福建省沿海典型地形條件下臺風大風特性及對輸電線路的影響*

林 艷 吳 濱 曾穎婷 游 錚

(1.福建省氣象服務中心，福建 福州 350001；2.福建省氣候中心，福建 福州 350001)

架空輸電線路是電力系統的重要組成部分，但因其自身的結構和運行特點，容易受到氣象環境因素的影響而發生故障。根據電力搶修統計情況，臺風對發電廠、輸變電設備及輸電線路均會造成損害，由于電網線路范圍廣、數量大及距離長的特點，電網線路遭受臺風破壞情況最為嚴重。臺風對電力設施造成的破壞主要包括輸電線路落地、倒塔、倒桿及桿塔傾斜、斷線、導線風偏放電、橫擔斷裂、接地或相間短路等，造成破壞的主要原因是風力強勁，架空線路抗風設計等級較低，無法承受臺風造成的風力荷載[1-12]。如果能提高線路的設計標準，即可提高線路的防風水平，但是隨著設計標準的提高，塔頭尺寸、桿塔及基礎等都要加強或加大，這勢必增加線路的本體投資，不滿足經濟原則[13]，還需要與輸電線路抗風能力的差異化措施相結合。

臺風是福建省沿海的重大氣象災害，臺風大風給輸電線路所帶來的危害極大。但目前有關福建省沿海典型地形條件下臺風大風特性及對輸電線路的影響研究還是空白。本文旨在為氣象部門對輸電線路的臺風預報服務提供堅實的理論基礎，為輸電線路防災減災提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料

收集整理2010—2019年登陸福建的臺風過程，包括臺風影響時段、路徑、強度、登陸時的強度等。根據福建沿海區域的地形特點，選取4個有代表性的地區，即寧德、福州、泉州、漳州地區為研究區域，以2010—2019年登陸上述4個地區且強度較強的臺風過程為研究個例。氣象上定義極大風速≥17.2m/s，即風力達到8級以上，稱為大風，因此選取臺風過程中的極大風速開展研究。根據《110～750 kV 架空輸電線路設計規范》(GB 50545—2010)的規定，選取海島和近海、平原、高海拔山地3種典型地形，并以平原地形下的極大風速為參照，分析福建省沿海不同區域不同地形條件下臺風大風特性及對輸電線路的影響。

1.2 氣象站選取原則

①地形的代表性。由于研究的是地形對風速的影響，因此在選取代表性氣象站時，充分考慮地形的代表性，即不同的地形條件下均有代表性氣象站。山地地形的氣象站高度均在100m以上。

②觀測環境良好。選取的區域自動氣象站下墊面為草地，周邊觀測環境良好，無遮擋。

③資料完整。選取的自動氣象站觀測資料完整性較好，在臺風影響期間觀測數據完整。

2 福建省沿海不同地形的特征分析

福建省沿海地區地貌格局以多海灣、多半島的曲折海岸線為主體。根據福建沿海的地形特點以及輸電線路分布特點，選取寧德霞浦、福州福清平潭、泉州沿海、漳州東山4個地區為研究范圍。4個地區的地形特征概述如下：

寧德霞浦地區地形：山地直接入海，沿海幾乎沒有平原，地形分別為海島及近海、平原和高海拔山地。選取北礵、西洋等8個氣象站研究臺風影響期間風速變化特點(圖1)。

圖1 寧德地區地形圖及氣象站位置

福州福清平潭地區地形：閩江口附近由于山地逼近海岸，平原窄小；閩江口以南則有較大面積的沿海平原，例如福州平原、興化平原，地形分別為海島及近海、平原和高海拔山地。選取牛山島、蘇澳村等9個氣象研究臺風影響期間風速變化規律(圖2)。

圖2 福州地區地形圖及氣象站位置

泉州沿海地區地形：沿海分布著泉州平原，地形分別為近海、平原和高海拔山地。選取山霞、斗尾等13個氣象站研究臺風影響期間風速變化規律(圖3)。

圖3 泉州地區地形圖及氣象站位置

漳州東山地區地形：分布著漳州平原，地形分別為近海、平原和高海拔山地。選取冬古、西港鹽場等11個氣象站研究臺風影響期間風速變化規律(圖4)。

圖4 漳州地區地形圖及氣象站位置

3 登陸福建的臺風概況

臺風是福建省沿海的主要氣象災害，2010—2019年登陸寧德、福州、泉州、漳州4個地區且影響較大的臺風過程一共有16個(見表1)。其中201323“菲特”和201808“瑪利亞”的強度最強，登陸時強度均為強臺風級，201010“莫蘭蒂”、201011“凡亞比”、201013“鲇魚”、201307“蘇力”、201312“潭美”、201617“鯰魚”、201709“納沙”這7個臺風登陸時強度為臺風級。其余臺風中有4個登陸時強度為強熱帶風暴，3個登陸時強度為熱帶風暴。

