國(guó)內(nèi)外懸垂絕緣子串風(fēng)偏設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比與分析

閔絢，邵瑰瑋，文志科，蔡煥青，胡霽，曾云飛

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，武漢市 430074)

0 引言

輸電線路的風(fēng)偏閃絡(luò)事故一直是電網(wǎng)正常運(yùn)行的重大安全隱患之一。輸電線路一旦發(fā)生風(fēng)偏跳閘，造成線路非計(jì)劃停運(yùn)的幾率較高，嚴(yán)重影響供電可靠性，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)家電網(wǎng)公司系統(tǒng)2007—2011年間，各年66 kV及以上輸電線路因風(fēng)偏分別發(fā)生跳閘157、93、79、174、85 次，跳閘率分別為 0.0346、0.0185、0.0143、0.029、0.014 次/(100 km·a);引起線路故障停運(yùn)分別為83、56、32、69、32 次，重合成功率分別為 47.1%、39.8%、59.5%、60.3%、62.4%，涉及江蘇、浙江、安徽、湖北、河南、山東、山西、北京、福建等省市。

調(diào)研表明，美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家輸電線路較少發(fā)生風(fēng)偏放電［1-6］。對(duì)比國(guó)內(nèi)外相關(guān)絕緣子串風(fēng)偏設(shè)計(jì)資料可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外在風(fēng)偏角計(jì)算模型及方法上基本是一致的，即都是按照剛體靜力學(xué)模型來計(jì)算;但是在懸垂絕緣子串風(fēng)偏設(shè)計(jì)中有關(guān)基本風(fēng)速、風(fēng)壓不均勻系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)等參數(shù)的選取上存在著不同。

1 基本風(fēng)速

風(fēng)是由大氣中氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)而形成的，其運(yùn)動(dòng)過程受路徑上各種障礙物，如高山、河流、湖泊、海洋、樹木、房屋、建筑物等的影響，因此，在接近地表處，風(fēng)速和風(fēng)向顯得較為紊亂，通常將接近地表的流動(dòng)風(fēng)稱為近地面層風(fēng)(簡(jiǎn)稱為近地風(fēng))。在增加到一定高度以后，不同地貌特征下的風(fēng)速趨近于相等，該高度稱為梯度風(fēng)高度。隨著地表特征的不同，梯度風(fēng)高度一般為300～500 m。

在近地風(fēng)范圍內(nèi)，隨著距地面高度的不同，風(fēng)速是逐漸變化的。一般認(rèn)為，在一定時(shí)間間隔內(nèi)，給定位置上風(fēng)速的平均值幾乎不變，但隨著距地面高度的增加而增大。在不同的地貌特征條件下，風(fēng)速隨水平高度變化的規(guī)律不同;在相同地貌特征條件下，隨著周圍環(huán)境的變化，同一水平面高度但不同位置的風(fēng)速和風(fēng)向也不同。

因此，實(shí)際工程中為確定設(shè)計(jì)風(fēng)速的大小，首先根據(jù)工程所在地的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，按照一定方法換算至標(biāo)準(zhǔn)條件下的風(fēng)速(基本風(fēng)速)。不同的工程類型，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)條件的規(guī)定不盡一致。對(duì)于架空輸電線路，GB 50545—2010《110 kV ～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:“確定基本風(fēng)速時(shí)，應(yīng)按當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)、站10 min時(shí)距平均的年最大風(fēng)速為樣本，并宜采用極值Ⅰ型分布作為概率模型，統(tǒng)計(jì)風(fēng)速的高度應(yīng)符合下列規(guī)定:110 kV～750 kV輸電線路統(tǒng)計(jì)風(fēng)速應(yīng)取離地面10 m;各級(jí)電壓大跨越統(tǒng)計(jì)風(fēng)速應(yīng)取離歷年大風(fēng)季節(jié)平均最低水位10 m?！保?］

由以上分析可見，輸電線路設(shè)計(jì)基本風(fēng)速的確定涉及到統(tǒng)計(jì)樣本選取、風(fēng)速次時(shí)換算、設(shè)計(jì)重現(xiàn)期考慮、風(fēng)速概率模型選擇等。

