埡口地形對輸電線路風場分布特性影響分析

董慎學,石 峰,劉 剛,王有威,徐兆國

(國網寧夏電力有限公司石嘴山供電公司,寧夏 石嘴山 753000)

0 引言

中國地形有2/3的面積屬于山區,隨著國家發展戰略的規劃和國家電網的不斷完善延伸,線路走廊在復雜山區地形的分布范圍也越來越廣,不可避免地要在高山、峽谷、江河畔等微地形、微氣象復雜的地帶搭建線路[1-4],使得復雜地形下的風偏放電頻發,嚴重危害輸電線路的安全穩定[5-8]。

為了解微地形、微氣象對輸電線路風偏的影響,國內外學者開展了大量研究。邵瑰瑋等[9]對比分析了國內輸電線路風偏設計參數,修訂了風速高度換算系數,風壓不均勻系數和微地形影響參數,提出先統計最大風速值,再根據電壓等級和地理位置確定最大風速值。李正昊等[10]在研究微地形對線路風偏的影響時,分析了山脈長度、山頂間距、山脈坡度等地貌參數對典型位置處風場特性的影響。

為了進一步探究微地形下線路不同位置的風速,樓文娟等[11]、徐海魏等[12]通過風洞試驗及數值模擬研究發現：微地形下,當來流垂直山脈走向時,氣流在山脊處有明顯的加速效應,沿山脊布置的輸電線路全檔風偏響應增幅較大,跨峽谷輸電線路爬坡段風偏響應增幅較大。李正良等[13]通過研究發現,復雜山體與單個山體具有完全不同的風場分布特性,并根據試驗結果建立了復雜山地風場平均風速計算修正模型。

沈國輝等[14]研究了單山和雙山情況下三維山丘風場分布特性,采用CFD方法分別對左右排列、前后排列和斜列情況雙山水平風的加速比和分布特征進行了研究。研究表明：山體的計算模型表面粗糙度增大時,山頂上方半山高度的加速效應減弱。劉春城等[15]分析了峽谷和埡口地形條件下輸電線路風偏特性,獲得了山脈長度、山脈坡度、山脈間距對沿山、跨山輸電線路各點平均風速的影響規律。周訪濱等[16]提出了以地形位置指數、坡度、相對高程和水體距離為特征因子的組合表達輸電線路微地形提取決策方案。實驗結果與分析有效提取了埡口地形、高山地形、抬升地形、峽谷地形和水汽地形5類典型輸電線路微地形,揭示了微地形分布與線路災害發生的相關性。

上述研究通過風洞試驗、CFD仿真等方式,重點研究了微地形區域內風場的變化特性、微地形特征提取等內容,為輸電線路的設計和防風提供了大量技術參考資料[17-18]。微地形是分析尺度更小、地貌形態更復雜的區域,風場模型需考慮因素眾多且復雜,輸電線路的風場分布也隨著山脈地形相對位置的變化而變化[19-20]。中國埡口微地形下的輸電線路分布較廣,線路的設計運維需根據實際地形、氣象、線路走向等因素提出差異化方案[21]。

本文以中國風害較嚴重的寧夏石嘴山地區為研究對象,對該地區近30年的氣象風速、風向進行了統計分析,總結了該地區輸電線路集中區域的風場分布特性。對賀蘭山東麓山風口地帶進行了地理特征分析,建立了典型埡口微地形模型,并對該地區風場分布進行了流體仿真計算,研究了不同尺寸埡口山體對風速的加速效應,以及對埡口后方輸電線路風場分布的影響,從而為該地區線路差異化防風措施的提出提供了技術參考。

1 石嘴山地區氣象分析

石嘴山市地處內陸,屬中溫帶干旱氣候,四季分明。受地形和大氣環流影響,寧夏各地年平均風速為2.0～7.0 m/s,賀蘭山是寧夏年平均風速的最大中心之一,年平均風速為7.0 m/s。石嘴山市惠農區地處賀蘭山和桌子山之間的咽喉狹窄地帶,當風從北部開闊地區吹入時,埡口、峽谷等微地形的作用使風速加大,年平均大風日數為45.2 d(瞬時風速≥17 m/s),最多年為68 d。

