魯固特高壓直流輸電線路黃河大跨越氣象條件的確定

姚元璽，陳 鵬，蘆 燈

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

大跨越是輸電線路中極其重要的組成部分，其設(shè)計(jì)要求更為嚴(yán)格。輸電線路氣象條件的選擇至關(guān)重要，氣象條件選擇的3個基本要素為基本風(fēng)速、設(shè)計(jì)冰厚、氣溫，任何一種工況，都必須是這3種要素的組合。比如，某工程的覆冰工況為：導(dǎo)線設(shè)計(jì)冰厚取值為10 mm，相應(yīng)覆冰厚度10 mm時的基本風(fēng)速取值為15 m／s，氣溫取值為-5℃。其中，基本風(fēng)速和設(shè)計(jì)冰厚這2個要素，決定著整個工程的造價水平，是后續(xù)導(dǎo)、地線型號選擇、絕緣配置、鐵塔設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)的重要輸入?yún)?shù)［1-4］。

結(jié)合魯固特高壓直流工程實(shí)際情況，重點(diǎn)介紹了黃河大跨越的氣象條件選擇，包含基本風(fēng)速，設(shè)計(jì)冰厚，氣溫、雷暴日等參數(shù)的確定，可為后續(xù)工程的黃河大跨越設(shè)計(jì)工作提供參考。

1 氣象條件的確定依據(jù)

1）設(shè)計(jì)氣象條件應(yīng)根據(jù)跨越點(diǎn)附近的氣象資料數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果并考慮附近已有工程的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定，重現(xiàn)期按100年考慮。

2）基本風(fēng)速、基本高度、重現(xiàn)期的取值標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù) 《特高壓架空輸電線路大跨越設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（以下簡稱 “大跨越規(guī)程”），基本風(fēng)速按100年一遇考慮，取歷年大風(fēng)季節(jié)平均最低水位以上10 m高處的10 min平均大風(fēng)值；按附近氣象臺站資料統(tǒng)計(jì)值增加10%，然后考慮水面影響再增加10%。按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》風(fēng)壓分布圖計(jì)算風(fēng)速后［5］，考慮水面影響增加10%；不低于本工程臨近段一般線路設(shè)計(jì)風(fēng)速［2］。

3）設(shè)計(jì)冰厚取值標(biāo)準(zhǔn)，除無冰區(qū)外，宜較附近一般輸電線路的設(shè)計(jì)冰厚增加5 mm。

4）其他氣象要素的取值按照《特高壓架空輸電線路大跨越設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》的有關(guān)要求。

2 設(shè)計(jì)基本風(fēng)速的確定

2.1 風(fēng)速數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析原則

2.1.1 風(fēng)儀高度訂正處理

由于氣象臺站觀測最大風(fēng)速不同年代的原始風(fēng)儀高度不同，必須進(jìn)行高度訂正，將其觀測的歷年最大風(fēng)速訂正為距地10 m高處的風(fēng)速，風(fēng)儀高度訂正采用指數(shù)公式

式中：V10為距地10 m高處的風(fēng)速，m／s；ZH為觀測儀器距地面高度，即原始資料中的高度，m；VH為觀測儀器風(fēng)速值，即原始資料中數(shù)值，m／s；α為與地面粗糙度有關(guān)的系數(shù)，B類地區(qū)（空曠平坦地區(qū)），α=0.16。

2.1.2 觀測風(fēng)速的時、次訂正

距離本工程黃河跨越點(diǎn)最近的氣象站為利津氣象站，距離為10 km，氣象站與黃河跨越點(diǎn)之間無高聳遮擋建筑物，其次為濱州氣象站和博興氣象站。由于利津氣象站觀測資料采用定時觀測，而非自記方式，為此，必須先查清其逐年取值次數(shù)，然后按表1所列公式換算成10 min平均最大風(fēng)速［6］。

表1 時次換算公式

表1中公式中x為定時2min平均風(fēng)速，y為自記10 min平均風(fēng)速，換算公示是根據(jù)定時與自記風(fēng)速度同步觀測資料，通過相關(guān)分析而建立的回歸方程。

2.1.3 概率曲線及頻率計(jì)算

對收集到的歷年最大風(fēng)速經(jīng)過高度、時次統(tǒng)一換算后，需要用有關(guān)概率統(tǒng)計(jì)的方法求出最大風(fēng)分布的頻率。風(fēng)速概率數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法多種多樣，如正態(tài)分布的經(jīng)驗(yàn)頻率法、皮爾遜Ⅲ型分布、極值I型分布和極值Ⅱ型分布的耿貝爾（Gumbel）法。本工程采用大跨越設(shè)計(jì)規(guī)程中推薦的極值I型概率分布（Gumbel）對樣本進(jìn)行概率推算［3］。