1.1 統(tǒng)計(jì)樣本選取

在同一地點(diǎn)，越靠近地面，近地風(fēng)遇到障礙物越多，風(fēng)能量損失越大，但離地越高，地面障礙物對(duì)風(fēng)的影響越小，相應(yīng)風(fēng)速隨著高度的增加而增大。由于我國(guó)氣象臺(tái)風(fēng)速儀安裝高度大多為8～12 m，我國(guó)GB 50545—2010規(guī)定統(tǒng)計(jì)風(fēng)速的高度為:(1)110～750 kV輸電線路統(tǒng)計(jì)風(fēng)速應(yīng)取離地面10 m;(2)各級(jí)電壓大跨越統(tǒng)計(jì)風(fēng)速應(yīng)取離歷年大風(fēng)季節(jié)平均最低水位10 m。世界上規(guī)定10 m為標(biāo)準(zhǔn)高度的占大多數(shù)，例如美國(guó)、俄羅斯、加拿大、澳大利亞、丹麥等國(guó)，日本采用離地15 m高為標(biāo)準(zhǔn)高度，瑞士為5～20 m，挪威、巴西為20 m等。雖然上述國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)高度不同，但是不同高度處的風(fēng)壓是可以根據(jù)風(fēng)壓高度變化系數(shù)進(jìn)行換算的，在技術(shù)操作上沒有影響。

確定輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速需要依據(jù)長(zhǎng)期觀測(cè)的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)氣象臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)不連續(xù)，表現(xiàn)為分段的系統(tǒng)性偏大或偏小時(shí)，要通過了解氣象臺(tái)站建站沿革，如氣象臺(tái)站周圍環(huán)境的開發(fā)、設(shè)備使用情況、遷站與否等來查找和分析風(fēng)速資料不連續(xù)的原因和確定處理方法。此外，由于輸電線路多數(shù)遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)，甚至位于荒僻山嶺，使得氣象臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)不能完全覆蓋線路走廊，因此需要對(duì)工程地進(jìn)行大風(fēng)調(diào)查，補(bǔ)充和完善線路風(fēng)速的設(shè)計(jì)資料。

1.2 風(fēng)速次時(shí)換算

在風(fēng)速次時(shí)換算上，國(guó)內(nèi)多是將定時(shí)觀測(cè)風(fēng)速(氣象臺(tái)、站一天定時(shí)觀測(cè)4次的2 min平均風(fēng)速)經(jīng)過觀測(cè)時(shí)距和次數(shù)的二重訂正，換算為連續(xù)自記10 min平均風(fēng)速。所謂的“時(shí)距”指求取平均風(fēng)速時(shí)的時(shí)間間隔，其取值與換算后得到的平均風(fēng)速大小有著密切關(guān)系。由于風(fēng)速在時(shí)空分布上的不均勻性，一般而言，時(shí)距取值愈大，得到的平均風(fēng)速愈小。根據(jù)美國(guó)氣象局資料，在一個(gè)地面崎嶇度均勻和梯度風(fēng)不變的地區(qū)，最大1 min平均風(fēng)速一般較最大5 min平均風(fēng)速高約10%;日本觀測(cè)結(jié)果為:以3～5 s平均時(shí)間為基礎(chǔ)的瞬間最大風(fēng)速為最大10 min平均風(fēng)速的1.35～1.45倍(該比值被稱為陣風(fēng)系數(shù));對(duì)于盆地和大城市，該比值可能會(huì)更大;而在海岸、草原和田野，有所減小［8］。

在風(fēng)速觀測(cè)次數(shù)方面，年最大風(fēng)速有連續(xù)自記和定時(shí)觀測(cè)之分。1953年前我國(guó)由于觀測(cè)儀器不統(tǒng)一，每日觀測(cè)有3、8、24次等;觀測(cè)時(shí)距也不統(tǒng)一，有1、2 min。至1969年，全國(guó)各氣象臺(tái)站普遍使用維爾達(dá)風(fēng)壓板測(cè)風(fēng)儀，觀測(cè)時(shí)距逐漸統(tǒng)一為每日4次，每次記錄2 min時(shí)距的平均風(fēng)速。1969年后，自記風(fēng)向風(fēng)速儀(如達(dá)因式風(fēng)向風(fēng)速計(jì))陸續(xù)裝備各氣象臺(tái)站，開始積累連續(xù)自記風(fēng)速資料，包括大風(fēng)(＞17 m/s)天氣天數(shù)。以一天定時(shí)觀測(cè)4次為例，其觀測(cè)時(shí)間均勻分布在1天24 h內(nèi)(如02:00，08:00，14:00，20:00)，每天總共觀測(cè) 8 min，因此有可能遺漏很多大風(fēng)觀測(cè)記錄，設(shè)計(jì)前須將氣象臺(tái)站風(fēng)速資料進(jìn)行觀測(cè)次數(shù)和風(fēng)速時(shí)距換算，統(tǒng)一訂正至GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(簡(jiǎn)稱《結(jié)構(gòu)規(guī)范》)所要求的連續(xù)自記10 min平均風(fēng)速［9-11］。

