西北大風區域輸電線路設計風速計算分析

孟佳佳 茍偉 張新燕

甘肅電通電力工程設計咨詢有限公司 甘肅 蘭州 730030

引言

設計風速是電力工程設計所依據的主要氣象條件之一，合理確定設計風速對輸電線路的安全性和經濟性有重要意義。架空輸電線路設計風速通常采用兩類方法計算：一是極值風速概率分布模型[1-2]，如極值Ⅰ型（Gumbel）、極值Ⅱ型（Frechet）、極值Ⅲ型（Weibull）[3]、皮爾遜-Ⅲ型、廣義極值分布[4]等概率分布模型，一般采用極值Ⅰ型（Gumbel）和皮爾遜-Ⅲ型；二是風壓反算。敦煌位于河西走廊末端，受氣候因素和地形狹管效應的影響，是西北典型的大風區域。本文采用極值Ⅰ型分布、皮爾遜-Ⅲ型分布和風壓反算三種方法對敦煌氣象站1991～2020年的10m高自記10min平均最大風速進行計算分析，最終得到敦煌地區輸電線路不同重現期的設計風速。

1 設計風速計算方法

1.1 極值Ⅰ型分布

極值Ⅰ型分布函數[5]：

式中：α為尺度參數，β為位置參數。

超過保證率的函數為：

計算得到最大風速設計值為：

保證系數：

1.2 皮爾遜-Ⅲ型分布

皮爾遜-Ⅲ型分布的概率密度函數為

式中：α為形狀參數，β為尺度參數，是α的伽馬函數。

在海森頻率表中繪制皮爾遜-Ⅲ型分布曲線，并根據經驗頻率點進行適線調整，最終得到敦煌氣象站皮爾遜-Ⅲ型最大風速頻率分布曲線，如圖1所示。

圖1 皮爾遜-Ⅲ型最大風速頻率分布曲線

曲線主要參數如表1所示：

表1 皮爾遜-Ⅲ型分布曲線參數表

1.3 風壓反算

風壓按下式計算[6]：

由風壓反算得到設計風速

2 設計風速計算結果

以敦煌氣象站1991～2020年的10m高自記10min平均最大風速為樣本，分別采用極值Ⅰ型分布、皮爾遜-Ⅲ型分布和風壓反算三種方法進行計算分析，最終得到敦煌地區輸電線路不同重現期的設計風速。

由極值I型分布計算得到不同重現期設計風速如表2所示：

表2 極值I型分布計算的不同重現期設計風速

根據皮爾遜-Ⅲ型分布曲線計算得到不同重現期 的設計風速如表3所示：

表3 皮爾遜-Ⅲ型分布計算的不同重現期設計風速

風壓反算得到敦煌地區不同重現期設計風速如 表4所示：

表4 風壓反算的設計風速

對三種方法計算結果進行對比分析，并確定不同重現期的設計風速：

極值Ⅰ型分布計算較簡便，P-Ⅲ型分布彈性大，適應性強。極值Ⅰ型分布與皮爾遜-Ⅲ型分布計算的不同重現期設計風速較為接近，且極值Ⅰ型分布計算的設計風速略高于皮爾遜-Ⅲ型分布。考慮到實際工程中，設計風速需要在理論計算基礎上相應增大，因此地形地貌海拔高差等與氣象站相近的區域，可直接以極值Ⅰ型計算結果為參考標準。

風壓反算結果明顯高于理論概率分布（極值Ⅰ型、皮爾遜-Ⅲ型）。這是由于敦煌氣象站位于城郊地勢較低，觀測資料計算的設計風速僅代表氣象站附近的設計風速，而基本風壓代表整個地區的平均水平，另外考慮到敦煌氣象站1972年3月曾出現27m/s的大風，因此，為保證輸電線路的安全運行，用風壓反算結果作為最終的設計風速，即敦煌地區重現期30年、50年、100年的設計風速分別為26.7m/s、31.3m/s、32.7m/s。

3 結束語

依據敦煌氣象站1991～2020年的10m高10min平均最大風速，采用極值Ⅰ型、皮爾遜-Ⅲ型分布模型和風壓反算三種方法，計算敦煌地區輸電線路不同重現期的設計風速，研究結果表明：①極值Ⅰ型和皮爾遜-Ⅲ型分布計算的設計風速接近，風壓反算結果明顯高于理論概率分布（極值Ⅰ型、皮爾遜-Ⅲ型）；②實際工作中，應參考不同方法，充分考慮氣象站數據的代表性、微地形微氣象、歷史大風情況和輸電線路的安全運行情況，綜合確定設計風速。