架空輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速取值分析

趙建華，連 捷

(廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510663)

大風(fēng)是危害架空輸電線路鐵塔塔身及電線等柔性結(jié)構(gòu)的重要大氣現(xiàn)象。我國(guó)地域遼闊，氣候多樣，受地理位置及氣候影響，各地的大風(fēng)成因及強(qiáng)度也各不相同，正確估算大風(fēng)，既可提高線路的抗災(zāi)能力，又可避免不必要的投資浪費(fèi)。本文從決定設(shè)計(jì)風(fēng)速密切相關(guān)的風(fēng)壓系數(shù)、地貌類型、山區(qū)風(fēng)速調(diào)整以及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)幾個(gè)方面入手，對(duì)架空輸電線路的設(shè)計(jì)風(fēng)速取值進(jìn)行了探討。

1 風(fēng)壓系數(shù)

計(jì)算架空輸電線路的設(shè)計(jì)風(fēng)速通常采用兩種方法，并根據(jù)其結(jié)果經(jīng)綜合分析確定其取值。方法一是頻率計(jì)算法，即選用具代表性氣象臺(tái)站的年最大風(fēng)速系列，經(jīng)“三性”審查，次、時(shí)及高度訂正，采用皮爾遜Ⅲ型或極值Ⅰ型頻率曲線進(jìn)行頻率計(jì)算。方法二是基本風(fēng)壓反算法，即根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(2006版)》(GB50009-2001)確定的基本風(fēng)壓，由伯努利方程計(jì)算設(shè)計(jì)風(fēng)速，公式如下：

式中：v為風(fēng)速(m/s)；W0為基本風(fēng)壓(kN/m2)；(r/2g)為風(fēng)壓系數(shù)，是當(dāng)?shù)乜諝庵亓γ芏萺(容重)和重力加速度g的函數(shù)。

一般情況下，風(fēng)壓系數(shù)通常選用定值1/1600。該值是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氣壓為1013hPa，溫度為15℃時(shí)的干空氣重度r=0.01225kPa，緯度45°處的重力加速度g=9.8m/s2時(shí)求得的。因各地緯度不同，海拔各異，空氣重度與重力加速度也隨之變化，故風(fēng)壓系數(shù)必為一變數(shù)。據(jù)相關(guān)分析研究，我國(guó)大部分地區(qū)風(fēng)壓系數(shù)值均小于1/1600，如廣東地區(qū)為1/1760～1/1740；廣西地區(qū)約1/1750，云南地區(qū)則為1/2070～1/2040。

風(fēng)壓系數(shù)在不同地區(qū)統(tǒng)一采用1/1600，不能反映各地區(qū)的差異性，更重要的將使設(shè)計(jì)風(fēng)速計(jì)算值偏小，不利于線路的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。故在工程實(shí)際中應(yīng)具體分析計(jì)算當(dāng)?shù)仫L(fēng)壓系數(shù)，不可盲目采用標(biāo)準(zhǔn)值。

2 地貌類型

在摩擦層內(nèi)，風(fēng)速主要取決于氣壓場(chǎng)及地面粗糙度，當(dāng)氣壓場(chǎng)不變時(shí)，地面粗糙度直接決定著風(fēng)速的大小。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范將地面粗糙度指數(shù)α分成4類，即A類α=0.12，對(duì)應(yīng)近海海面、海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)；B類α=0.16，對(duì)應(yīng)田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)；C類α=0.22，對(duì)應(yīng)有密集建筑群的城市市區(qū)；D類α=0.30，對(duì)應(yīng)有密集建筑群且房屋比較高的城市市區(qū)。

建筑荷載規(guī)范中基本風(fēng)壓定義的標(biāo)準(zhǔn)地貌條件為B類。一般而言，線路工程跨度大，沿線地貌條件千變?nèi)f化，在確定設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，需具體分析線路沿線具體狀況，按實(shí)際情況確定地面粗糙度類別，再將標(biāo)準(zhǔn)地貌的風(fēng)速、風(fēng)壓換算至線路沿線實(shí)際情況。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，以B類風(fēng)速、風(fēng)壓為基準(zhǔn)，由B類地貌轉(zhuǎn)換為A類地貌的風(fēng)速、風(fēng)壓，換算系數(shù)分別1.174、1.379；換算至C類，分別為0.785、0.616，至D類為0.564、0.318。以某濱海線路工程為例，線路沿線基本風(fēng)壓為0.75kN/m2，風(fēng)壓系數(shù)取1/1740，標(biāo)準(zhǔn)地貌條件下，該線路的離地10m高50年一遇10分鐘平均最大風(fēng)速為36.1m/s。但由于該工程基本平行于海岸線走線，且距離海岸線在10km范圍內(nèi)，該線路的地貌類型應(yīng)按A考慮，由此推求的設(shè)計(jì)風(fēng)速值為42.4m/s。若不考慮不同地面粗糙度對(duì)近地層風(fēng)速的影響，勢(shì)必會(huì)造成設(shè)計(jì)風(fēng)速與實(shí)際不符，影響線路的安全運(yùn)行。