此時(shí)換算公式為

式中:V10min為10 min平均最大風(fēng)速，m/s;VTmin為定時(shí)2 min平均或瞬時(shí)最大風(fēng)速，m/s;a、b為系數(shù)，可通過搜集當(dāng)?shù)胤治龀晒蚋鶕?jù)資料計(jì)算確定。

通過查閱資料得到國(guó)內(nèi)各地區(qū)各時(shí)距平均風(fēng)速之間的關(guān)系分別如圖1、2所示。

由圖1可見，對(duì)于多數(shù)地區(qū)，當(dāng)觀測(cè)到的2 min平均風(fēng)速較小時(shí)，換算得到的連續(xù)自記10 min平均風(fēng)速值較定時(shí)觀測(cè)的高，這反映了每日4次定時(shí)的短時(shí)距觀測(cè)有可能遺漏大風(fēng)的觀測(cè)記錄。隨著觀測(cè)到的2 min平均風(fēng)速值提高，換算后的連續(xù)自記10 min平均風(fēng)速值較定時(shí)觀測(cè)的低，反映了由于風(fēng)速在時(shí)空分布上是不均勻的，隨著統(tǒng)計(jì)時(shí)距的增加，平均風(fēng)速值逐漸降低。

由圖2可見，瞬時(shí)最大風(fēng)速總是較連續(xù)自記10 min平均風(fēng)速高，且隨著觀測(cè)到風(fēng)速的增高，二者之間的差異增加。當(dāng)連續(xù)自記10 min平均最大風(fēng)速為30 m/s時(shí)，我國(guó)各地區(qū)瞬時(shí)風(fēng)速均約為45 m/s，約為前者的1.5倍，與日本的觀測(cè)結(jié)果相吻合。

鑒于導(dǎo)線在大風(fēng)下發(fā)生風(fēng)偏的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間較短，在短時(shí)間的大風(fēng)作用下線路即有可能發(fā)生風(fēng)偏放電，而目前國(guó)內(nèi)絕緣子串風(fēng)偏計(jì)算方法并沒有考慮短時(shí)大風(fēng)的影響因素，設(shè)計(jì)中均采用時(shí)距較長(zhǎng)的10 min平均最大風(fēng)速，有可能使得在某些微地形、微氣象區(qū)的線路防風(fēng)偏安全裕度不高。

1.3 設(shè)計(jì)重現(xiàn)期與風(fēng)速概率模型

一般我們所研究的對(duì)象不會(huì)出現(xiàn)異常風(fēng)的氣候，稱為良態(tài)氣候，對(duì)于這種氣候，可認(rèn)為年最大風(fēng)速的每一個(gè)數(shù)據(jù)都對(duì)風(fēng)極值的概率特性起作用。目前，世界上許多國(guó)家以年最大風(fēng)速資料作為概率統(tǒng)計(jì)樣本，再根據(jù)重現(xiàn)期要求由風(fēng)速概率分布模型計(jì)算最大設(shè)計(jì)風(fēng)速(或基本風(fēng)速)。

重現(xiàn)期定義:大于等于或小于等于某一水平的隨機(jī)事件在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)的平均時(shí)間間隔，常以多少年一遇表達(dá)。重現(xiàn)期(T，年)與頻率(P)的關(guān)系為T=1/P，例如:當(dāng)P=1%時(shí)，則T=100年，稱為百年一遇。所謂百年一遇是指大于或等于某一水平的事件在很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)平均百年出現(xiàn)1次，而不能理解為恰好每隔100年出現(xiàn)1次。對(duì)于具體的100年來說，超過該水平的事件可能發(fā)生不止1次，也可能1次都不出現(xiàn)，但在長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)平均每年出現(xiàn)1次的可能性為1%。

國(guó)際輸電線路通用標(biāo)準(zhǔn)IEC 60826中規(guī)定了線路設(shè)計(jì)的安全等級(jí)，最低不得低于1級(jí);230 kV及以上電壓等級(jí)的一般線路應(yīng)為2級(jí);高于230 kV電壓等級(jí)，且為電網(wǎng)主干或者供給特殊負(fù)荷的唯一電源線路，應(yīng)為3級(jí)。各安全水平等級(jí)線路風(fēng)荷載重現(xiàn)期分別對(duì)應(yīng) 50、150、500 年［12］。

美國(guó)《輸電線路結(jié)構(gòu)荷載導(dǎo)則》根據(jù)線路重要性程度，規(guī)定其可靠性水平分別取為100、200、400年一遇;對(duì)于臨時(shí)線路，規(guī)定其重現(xiàn)期可小于50年一遇，但一般取50年一遇［13］。