2.2 風(fēng)速統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

根據(jù)線路所經(jīng)過地區(qū)的地理位置和行政區(qū)劃，選擇了距離本工程跨越點(diǎn)較近的利津、濱州和博興3個氣象臺站，收集了其歷年氣象資料。按照現(xiàn)行大跨越設(shè)計(jì)規(guī)程，大跨越設(shè)計(jì)風(fēng)速在數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上增加2個10%。利津、濱州氣象臺站100年一遇離地10 m高10 min平均最大風(fēng)速計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 氣象臺風(fēng)速計(jì)算

2.3 建筑結(jié)構(gòu)荷載折算及氣象臺站分析

根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》之附圖E.6.3“全國基本風(fēng)壓分布圖”，查得利津附近100年一遇，10 m高的風(fēng)壓為0.55 kN／m2，經(jīng)過換算，可得重視期為100年一遇時，基本風(fēng)速為30.46 m／s，增加10%折算風(fēng)速為33.51 m／s。

利津氣象臺位于利津縣城西南角，距離本工程黃河跨越點(diǎn)最近。利津縣城超過4層樓高的建筑物較少，周圍較為空曠，而且氣象站和黃河跨越點(diǎn)之間為農(nóng)村，沒有高聳建筑物遮擋，其歷年風(fēng)速的數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果對本工程黃河跨越點(diǎn)風(fēng)速的選取最具代表意義［7］。

根據(jù)計(jì)算，折算到離地10 m高，10 min時距的100年一遇年最大風(fēng)速平均值，利津?yàn)?9.21 m／s，明顯高于濱州的26.29 m／s和博興的25.98 m／s，這與利津氣象臺位于縣郊，周圍十分空曠是分不開的；同時，對收集到的利津氣象臺的原始風(fēng)速資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)70年代測得的風(fēng)速值明顯偏高，尤其是 1972 年的 25 m／s，1975 年的 23 m／s和 1971年、1979年的22m／s明顯高于其他年份所測數(shù)值，而且由1980年至今，風(fēng)速值都較低。去掉上述幾個年代久遠(yuǎn)的異常風(fēng)速值后，重新計(jì)算的100年一遇風(fēng)速統(tǒng)計(jì)值為26.71m／s，增加2個10%后為32.3 m／s。

通過以上對利津、濱州、博興3個氣象臺站的風(fēng)速統(tǒng)計(jì)資料的分析，可以得出以下結(jié)論：

1）利津氣象臺站就在本工程黃河跨越點(diǎn)附近，且周圍較空曠，最具有代表性，在統(tǒng)計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上僅考慮水面影響增加10%為32.13m／s；

2）通過對利津原始風(fēng)速資料的進(jìn)一步分析，并剔除個別年份的異常數(shù)據(jù)，如果按照規(guī)程要求增加2個10%，3個氣象臺站的風(fēng)速統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別為32.3 m ／s，20.74 m ／s，31.44 m ／s。

本工程一般段線路設(shè)計(jì)基本風(fēng)速黃河以北為30 m／s，黃河以南為27 m／s，與江蘇接頭附近線路為29 m／s。

以往山東省內(nèi)黃河大跨越的幾條送電線路，大跨越的設(shè)計(jì)最大風(fēng)速為：±660 kV銀東線為31 m／s（位于濟(jì)陽，本跨越段上游）；500 kV聊城—長清線路為 32 m／s（離地15 m，位于濟(jì)南南部，本跨越段上游）；500 kV淄博變—濱州變線路為31 m／s（位于下游）；500 kV濱州—東營—壽光線路為33 m／s（即前面劉城莊方案平行的500 kV濱油線）；500 kV德州電廠—濟(jì)南線路為33 m／s（位于上游）；220 kV辛店—北鎮(zhèn)線，位于本跨河點(diǎn)黃河上游的220 kV辛店—北鎮(zhèn)線，最大設(shè)計(jì)風(fēng)速為32 m／s；220 kV沾化—勝利線，位于本跨河點(diǎn)下游，最大設(shè)計(jì)風(fēng)速為32 m／s，驗(yàn)算風(fēng)速為38 m／s；110 kV張馬線，1964年華東電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，最大設(shè)計(jì)風(fēng)速為31 m／s。以上線路運(yùn)行多年，均未發(fā)生過因大風(fēng)造成的線路事故。

