內(nèi)蒙古電網(wǎng)風(fēng)區(qū)分布圖繪制及應(yīng)用原則

安凱月，趙建坤，趙建利，徐大鵬，燕寶峰

（1.內(nèi)蒙古電力信息通信中心，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)高電壓與絕緣技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010020）

0 引言

基本風(fēng)速是架空輸電線路設(shè)計(jì)時(shí)的重要參數(shù)之一，該參數(shù)選擇合理與否直接影響輸電鐵塔運(yùn)行安全及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。基本風(fēng)速取值越高，鐵塔抗風(fēng)能力就越強(qiáng)，發(fā)生超越設(shè)計(jì)風(fēng)速的概率則越低，但同時(shí)塔材用量也隨之增加，工程造價(jià)相應(yīng)提高。因此，線路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)程要求的前提下，科學(xué)合理地選擇設(shè)計(jì)基本風(fēng)速，保證輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

目前架空輸電線路設(shè)計(jì)時(shí)，基本風(fēng)速取值主要參考GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》典型氣象區(qū)所規(guī)定的風(fēng)速[1]，因缺少長(zhǎng)周期氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，存在基本風(fēng)速設(shè)計(jì)值與實(shí)際不符的情況，導(dǎo)致運(yùn)行中由于局部地區(qū)大風(fēng)天氣造成了較為嚴(yán)重的風(fēng)害故障。近年來(lái)，科研機(jī)構(gòu)圍繞風(fēng)害機(jī)理、防風(fēng)害治理[2-6]等課題開(kāi)展大量研究，部分網(wǎng)省公司開(kāi)展了風(fēng)區(qū)分布特征研究，得到了區(qū)域風(fēng)區(qū)分布圖[7-8]，用于指導(dǎo)防風(fēng)設(shè)計(jì)工作。蒙西地區(qū)東西跨度大，線路沿線氣候環(huán)境多變，不同地區(qū)風(fēng)區(qū)分布特征差異明顯，因此研究蒙西地區(qū)風(fēng)區(qū)分布特征，繪制風(fēng)區(qū)分布圖，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

本文針對(duì)內(nèi)蒙古電網(wǎng)風(fēng)害故障頻發(fā)問(wèn)題，對(duì)蒙西地區(qū)近30年氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采取極值Ⅰ型分布概率模型完成了內(nèi)蒙古電網(wǎng)30年、50年和100年重現(xiàn)期最大風(fēng)速計(jì)算，提出了內(nèi)蒙古電網(wǎng)風(fēng)區(qū)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，完成了內(nèi)蒙古電網(wǎng)風(fēng)區(qū)分布圖繪制，得到了蒙西地區(qū)基本風(fēng)速分布情況。在此基礎(chǔ)上，給出了內(nèi)蒙古電網(wǎng)風(fēng)區(qū)分布圖應(yīng)用原則和建議。

1 風(fēng)害故障分布特征

據(jù)統(tǒng)計(jì)，近10 年（2009—2018 年）內(nèi)蒙古電網(wǎng)110 kV 及以上架空輸電線路共發(fā)生風(fēng)害跳閘故障95次，具體分布情況如圖1所示。其中，風(fēng)偏閃絡(luò)占比94.7%，大風(fēng)倒桿塔占比3.2%，其他故障為大風(fēng)致地線脫落，占比2.1%，風(fēng)害故障主要形式為風(fēng)偏閃絡(luò)。風(fēng)偏閃絡(luò)故障重合閘成功率較低，近10年統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示重合成功率不足30%，嚴(yán)重影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 近十年內(nèi)蒙古電網(wǎng)風(fēng)害故障統(tǒng)計(jì)

對(duì)內(nèi)蒙古電網(wǎng)風(fēng)害故障位置進(jìn)行分析，風(fēng)害故障多發(fā)地區(qū)主要為二連浩特、準(zhǔn)格爾旗、集寧、錫林郭勒盟東北部等。上述地區(qū)地形地貌為平坦草原、丘陵地形，局部微氣象、強(qiáng)風(fēng)活動(dòng)頻繁，在線路抗風(fēng)災(zāi)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

2 風(fēng)區(qū)分布圖繪制

電網(wǎng)風(fēng)區(qū)分布圖以氣象臺(tái)站原始風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、風(fēng)害故障記錄、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)進(jìn)行繪制，繪制流程如圖2所示。