2002年，我國(guó)建設(shè)部發(fā)布了《結(jié)構(gòu)規(guī)范》［10］，把風(fēng)荷載的重現(xiàn)期由30年一遇提高到50年一遇，對(duì)于高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)以及對(duì)風(fēng)荷載比較敏感的其他結(jié)構(gòu)，基本風(fēng)壓可適當(dāng)提高。我國(guó)GB 50545—2010參考現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《結(jié)構(gòu)規(guī)范》，將500～750 kV輸電線路(含大跨越)的重現(xiàn)期定為50年，110～330 kV輸電線路(含大跨越)的重現(xiàn)期定為30年。由于特高壓線路的重要性，GB 50665—2011《1000kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(簡(jiǎn)稱《1000kV設(shè)計(jì)規(guī)范》)規(guī)定其基本風(fēng)速數(shù)理統(tǒng)計(jì)重現(xiàn)期取100年［14］，如表 1所示。

表1 我國(guó)各電壓等級(jí)輸電線路設(shè)計(jì)重現(xiàn)期規(guī)定Tab.1 Design return period of transmission lines with different voltage levels in China

關(guān)于年最大風(fēng)速概率分布模型方面，通常有極值Ⅰ型、極值Ⅱ型、韋布爾分布模型和經(jīng)驗(yàn)頻率法等。目前多數(shù)國(guó)家(包括中國(guó)、加拿大、美國(guó)和歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)等)采用極值Ⅰ型概率分布函數(shù)。

表2為我國(guó)某沿海城市1989—1998年間各年最大風(fēng)速統(tǒng)計(jì)資料(B類地區(qū)，已換算至距地面10 m高度處連續(xù)自記10 min平均風(fēng)速)。

表2 某沿海城市的年最大平均風(fēng)速表Tab.2 Annual maximum average wind speed in a coastal city

以極值I型概率分布為例，計(jì)算得到該地區(qū)不同重現(xiàn)期下年最大風(fēng)速(即線路設(shè)計(jì)中基本風(fēng)速)以及所對(duì)應(yīng)的基本風(fēng)壓如表3所示。

表3 不同重現(xiàn)期下的基本風(fēng)速Tab.3 Basic wind speed in different return periods

由表3可見，重現(xiàn)期為50年一遇對(duì)應(yīng)的基本風(fēng)速值較30年一遇提高了約5.3%，風(fēng)壓則增加了10.3%左右;重現(xiàn)期為100年一遇對(duì)應(yīng)的基本風(fēng)速值較50年一遇提高了約5.3%，風(fēng)壓則增加了10.3%左右;當(dāng)重現(xiàn)期增大到500年時(shí)，其對(duì)應(yīng)的基本風(fēng)速值較30年一遇提高了約29.0%，風(fēng)壓則增加了66.7%左右。

2 風(fēng)壓不均勻系數(shù)

關(guān)于導(dǎo)線風(fēng)荷載(風(fēng)壓)，考慮到風(fēng)速在空間分布上的不均勻性和時(shí)間上的強(qiáng)度變化，線路設(shè)計(jì)規(guī)范中引入了風(fēng)壓不均勻系數(shù)(α)，以對(duì)整檔導(dǎo)線在大風(fēng)下的實(shí)際受力進(jìn)行計(jì)算。風(fēng)壓不均勻系數(shù)的定義為:“沿整個(gè)檔距導(dǎo)線所承受的風(fēng)速，不可能在各點(diǎn)上同時(shí)都一樣大。因此，作用在導(dǎo)線上的合成風(fēng)壓將不由最大風(fēng)來確定，而由其平均值確定。為使選用的風(fēng)速值與整個(gè)檔距中導(dǎo)線受風(fēng)情況相吻合，應(yīng)考慮一個(gè)降低系數(shù)，該系數(shù)即為風(fēng)壓不均勻系數(shù)”。由此可見，風(fēng)壓不均勻系數(shù)α與風(fēng)速和檔距有關(guān)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)其取值規(guī)定不盡相同。

日本JEAC 6001—1999《架空送電規(guī)程》第4章第6節(jié)第6－2條規(guī)定:在計(jì)算導(dǎo)線風(fēng)壓時(shí)應(yīng)乘以構(gòu)造規(guī)模降低系數(shù)(即風(fēng)壓不均勻系數(shù))，其計(jì)算公式［15］為