表1 登陸福建的臺風概況

4 不同地形條件下臺風大風的特征分析

有研究發現，隨著臺風中心位置的移動，最大風速逐漸減小，臺風風場強度減弱，使得線路故障率逐漸減小；但由于臺風風場的對稱性以及線路與風速夾角的改變，使得部分線路故障率并不呈現單調減小。黃勇等[14]研究發現，在珠三角地區，輸電線路損毀風險程度與臺風風速及臺風中心的位置有著密切聯系，風速越大、臺風中心越接近的線路，受損風險程度越高。距臺風中心的距離越遠，風速降低，其線路受損風險值越低，但該結論沒有考慮地形影響。本研究發現，臺風影響福建沿海期間，風速從海島和近海-平原-高海拔山地不是簡單的線性遞減。為了方便統計，同種地形下使用氣象站極大風速的最大值來計算風速的增幅或降幅。

4.1 風速從平原到海島的變化規律

由表2～表5可知，臺風影響期間，福建省沿海4個地區風速從海島和近海向平原的變化規律均為：極大風速從海島和近海-平原地形衰減顯著。但四個地區極大風速的降幅各不相同，降幅分別為19%、69%、47%、48%，福州地區風速衰減最為明顯(圖5)。

由表2～表5還可以發現，在臺風影響期間，海島和近海地形下的極大風速遠遠超過《110～ 750 kV 架空輸電線路設計規范》(GB 50545—2010)提出的設計風速，特別是寧德和福州地區，在“瑪利亞”臺風和“納沙”臺風影響期間，海島和近海地形下的極大風速超過設計風速近一倍。

4.2 風速從平原到高海拔山地的變化規律

由表2～表5可知，臺風影響期間，寧德、泉州、漳州地區風速從平原到高海拔山地的變化規律均為：極大風速從平原-高海拔山地又有所增大。但三個地區極大風速的增幅各不相同，增幅分別為11%、17%、31%，漳州地區風速增大最為明顯。這與高雁等[15-16]的研究結果一致。而福州地區風速從平原-高海拔山地是減小的，降幅為8%。

表2 臺風影響期間寧德地區極大風速

表3 臺風影響期間福州地區極大風速

表4 臺風影響期間泉州地區極大風速

表5 臺風影響期間漳州地區極大風速

統計16個臺風樣本，風速隨地形高程的增加而加大的符合率為80%，這與陳啟新[17]的研究結果大致相當。

5 輸電線路抗臺風差異化措施建議

由上述分析可知，寧德和福州地區海島和近海地形條件下遭遇超出輸電線路的風荷標準的大風概率最大，因此福建沿海可以按照表6劃分為3 個危險等級，并針對不同危險等級的地形，采取輸電線路抗臺風差異化的措施。由于臺風正面登陸是小概率、高風險事件，因此在輸電線路的路徑選擇時，要盡量避開影響線路安全運行的“高危險”地形條件，以便發生事故時可以控制事故范圍，減小搶修作業范圍。對于中危險地形條件，可適當提高線路設計風速的標準，提高線路的可靠性。對“低危險”地形采取基本的防御措施和手段。

表6 福建省沿海地區地形危險等級劃分

6 結論

本文研究了風速從海島和近海-平原-高海拔山地的變化規律以及對輸電線路的影響，得出以下結論。

①風速從海島和近海-平原-高海拔山地非線性遞減，極大風速從海島和近海-平原衰減顯著。寧德、福州、泉州、漳州四個地區降幅分別為19%、69%、47%、48%，福州地區風速衰減最為明顯。

②寧德、泉州、漳州三個地區極大風速從平原-高海拔山地又有所增大，增幅分別為11%、17%、31%，只有福州地區風速繼續衰減，降幅為8%。風速隨地形高程的增加而加大的符合率為80%。

③據此，可將福建沿海劃分為3 個危險等級，并針對不同危險等級的地形，采取輸電線路抗臺風差異化措施。盡量避開影響線路安全運行的“高危險”地形條件，對于中危險地形條件可適當提高線路設計風速的標準，對“低危險”地形采取基本的防御措施和手段。