統計石嘴山地區近30年的年大風日數,如圖1所示。2001～2010年石嘴山地區年大風日數較多,而近10年雖然大風日數減少,但平均風速和極大風速增大,增大了風害故障發生概率,例如,2021年11月,在石嘴山東北部地區輸電線路沿線監測到了自1960年以來的最大風速39.4 m/s。

圖1 石嘴山地區近30年大風日數統計

根據數據統計,石嘴山最大風速春、秋季均在NW風向,夏季在E風向,冬季在WNW風向;次最大風速春季在WNW風向,夏季在ESE風向,秋季在N風向,冬季在NW風向。

位于賀蘭山風口沿線的輸電線路多為西南-東北走向,當遭遇西北風時,風力作用幾乎與輸電線路呈90°夾角,當風速接近或超過輸電線路設計風速時,極大可能發生風偏放電甚至倒塌故障。

2 石嘴山地區風場流體仿真

2.1 石嘴山沿賀蘭山地理環境分析

石嘴山地區的輸電線路風害主要集中在賀蘭山東麓山風口地帶。主要地形如圖2所示,山地中存在諸多埡口型微地形,埡口山體東側即為輸電線路。

由于地形及大氣環流因素,大風主要集中在賀蘭山沿線附近。從寧夏各地具體大風日數來看,當風從西北開闊地區吹入時,微地形的作用使風速加大,使得該地區的大風日較多。

圖2 石嘴山地區輸電線路周邊地理環境

2.2 埡口微地形參數化模型

以圖2輸電線路典型故障點P所處位置為例,故障點和西側埡口型山體的海拔高差范圍為400～510 m,埡口兩側山體的平均長度為1 730 m,山頂相距670 m,埡口山體距離故障線路直線距離為1 480 m。利用AUTOCAD建立微地形模型,并用Workbench中的meshing劃分網格。其中計算域高度為6倍模型高度,計算域長度：山前取3倍模型長度,山后取5倍模型長度,寬度為3倍模型迎風寬度。計算域采用自動網格剖分。計算域模型及網格劃分如圖3所示。

圖3 埡口微地形模型及參數

2.3 入口邊界條件

入口剖面包括平均風剖面和湍流風剖面,平均風剖面的計算公式[22]為：

(1)

式中：Uz為離地高度z處的平均風速;Ur為參考高度zr處的平均風速;α為地面粗糙度指數。采用Realizablek-湍流模型,壁面函數選用考慮壓力梯度的非平衡壁面函數。計算域入口定義為速度入口;兩側和頂部對稱邊界;平地及山體表面為固定壁面。湍流動能k和耗散率s為：

kz=0.3(Iz×Uz)2

(2)

(3)

式中：k=0.42;Cμ=0.09;Iz為z高度處湍流度;Lu為湍流積分尺度,其計算式公式為：

(4)

(5)

2.4 風場仿真計算

假設初始風速為30 m/s,經過1∶1模型仿真計算后得到了故障點P西側的埡口山體的風速分布如圖4所示。可以看到：風在跨越埡口型微地形時,在山頂處或山谷處,風速受埡口型微地形影響很大。① 相對于初始速度,風速在埡口地形處明顯增大,尤其是2個山體之間,最大風速達到46.48 m/s,增長了近55%。② 在2個山體頂部,最大風速達到39.41 m/s,增長了31.4%。③ 風速沿著山體向兩側逐漸減小,趨近于初始風速。

圖4 埡口山體截面風速分布

2.5 埡口中心線風速變化

如圖5所示,固定高度,沿著兩山中部提取風速大小,可得到不同高度風速值。當高度從20 m 增大到400 m時,最大風速逐漸減小(埡口中央位置),但經過埡口后的風速逐漸增大。根據上述相對地理位置分析,目標輸電線路位于埡口地形下游1.48 km處,正好處于風速的加速區內,提取故障位置點20 m高處的風速大小為30.26 m/s,相對于同尺度其他位置增大了0.8 %。

圖5 兩山中心線沿風向的風速變化

3 埡口地形參數的影響

該地區還有許多其他類似的埡口山體,為全面分析埡口微地形對該地區風場的影響,以上述線路風害故障P點西側的埡口型山體為模板,改變地形參數,分析不同地形參數下風場的變化。