式中s為檔距長(zhǎng)，m。

同時(shí)該條文還規(guī)定，當(dāng)導(dǎo)線風(fēng)偏計(jì)算采用簡(jiǎn)化算法時(shí)，對(duì)于200 m以上的檔距，β一律取為0.7。

德國(guó)按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)《高于45 kV的架空交流電力線路第一部分:一般條件和規(guī)范》(EN 50341—1:2001)的《德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)解譯》(NNA)中的條款，在新設(shè)計(jì)架空送電線路時(shí)，導(dǎo)線風(fēng)壓和風(fēng)偏計(jì)算按以下公式［15］:

式中:qc為單位風(fēng)壓，N/m2;CXC為空氣阻尼系數(shù)(相當(dāng)于我國(guó)規(guī)程中的導(dǎo)線體型系數(shù));GXC為導(dǎo)線響應(yīng)系數(shù)(即風(fēng)壓不均勻系數(shù))，當(dāng)L＜200 m時(shí)，取0.75，當(dāng)L＞200 m時(shí)，取0.45+60/L;d為導(dǎo)線直徑，m;L為水平檔距，m。

我國(guó)在風(fēng)壓不均勻系數(shù)的選取上，考慮到由于風(fēng)速空間分布的不均勻性，設(shè)計(jì)規(guī)范中引入了風(fēng)壓不均勻系數(shù)對(duì)整檔導(dǎo)線的風(fēng)荷載進(jìn)行折算。在該參數(shù)的選取上，20世紀(jì)80年代初期，投運(yùn)的500kV輸電線路風(fēng)壓不均勻系數(shù)是按照0.75來計(jì)算導(dǎo)線風(fēng)偏角的。20世紀(jì)80年代后期，根據(jù)德國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范和我國(guó)東北某試驗(yàn)場(chǎng)2年的試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)風(fēng)速≥20 m/s時(shí)，DL/T 5092—1999《110～500kV 架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中將該系數(shù)從0.75修改為0.61［16］。20世紀(jì)90年代中期，我國(guó)投運(yùn)的500kV輸電線路風(fēng)壓不均勻系數(shù)多是按照0.61來設(shè)計(jì)風(fēng)偏角的。

20世紀(jì)90年代中期以后，特別是2004年入夏后的短時(shí)間內(nèi)，國(guó)家電網(wǎng)公司所轄的500kV架空送電線路發(fā)生風(fēng)偏閃絡(luò)21次，呈高發(fā)態(tài)勢(shì)。盡管隨后展開的調(diào)查并沒有確切的證據(jù)表明風(fēng)壓不均勻系數(shù)取值不當(dāng)，但作為應(yīng)急措施，國(guó)家電網(wǎng)公司建運(yùn)部決定在架空送電線路設(shè)計(jì)中按照“風(fēng)壓不均勻系數(shù)取值0.61進(jìn)行設(shè)計(jì)，按0.75進(jìn)行校核”。

現(xiàn)階段，我國(guó)頒布的 GB 50665—2011和 GB 50545—2010中在導(dǎo)線風(fēng)偏角設(shè)計(jì)時(shí)仍然僅按設(shè)計(jì)風(fēng)速來選取風(fēng)壓不均勻系數(shù)。但規(guī)定在校核時(shí)，需要考慮檔距的影響。檔距小于200 m取0.8，檔距大于550 m時(shí)取0.61，檔距在200～550 m之間風(fēng)壓不均勻系數(shù)采用式(4)計(jì)算。

式中LH為水平檔距，m。

不同國(guó)家風(fēng)壓不均勻系數(shù)取值對(duì)照如表4所示，由表4可得:與其他國(guó)家的α取值方法相比，我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的α取定值0.61，覆蓋的風(fēng)速范圍寬，適用于所有的檔距。在小檔距范圍內(nèi)α仍取0.61，明顯低于其他國(guó)家規(guī)程的取值，例如:在檔距為300 m時(shí)，日、德規(guī)程的α取值分別為0.63和0.65，均大于我國(guó)的0.61取值。

表4 不同國(guó)家風(fēng)壓不均勻系數(shù)α取值對(duì)照Tab.4 Values of α in different countries

此外，通過研究發(fā)現(xiàn):風(fēng)壓不均勻系數(shù)折算方法對(duì)導(dǎo)線懸掛點(diǎn)處風(fēng)荷載的大小也有影響，具體建模方法見文獻(xiàn)［17］。根據(jù)風(fēng)壓不均勻系數(shù)的定義可知，實(shí)際作用于導(dǎo)線上的風(fēng)壓并不是沿導(dǎo)線均勻分布的，而是可能集中作用于整檔導(dǎo)線的某一段上，其示意圖如圖3、4所示，圖中w0為風(fēng)壓，L和L'為檔距。