圖2 風(fēng)區(qū)分布圖繪制流程

繪制電網(wǎng)風(fēng)區(qū)分布圖時(shí)，首先選擇收集氣象臺(tái)站及近30～50 年風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立原始風(fēng)速數(shù)據(jù)序列，若非10 m高度、10 min時(shí)距平均風(fēng)速數(shù)據(jù)，需訂正為10 m高度、10 min時(shí)距標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速。建立標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速數(shù)據(jù)庫(kù)后，選擇極值Ⅰ型分布概率模型計(jì)算得到不同重現(xiàn)期基本風(fēng)速數(shù)據(jù)庫(kù)；基于設(shè)計(jì)規(guī)范、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)建立風(fēng)區(qū)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，利用GIS軟件，選用合適的插值方法繪制風(fēng)區(qū)分布圖初稿；最后根據(jù)地區(qū)風(fēng)害故障及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)修訂得到電網(wǎng)風(fēng)區(qū)分布圖終稿。

2.1 繪圖用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

電網(wǎng)風(fēng)區(qū)分布圖繪制用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)、地理地形資料、運(yùn)行記錄等。

2.1.1 氣象數(shù)據(jù)

內(nèi)蒙古電網(wǎng)所轄區(qū)域（蒙西地區(qū)）共有67 個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站，各站點(diǎn)分布建站時(shí)間均在30年以上。

本次繪圖選取各站點(diǎn)1989 年以來(lái)逐年地面上10 m高度、10 min時(shí)距平均年最大風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)序列。

2.1.2 地理地形資料

蒙西地區(qū)數(shù)字高程模型，格點(diǎn)精度100 m；蒙西地區(qū)邊界圖層文件。

2.1.3 運(yùn)行記錄

蒙西地區(qū)極端氣象災(zāi)害記錄，內(nèi)蒙古電網(wǎng)在運(yùn)線路強(qiáng)風(fēng)倒塔觀測(cè)記錄、風(fēng)偏故障記錄等。

2.2 建立標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速序列

標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速序列是計(jì)算基本風(fēng)速的依據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速序列應(yīng)全部取自自動(dòng)式風(fēng)速儀記錄資料，對(duì)早期或區(qū)域小站點(diǎn)非自記式的定時(shí)觀測(cè)風(fēng)速，需修正后采用[9]。本次風(fēng)區(qū)圖繪制，選用67 個(gè)國(guó)家基本氣象站，標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速序列可直接選取地面上10 m 高度、10 min 時(shí)距平均年最大風(fēng)速，無(wú)需進(jìn)行高度和時(shí)距訂正。

2.3 計(jì)算確定基本風(fēng)速

基本風(fēng)速定義為當(dāng)?shù)乜諘绲孛?0 m高度、10 min時(shí)距平均年最大風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)概率統(tǒng)計(jì)得出的100 年（50 年、30 年）一遇最大值后確定的風(fēng)速?；撅L(fēng)速是繪制風(fēng)區(qū)分布圖的依據(jù)。

在計(jì)算基本風(fēng)速時(shí)，以各氣象臺(tái)站標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速序列為樣本，本文選用在降水、覆冰重現(xiàn)期計(jì)算領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的極值Ⅰ型概率分布模型。

極值Ⅰ型概率分布函數(shù)為：

式中：F( x )—風(fēng)速值x 出現(xiàn)的概率；

u—分布的位置函數(shù)；

α—分布的尺度函數(shù)。

當(dāng)觀測(cè)期n→∞時(shí)，分布參數(shù)與均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ的關(guān)系由式（2）、（3）確定：

當(dāng)有限樣本的均值xˉ和統(tǒng)計(jì)樣本均方差S作為μ和σ的近似估計(jì)時(shí)，?。?/p>

式中：C1—標(biāo)準(zhǔn)極值分布的方差；C2—標(biāo)準(zhǔn)極值分布的期望值。

其中，zi—標(biāo)準(zhǔn)極值分布。

觀測(cè)期為n年，zi可以按照式（8）計(jì)算：

對(duì)于給定的觀測(cè)期n，不同觀測(cè)值時(shí)參數(shù)C1和C2的值如表1所示。

表1 極值Ⅰ型分布的C1和C2值

平均重現(xiàn)期為T 的最大風(fēng)速xR可按式（9）確定：

內(nèi)蒙古電網(wǎng)基本風(fēng)速計(jì)算選用蒙西地區(qū)各氣象臺(tái)站1989—2018 年的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速序列（10 m 高度、10 min時(shí)距平均年最大風(fēng)速序列），因此可直接查詢表1得到C1和C2，進(jìn)而由式（4）、（5）、（9）計(jì)算得到平均重現(xiàn)期為30年（50年、100年）的最大風(fēng)速。