3.1 山體間距的影響

設定基本參數為表1中Case 1～Case 4,初始風速為30 m/s,在山體其他參數不變條件下,改變山頂間距d為600 m、800 m和1 500 m(相對于實際情況,d=1 000 m),得到計算結果如圖6所示,可以看到,山頂和埡口上端的最大風速發生改變。

若dD時,埡口上端的最大風速逐漸減小,直至小于山頂最大風速,具體變化如圖7所示。

表1 不同參數的埡口地形

圖6 不同山體間距風場分布

圖7 山頂及埡口中心最大風速對比

以埡口中心線沿著風速方向提取風速值,繪制結果如圖8所示,可以發現：① 在不考慮不同高度風速本身差異的條件下,在埡口處,距離地面越低,風速越大,而在風跨過埡口后,距離地面越高,風速越大;② 埡口處最大風速隨著山頂間距的增大而減小,但跨過埡口后的風速卻隨著山頂間距的增大而增大。以本文故障線路為例,故障線路處于埡口型山體后方1.4 km處,提取該處20 m高的風速,得到結果如圖9所示。隨著山體間距的增大,埡口后方的風速會有一定提升,其原因主要是山體的遮擋作用。當山體間距較小時,遮擋作用更為明顯,風跨過埡口后降低,而后有一個加速過程,當埡口兩端山體間距較大,風在跨過埡口時,加速作用占據主導,導致后端(故障位置處)的風速增加。

圖8 埡口中心線沿著風向的風速變化

圖9 埡口后方輸電線路位置處的風速

3.2 山體長度和山體直徑的影響

如圖10所示,對比了2種山體長度埡口型地形中心線沿風向的風速變化,可以發現：2種山體埡口中心線的風速在20 m高度最大風速值近似相等,而區別主要體現在2點：① 在迎風側,L=2 500 m埡口山體風速的上升速度慢于L=1 700 m埡口山體風速。② 當風跨過埡口山體后,前者風速下降幅度略大于后者。

按照Case 5給定的參數,改變山頂的高度,增大h值到600 m,得到圖11所示結果,可以看到：① 相對于Case 3,距地不同高度的埡口上方最大風速值均有所增大,最大增大了15%(z=20 m);② 相對于Case 3,當山體高度h增加后,風跨越埡口后的衰減趨勢增加,距離地面越高,風速衰減越少。③ 在遠離埡口后,距地不同高度的風重新加速,距離地面越低,加速過程越早。

圖10 不同山體長度下埡口中心線沿風向的風速對比

圖11 埡口中心線沿風向的風速變化(Case 5,h=600 m)

4 結論

針對風害集中的寧夏石嘴山地區氣象及地理環境進行了調研,并對該地區埡口微地形特征下的風場分布進行了仿真計算研究,結果表明：

1) 寧夏石嘴山地區沿賀蘭山東麓山風口地帶,輸電線路西側存在大量埡口微地形特征山體,對該地區風場分布起著主導作用,造成該地區線路風害事故頻發。

2) 風在經過埡口山體后,風速變化可分為3個特征區域,包括風進入埡口至埡口中心位置之間的加速區、埡口中心至埡口出口一定范圍內的減速區和埡口后方的加速區。

3) 在埡口加速區內,埡口上方的最大風速相對初始風速增長可達55%,埡口山頂相對最大風速增長可達31.4%。

4) 埡口山頂間距d小于山體直徑D時,埡口中心上端的最大風速大于山頂的最大風速,隨著山頂間距d逐漸增大接近D,埡口中心上方風速達到最大值;當d>D時,埡口上端的最大風速逐漸減小,直至小于山頂最大風速。

5) 對比不同長度埡口型山體風速,在埡口后方減速區內,長山體較短山體風速下降幅度略高。埡口山體高度增加后,山體對風的遮擋作用占據主導地位,減速區風速大幅降低。

6) 埡口山體后方的減速區及加速區內,風速普遍高于同尺度其他地區風速,針對該地區內的輸電線路,應當著重加強防風措施。