比較圖3、4可見，2種計(jì)算條件下整檔導(dǎo)線所受總風(fēng)荷載相同，但風(fēng)荷載的作用位置發(fā)生了變化，這對(duì)等效作用在絕緣子串最下端的水平荷載大小有明顯影響。以500kV線路為例，計(jì)算條件為:懸垂絕緣子串為28片XP-16，導(dǎo)線型號(hào)為4×JL/G1A－400/35，水平檔距為500 m，高差為0 m，導(dǎo)線高度處的風(fēng)速為30 m/s，風(fēng)向與導(dǎo)線軸向夾角為90°，風(fēng)向與水平面夾角為0°。通過有限元軟件仿真得出:當(dāng)風(fēng)集中作用在絕緣子串最下端附近時(shí)，風(fēng)荷載的差異率隨風(fēng)壓不均勻系數(shù)取值變大逐漸變小，如:風(fēng)壓不均勻系數(shù)為0.6時(shí)，仿真計(jì)算得出的導(dǎo)線懸掛點(diǎn)處風(fēng)荷載比設(shè)計(jì)規(guī)范給出的大38.69%。說明由設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算得出的水平風(fēng)荷載與風(fēng)集中作用在絕緣子串最下端附近時(shí)得出的值區(qū)別明顯，所以，在線路的實(shí)際運(yùn)行中，即使導(dǎo)線高度處的實(shí)際風(fēng)速?zèng)]有超過其設(shè)計(jì)風(fēng)速，線路仍有可能會(huì)發(fā)生風(fēng)偏跳閘。

3 風(fēng)壓高度變化系數(shù)

在大氣邊界層中，越接近于地面，風(fēng)速越小，只有在300～500 m以上的高度，風(fēng)速才不受地面粗糙度的影響而可以自由流動(dòng)，達(dá)到所謂的梯度風(fēng)速。在大氣邊界層中，風(fēng)速沿高度的變化規(guī)律稱為風(fēng)剖面，我國(guó)規(guī)范采用指數(shù)型的風(fēng)剖面:

式中:a為地面粗糙度指數(shù);z0為基準(zhǔn)高度，我國(guó)規(guī)范取作10 m;z為任一高度或離地高度，m。為高度z處對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速，m/s;為標(biāo)準(zhǔn)參考高度zb對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速，m/s。

不同的地面粗糙度類別，其地面粗糙度指數(shù)是不一樣的，達(dá)到“梯度風(fēng)速”的高度也不相同，這反映了在不同的地面粗糙度類別下，其風(fēng)剖面也不一樣。一般地，地面越是光滑，其所需梯度風(fēng)速高度較低，指數(shù)a較小;反之，地面越是粗糙，梯度風(fēng)高度越高，指數(shù)a越大。

不同國(guó)家的規(guī)范針對(duì)本國(guó)的實(shí)際地面粗糙度類別規(guī)定了相應(yīng)的a，表5列出了在不同地形條件下中、美、日3個(gè)國(guó)家的a取值［18-19］。我國(guó)規(guī)范規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)地面粗糙度類別為比較空曠平坦地面，指田野、鄉(xiāng)村叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)，即B類地面粗糙度類別。

表5 不同地形條件下中、美、日國(guó)家的a取值Tab.5 Selecting of a in China，America and Japan under different terrains

以1000kV特高壓線路為例，基本風(fēng)速為30 m/s，水平檔距和垂直檔距為600 m，風(fēng)向與導(dǎo)線軸向夾角為90°，風(fēng)向與水平面夾角為0°，風(fēng)壓不均勻系數(shù)為0.61，絕緣子串為54片XWP-300，導(dǎo)線型號(hào)為8×JL/G1A-500/35。改變地形條件，計(jì)算得到的絕緣子串搖擺角如圖5所示。

圖5 不同地形條件下的風(fēng)偏角Fig.5 Windage angles on different terrains

由圖5可得，與B類地區(qū)的風(fēng)偏角相比，A類、C類和D類與其風(fēng)偏角的差異率分別為6.63%、－10.48%和－25.67%，不同的地形條件對(duì)風(fēng)偏角的影響較大。