綜上所述，結(jié)合線路附近氣象臺站氣象資料的數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并參考上述多條±660 kV，500 kV，220 kV線路黃河跨越設(shè)計(jì)的氣象條件及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，本工程黃河大跨越段設(shè)計(jì)最大基準(zhǔn)風(fēng)速取33 m／s。

3 設(shè)計(jì)冰厚的確定

適當(dāng)?shù)臏囟取穸群惋L(fēng)速是形成電線覆冰的大氣條件，并與當(dāng)?shù)氐牡匦螤顩r有密切關(guān)系，發(fā)生的機(jī)理較為復(fù)雜。

由于目前沿線的氣象站對覆冰沒有系統(tǒng)的觀測記錄，其資料不具有全面性，所以不能簡單地確定電線覆冰厚度。送電線路設(shè)計(jì)中電線覆冰厚度的取值，要根據(jù)收集到的線路通過地區(qū)附近已有的電力線、通信線及自然物上的覆冰情況并結(jié)合地區(qū)特點(diǎn)來確定［4］。

根據(jù)資料，本工程黃河跨越點(diǎn)周圍陸上已有線路的設(shè)計(jì)覆冰厚度均為10 mm，如：500 kV濱州—東營—壽光線路、500 kV淄博—濱州線路、220 kV沾化—勝利線路、220 kV辛店—北鎮(zhèn)線路、±660 kV銀東線一般段。本工程在黃河跨越點(diǎn)附近一般地段的設(shè)計(jì)覆冰厚度亦取10 mm。

位于本工程上游的±660 kV銀東線黃河跨越點(diǎn)附近的大跨越段設(shè)計(jì)覆冰厚度取15 mm，運(yùn)行以來未發(fā)生過因覆冰造成的線路事故；距離本工程較近且已投入運(yùn)行的500 kV淄博—濱州線路和500 kV濱州—東營—壽光線路，跨越黃河段均按照大跨越設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)覆冰厚度15 mm（驗(yàn)算覆冰25 mm），已運(yùn)行多年，均未發(fā)生過因覆冰造成的線路事故，本工程不宜在其設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上再提高覆冰等級。

根據(jù)上述情況，參照附近多條±660 kV，500 kV，220 kV線路黃河跨越最大設(shè)計(jì)冰厚的取值和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)大跨越設(shè)計(jì)規(guī)程的相關(guān)規(guī)定，本工程黃河大跨越段設(shè)計(jì)覆冰厚度較一般地段線路增加5 mm，設(shè)計(jì)冰厚取15 mm，并按稀有覆冰25 mm進(jìn)行驗(yàn)算；地線的設(shè)計(jì)覆冰厚度，較導(dǎo)線增加5 mm，取20 mm。

4 舞動時的氣象條件

根據(jù)2011年山東舞動區(qū)分布圖，大跨越段位于I級舞動區(qū)，考慮導(dǎo)線舞動時對鐵塔所引起的荷重及塔頭布置的驗(yàn)算，參照附近已建線路500 kV濱油線黃河大跨越的舞動氣象條件，本工程舞動氣象條件如下：覆冰厚度5 mm，相應(yīng)氣溫為-5℃，風(fēng)速為15 m ／s。

5 氣溫、雷暴日等氣象要素

最高氣溫，最低氣溫采用極值法進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，重現(xiàn)期為100年，年平均氣溫和雷暴日采用平均值法統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表3。

表3 氣溫、雷暴日等氣象要素

根據(jù)GB 50790—2013《±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，地區(qū)平均氣溫值在3～17℃以內(nèi)，取與年平均氣溫值鄰近的5的倍數(shù)值，即10℃。

考慮到線路的重要性，本大跨越年平均雷暴日數(shù)取40日／年、最低氣溫取-20℃。

6 氣象條件匯總

根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)分析，并參考規(guī)程中有關(guān)規(guī)定及全國典型氣象區(qū)劃分，以及已有線路的設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，推薦采用的設(shè)計(jì)氣象條件見表4，其中冰的密度為 0.9 g／cm3，雷暴日為 40 日 ／年。

表4 設(shè)計(jì)氣象條件匯總

7 結(jié)語

結(jié)合工程實(shí)際，重點(diǎn)介紹了黃河大跨越的氣象條件選擇，包含基本風(fēng)速，設(shè)計(jì)冰厚，氣溫、雷暴日等參數(shù)的確定，可為后續(xù)工程的黃河大跨越提供設(shè)計(jì)參考。