3 山區(qū)調(diào)整

氣流行進(jìn)過程中遇局地復(fù)雜地形影響，流速在一些地方減小，而另一些地方增加。如山間盆地、谷地等閉塞地形，或因氣流運(yùn)動(dòng)受四周地形屏障阻塞，或因進(jìn)入山谷前能量消耗較大，風(fēng)速較平地大為減小。而對(duì)于與大風(fēng)方向一致的峽谷口、山口等束窄地區(qū)，因狹管效應(yīng)風(fēng)速則大為增加。對(duì)于風(fēng)速風(fēng)向受局部地形影響較大區(qū)域，線路設(shè)計(jì)風(fēng)速的確定尚是一個(gè)難題，目前行之有效的方法是在沿線進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)，與同期長(zhǎng)期站的觀測(cè)資料對(duì)比分析，建立相關(guān)關(guān)系，生成線路沿線的長(zhǎng)期風(fēng)速系列。華北電力設(shè)計(jì)研究院與中國(guó)氣象科學(xué)研究院曾采用Taylor-Lee模型，對(duì)華北部分地區(qū)山峰實(shí)測(cè)風(fēng)速與氣象臺(tái)站觀測(cè)風(fēng)速的關(guān)系進(jìn)行了分析研究；西北電力設(shè)計(jì)院也曾依托工程，采用對(duì)數(shù)關(guān)系分析了風(fēng)速隨海拔高度及地形的變化規(guī)律，取得了一定研究成果。但由于該問題的復(fù)雜性，以上研究成果均無普遍適應(yīng)性。

根據(jù)線路設(shè)計(jì)規(guī)范，在無可靠資料的山區(qū)地區(qū)，線路設(shè)計(jì)風(fēng)速可參照臨近平原地區(qū)設(shè)計(jì)風(fēng)速加大10%取用。而對(duì)于山谷狹窄、收縮作用使風(fēng)速加速明顯地區(qū)，風(fēng)速調(diào)整系數(shù)則為平原地區(qū)的1.1～1.23倍。工程中應(yīng)通過實(shí)地調(diào)查及現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比觀測(cè)，分析確實(shí)合理的調(diào)整系數(shù)，在不具備開展對(duì)比觀測(cè)條件及無法進(jìn)行大風(fēng)調(diào)查的地區(qū)，則應(yīng)從安全出發(fā)取較大值。

4 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及取值

以500kV架空線路為例，我國(guó)電力行業(yè)現(xiàn)行規(guī)定的設(shè)計(jì)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)為“離地20m高、30年一遇10min平均最大風(fēng)速，且不小于30m/s”。根據(jù)《110～750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范(報(bào)批稿)》及南方電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《110～500kV架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定(暫行)》(Q/CSG 11502-2008)，設(shè)計(jì)風(fēng)速的重現(xiàn)期由30年一遇提高到50年一遇。由于我國(guó)氣象臺(tái)站記錄風(fēng)速儀高度大都安裝在8～12m，為便于計(jì)算、減少換算誤差，也便于與其他行業(yè)比較，新規(guī)范也將設(shè)計(jì)高度由離地20m高調(diào)整到離地10m高，按照基本與原設(shè)計(jì)保持一致的原則，將離地20m高設(shè)計(jì)風(fēng)速的最小值30m/s歸算到離地10m基準(zhǔn)高，最小值定為27m/s。

與原規(guī)范相比，新規(guī)范的設(shè)計(jì)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)有所提高，即由30年一遇提高到50年一遇。根據(jù)我國(guó)各地觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，50年一遇重現(xiàn)期設(shè)計(jì)風(fēng)速與30年一遇設(shè)計(jì)風(fēng)速比值約為0.964。在設(shè)計(jì)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)提高的同時(shí)，由于新、舊規(guī)范的最小值基本保持一致，執(zhí)行新規(guī)范后，線路工程的設(shè)計(jì)風(fēng)速取值并未全面提高，應(yīng)分以下三種情況加以區(qū)分：

⑴ 當(dāng)離20m高30年一遇風(fēng)速小于28.9m/s，對(duì)應(yīng)的離地20m高50年一遇風(fēng)速小于30m/s，按規(guī)范中最小取值條款規(guī)定，線路設(shè)計(jì)風(fēng)速應(yīng)采用最小值。即設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提高，設(shè)計(jì)風(fēng)速取值并沒有提高。

⑵ 當(dāng)離20m高30年一遇風(fēng)速大于30m/s時(shí)，由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提高，設(shè)計(jì)風(fēng)速取值也相應(yīng)提高，提高幅度為v2%/v3.3%，其平均值約為1.04。

⑶ 當(dāng)離20m高30年一遇風(fēng)速介于28.9m/s與30m/s之間時(shí)，30年一遇風(fēng)速小于規(guī)范最小取值，但50年一遇風(fēng)速已大于該值，故設(shè)計(jì)風(fēng)速取值有所提高，提高幅度為1.0～1.04。

由以上分析，隨著新規(guī)范設(shè)計(jì)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)的提高，線路工程設(shè)計(jì)風(fēng)速取值并未一致提高，這與我國(guó)各地大風(fēng)災(zāi)害輕重不一是相符的，即提高線路設(shè)計(jì)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)并不一概提高設(shè)計(jì)風(fēng)速取值是合理的。

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)風(fēng)速與線路工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)，設(shè)計(jì)風(fēng)速取值時(shí)應(yīng)綜合分析，多方論證，在滿足現(xiàn)行規(guī)范對(duì)工程安全性能要求的前提下，提出合理設(shè)計(jì)的風(fēng)速，力爭(zhēng)節(jié)約工程成本、降低工程造價(jià)，提高工程的經(jīng)濟(jì)性。

新規(guī)范已對(duì)工程的安全性做出了更高要求，但對(duì)照美、日、英等國(guó)，設(shè)計(jì)風(fēng)速均采用50年一遇瞬時(shí)極大風(fēng)速，粗略地估算其風(fēng)壓取值比我國(guó)新標(biāo)準(zhǔn)高出30%左右。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用戶對(duì)電源的可靠性也提出了更高的要求，也為線路設(shè)計(jì)風(fēng)速的合理取值提出了更高要求。

[1]朱瑞兆，等.應(yīng)用氣候?qū)W概論[M].北京：氣象出版社，2005.

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