此外，不同的地面粗糙度有不同的風(fēng)剖面，當(dāng)風(fēng)進(jìn)入新的風(fēng)剖面中時(shí)，在達(dá)到平衡狀態(tài)前，必須經(jīng)過某一地面距離，稱為過渡區(qū)，隨著風(fēng)行程的增加，新的風(fēng)剖面將逐步形成。風(fēng)速隨地面粗糙度類型的改變?nèi)鐖D6所示，當(dāng)上游風(fēng)從一個(gè)地面粗糙度進(jìn)入另一個(gè)地面粗糙度類別時(shí)，沿風(fēng)的行程x將有一個(gè)內(nèi)邊界發(fā)展高度，并隨距離x的增加，逐步將流動(dòng)調(diào)整為不連續(xù)下游區(qū)新的地面粗糙度指數(shù)a。內(nèi)邊界層發(fā)展高度hi隨距離xi的關(guān)系為

式中:hi為內(nèi)邊界層發(fā)展高度，m;xi為下風(fēng)距離，m;z0為地面粗糙度長(zhǎng)度。

圖6 內(nèi)邊界層發(fā)展高度Fig.6 Developing height of internal boundary layer

調(diào)研資料表明［20-21］，在新地面粗糙度改變點(diǎn)開始的下游xi或500 m距離內(nèi)，風(fēng)速剖面線仍與不連續(xù)上游的風(fēng)速剖面線相同;但對(duì)于完成形成下游區(qū)地面的最小距離，英國(guó)規(guī)范［22］認(rèn)為需要1 km或更長(zhǎng)的行程，或根據(jù)地面上房屋和其他障礙物的密集程度采用所需的最小行程;而澳大利亞規(guī)范則規(guī)定了平均風(fēng)所需的行程為x－xi≥1.5 km或50 H(H為結(jié)構(gòu)高度)的大者，可以完全形成新的地面粗糙度。而在這個(gè)范圍之內(nèi)，則屬于過渡區(qū)。在過渡區(qū)的上層，將受到上游地面粗糙度的影響，而在過渡區(qū)的下層，將受到下游地面粗糙度的影響，在上、下層之間，還有一段上、下游聯(lián)合影響的區(qū)域，如圖7所示。

圖7 上、下游聯(lián)合影響區(qū)域Fig.7 Influence regions between upstream and downstream

當(dāng)?shù)孛娲植诙雀淖儠r(shí)，依據(jù)結(jié)構(gòu)所處的不同位置，其風(fēng)速將有所不同。依據(jù)澳大利亞規(guī)范［23］，則:

(1)當(dāng)結(jié)構(gòu)所處位置x＜xi時(shí)，仍取上游地面類型下的風(fēng)速和風(fēng)壓;

(2)當(dāng)結(jié)構(gòu)所處位置x－xi≥1.5 km或 x－xi≥50 H(取大者)時(shí)，取下游新的地面類型下的風(fēng)速和風(fēng)壓;

(3)當(dāng)結(jié)構(gòu)所處位置0＜x－xi＜1.5 km(50 H)時(shí)，新的下游地面的風(fēng)速應(yīng)進(jìn)行修正。

但是我國(guó)的線路設(shè)計(jì)規(guī)范并沒有對(duì)上述過渡區(qū)地面粗糙度類別的選取進(jìn)行明確的定義，往往將這類地形歸屬到微地形區(qū)、微氣象區(qū)，給線路的防風(fēng)偏設(shè)計(jì)帶來了一定的困難。

綜上所述，在導(dǎo)線對(duì)地高度不變時(shí)，不同的地面粗糙度類別對(duì)風(fēng)壓高度變化系數(shù)的取值影響較大，且我國(guó)線路設(shè)計(jì)規(guī)范只規(guī)定了平坦或稍有起伏地形的風(fēng)壓高度變化系數(shù)取值，對(duì)于微地形區(qū)(如:過渡區(qū)、丘陵、山脊等)如何來劃分風(fēng)壓高度變化系數(shù)取值并沒有進(jìn)行明確的定義。此外，風(fēng)壓高度變化系數(shù)僅是針對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間的平均風(fēng)風(fēng)壓換算，對(duì)于瞬時(shí)風(fēng)的風(fēng)壓換算，其是否適用還有待進(jìn)一步的研究和分析。

4 結(jié)論

(1)在基本風(fēng)速方面，國(guó)外無論是在風(fēng)速次時(shí)換算時(shí)間段還是重現(xiàn)期的選取上均與我國(guó)存在較大差異。

