)

3 山區(qū)大風調(diào)查

大風調(diào)查是對氣象站風速資料的補充和完善，為分析確定設(shè)計風速提供參考。一般情況下，大風調(diào)查在工程地點附近3～5km范圍進行，先搜集工程地點附近的風災資料，根據(jù)災情定出風力，可查閱風力等級表，換算成相應風速；還可搜集當?shù)貧庀蟆⒐こ探ㄔO(shè)部門對風速、風壓知情人員進行調(diào)查。對調(diào)查大風資料進行可靠性和重現(xiàn)期分析，最后分析估算出設(shè)計風速范圍。

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

4 山區(qū)輸電線路設(shè)計風速分析及取值

確定山區(qū)輸電線路設(shè)計風速是一個綜合分析的過程。通過工程地區(qū)大風調(diào)查和對比觀測、分析移用參證站設(shè)計風速、風壓反算設(shè)計風速，結(jié)合工程地點附近大風調(diào)查以及已有輸電線路的設(shè)計風速及運行情況等因素綜合分析確定山區(qū)架空輸電線路設(shè)計風速值并劃分風區(qū)。在此過程中，應將參證站設(shè)計風速計算成果與該地區(qū)基本風壓等值線圖或全國基本風壓等值線圖作對比分析，若計算出的設(shè)計風速值小于風壓圖上風速時，宜采用風壓圖的數(shù)值。當工程點當?shù)貨]有風速資料時，可根據(jù)附近地區(qū)規(guī)定的基本風壓或長期資料，應通過現(xiàn)場踏勘調(diào)查，結(jié)合地形、氣象等條件的對比分析進行綜合分析確定，從安全出發(fā)取較大值，提高其安全性。

風區(qū)劃分以一個風區(qū)段內(nèi)各點的設(shè)計風速基本相等；一個風區(qū)段內(nèi)屬同一氣候區(qū)，形成大風的天氣條件大體一致；一個風區(qū)段內(nèi)地形條件類似，海拔相當?shù)仍瓌t，根據(jù)沿線地形情況，概化為一個或幾個設(shè)計風速區(qū)段。由于輸電線路設(shè)計風荷載以一個耐張段為同一風區(qū)，為方便設(shè)計計算，故風區(qū)劃分不宜多，距離不宜太短，風區(qū)級差一般在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區(qū)，主導風向為西南風。 工程路徑地區(qū)無氣象站風速實測資料，故可利用基本風壓反算設(shè)計風速。根據(jù)查全國基本風壓圖，當?shù)氐貐^(qū)基本風壓為0.3kN/m2(按50年一遇風壓考慮)，通過乘以山區(qū)調(diào)整風壓系數(shù)后，再反估算得出設(shè)計風速，計算得該區(qū)域10m高50年一遇10min平均最大風速為24.17m/s，10m高30年一遇10min平均最大風速為22.96m/s。

根據(jù)現(xiàn)場大風調(diào)查及查閱當?shù)赜嘘P(guān)史料，線路附近地區(qū)的歷史大風情況如下： 1977年6月1日14時，該市營建路的大青樹被大風吹斷，該市壩部分甘蔗被吹斷。1984年3月15日22時，遮放糖廠遭大風襲擊，吹倒臨時工棚56間，清凈煮煉車間屋頂上的“風帽”吹掉4個，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區(qū)，主導風向為西南風，年平均風速0.9m/s，屬于微風區(qū)，但歷年大于八級的大風最多年達19天，以3～5月出現(xiàn)為多，占全年大風日的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)計風速為25m/s，運行至今情況良好，無風害事故；芒盈線、芒潞線等220kV線路設(shè)計風速為30m/s，建成至今無風害事故。

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

6 結(jié) 語

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

2)山區(qū)輸電線路設(shè)計風速確定前，宜作工程點大風調(diào)查，為分析確定設(shè)計風速提供參考。在設(shè)計風速取值時應將參證站資料、大風調(diào)查情況以及現(xiàn)場踏勘調(diào)查作對比分析確定。

3)氣象站所觀測風速資料作設(shè)計風速計算能做較為準確的計算，但對于山區(qū)架空輸電線路的設(shè)計風速計算需考慮地形、下墊面等自然因素的復雜影響。在無建站條件和無資料地區(qū)，目前只有采用調(diào)整系數(shù)法進行估算；資料條件充足時可建立數(shù)值模型進行推算。當前國內(nèi)外也開發(fā)了一些風能資源評估系統(tǒng)軟件，可為計算山區(qū)架空輸電線路設(shè)計風速提供一定的參考依據(jù)，由于目前的風能資源評估系統(tǒng)軟件是平均風速的概念，尚缺乏一定的適用性，推求山區(qū)架空輸電線路設(shè)計風速還有待進行更進一步研究。

[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工作。