(2)在風(fēng)壓不均勻系數(shù)的選取上，日本和德國(guó)是按照不同檔距來選取該系數(shù)，而我國(guó)規(guī)范中在導(dǎo)線風(fēng)偏角設(shè)計(jì)時(shí)仍然僅按設(shè)計(jì)風(fēng)速來選取風(fēng)壓不均勻系數(shù)。規(guī)定在校核時(shí)，需要考慮檔距的影響，但是當(dāng)檔距超過600 m時(shí)，風(fēng)壓不均勻系數(shù)仍取定值0.61;且風(fēng)壓不均勻系數(shù)折算方法對(duì)導(dǎo)線風(fēng)荷載的影響顯著，當(dāng)風(fēng)集中作用在絕緣子串最下端附近，風(fēng)壓不均勻系數(shù)為0.6時(shí)，仿真計(jì)算得到的風(fēng)荷載比設(shè)計(jì)規(guī)范給出的大38.69%。

(3)在導(dǎo)線對(duì)地高度不變時(shí)，不同的地面粗糙度類別對(duì)風(fēng)壓高度變化系數(shù)的取值影響較大，我國(guó)的線路設(shè)計(jì)規(guī)范沒有對(duì)過渡區(qū)地面粗糙度類別的選取進(jìn)行明確的定義，往往將這類地形歸屬到微地形區(qū)、微氣象區(qū)，給線路的防風(fēng)偏設(shè)計(jì)帶來了一定的困難。

(4)目前風(fēng)偏設(shè)計(jì)參數(shù)的取值并不能完全滿足我國(guó)輸電線路防風(fēng)偏的精細(xì)化設(shè)計(jì)需求，因此還需對(duì)不同地形特征下不同高度處的風(fēng)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，通過積累長(zhǎng)期的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)上述這些設(shè)計(jì)參數(shù)取值進(jìn)行優(yōu)化和完善。

［1］劉煥明.500kV侯臨線286號(hào)風(fēng)偏故障分析［J］.山西電力，2004(6):14-15.

［2］龔堅(jiān)剛.浙江電網(wǎng)跳線風(fēng)偏跳閘的分析與措施［J］.華東電力，2007，35(5):112-114.

［3］牛彬，陳江華，姚俊峰.輸電線路的風(fēng)偏角問題分析［J］.山西電力，2009(3):60-62.

［4］吳正樹.500kV輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)分析［J］.廣西電力，2009(1):29-43.

［5］韓銳.220 kV輸電線路大轉(zhuǎn)角耐張塔跳線風(fēng)偏跳閘故障的反事故措施［J］.安徽電力，2007(12):14-15.

［6］黃俊杰，汪濤，朱昌成.220 kV輸電線路風(fēng)偏跳閘的分析研究［J］.湖北電力，2012(4):65-67.

［7］GB 50545—2010110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［8］邵瑰瑋，耿翠英，胡毅.國(guó)內(nèi)外輸電線路風(fēng)偏設(shè)計(jì)參數(shù)比較與分析［J］.高電壓技術(shù)，2009，35(12):3106-3110.

［9］DL/T 5158—2002電力工程氣象勘測(cè)技術(shù)規(guī)程［S］.

［10］GB 50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［11］東北電力設(shè)計(jì)院.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:水利電力出版社，1992.

［12］IEC 60826—2003 Design Criteria of Overhead Transmission Lines［S］.

［13］ASCE 74—2009 GuidelinesforE1ectricalTransmission Line Structural Loading［S］.

［14］GB 50665—20111000kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［15］徐小東，王鋼.關(guān)于風(fēng)壓不均勻系數(shù)的研究［J］.電力建設(shè)，2007，28(7):1-4.

［16］DL/T 5092—1999110 kV～500kV架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程［S］.

［17］邵瑰瑋，閔絢，董彥武，等.輸電導(dǎo)線懸掛點(diǎn)處等效風(fēng)荷載仿真分析［J］.高電壓技術(shù)，2012，38(2):476-482.

［18］王永華.中美規(guī)范風(fēng)荷載的計(jì)算比較［J］.電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2012(1):67-70.

［19］侯小玲.建筑結(jié)構(gòu)基本風(fēng)速和基本風(fēng)壓?jiǎn)栴}淺析［J］.山西建筑，2010，36(3):92-93.

［20］Bietry J，Simiu E.Mean Wind Profile and Changes of Terrain Roughness［J］.J. Struct. Div.，ASCE(ST)，1978(104):1585-1593.

［21］ANSI/ASCE7—2002 American Society of Civil Engineerings(ASCE).Minimum Design Loads for Building and other Structure［S］.

［22］英國(guó)《規(guī)范》.建筑設(shè)計(jì)荷載(1984)［R］//《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》管理組.外國(guó)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范匯編.北京:中國(guó)建筑科學(xué)研究院，1991:113-186.

［23］AS/NZS1170.2—2002 Australian Standard SAA Loading Code，Part 2:Wind Loads［S］.