以烏拉蓋氣象站（站號(hào)50913）為例，計(jì)算不同重現(xiàn)期最大風(fēng)速。烏拉蓋氣象站1989—2018 年標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速序列如表2所示。

表2 烏拉蓋氣象站1989—2018年標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速序列 m/s

樣本數(shù)量n 為30，查表可知極值Ⅰ型分布的C1為1.112 37，C2為0.536 22，樣本均值為17.49，均方差S 為4.13。由式（4）、（5）、（9）計(jì)算得到烏拉蓋氣象站平均重現(xiàn)期為30年、50年、100年的最大風(fēng)速，如表3所示。

表3 烏拉蓋氣象站不同重現(xiàn)期最大風(fēng)速 m/s

2.4 繪制風(fēng)區(qū)分布圖

內(nèi)蒙古電網(wǎng)風(fēng)區(qū)分布圖為首次繪制，此前未制定風(fēng)區(qū)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)GB 50545—2010 基本風(fēng)速取值要求[1]，借鑒建筑行業(yè)風(fēng)壓分級(jí)方法[10]，結(jié)合內(nèi)蒙古電網(wǎng)線路設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將風(fēng)速分為14個(gè)等級(jí)，風(fēng)速取值級(jí)差2 m/s，基本風(fēng)速小于23.5 m/s時(shí)統(tǒng)一取23.5 m/s，大于45 m/s 時(shí)分為2 個(gè)等級(jí)，最終確定內(nèi)蒙古電網(wǎng)風(fēng)區(qū)分布圖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分別為23.5 m/s、25 m/s、27 m/s、29 m/s、31 m/s、33 m/s、35 m/s、37 m/s、39 m/s、41 m/s、43 m/s、45 m/s、50 m/s、＞50 m/s。

依據(jù)上文計(jì)算得到的各站點(diǎn)不同重現(xiàn)期基本風(fēng)速，按照風(fēng)區(qū)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，采用插值效果較好的克里金插值法[11-13]，繪制完成內(nèi)蒙古電網(wǎng)風(fēng)區(qū)分布圖（30年、50年、100年一遇）初稿?？紤]內(nèi)蒙古電網(wǎng)近10 年風(fēng)害故障記錄，綜合考慮局部微氣象、微地形條件，對(duì)局部分區(qū)等級(jí)進(jìn)行修正，最終得到內(nèi)蒙古電網(wǎng)風(fēng)區(qū)分布圖。

2.5 風(fēng)區(qū)分布情況

內(nèi)蒙古電網(wǎng)局部風(fēng)區(qū)分布圖（30 年、50 年、100年一遇）如圖3—圖5所示[14]。

圖3 內(nèi)蒙古電網(wǎng)局部風(fēng)區(qū)分布圖（30年一遇）

圖4 內(nèi)蒙古電網(wǎng)局部風(fēng)區(qū)分布圖（50年一遇）

圖5 內(nèi)蒙古電網(wǎng)局部風(fēng)區(qū)分布圖（100年一遇）

由圖3 可知，內(nèi)蒙古電網(wǎng)30 年一遇風(fēng)區(qū)級(jí)別大部分為23.5 m/s 和25 m/s，少部分為27 m/s、29 m/s。整體來(lái)看，呼包鄂、烏拉特中旗、錫林郭勒盟中部地區(qū)處于23.5 m/s 風(fēng)區(qū)，阿拉善盟、烏拉特后旗、達(dá)茂旗、錫林郭勒盟西北部地區(qū)處于25 m/s、27 m/s、29 m/s風(fēng)區(qū)，29 m/s風(fēng)區(qū)主要集中在二連浩特、達(dá)茂旗、蘇尼特左旗等地區(qū)，該區(qū)域處于大青山脈北部，地形地貌為平坦開(kāi)闊草原。

由圖4 可知，內(nèi)蒙古電網(wǎng)50 年一遇風(fēng)區(qū)級(jí)別大部分為23.5 m/s、25 m/s 和27 m/s，少部分為29 m/s、31 m/s。整體來(lái)看，呼包鄂、烏蘭察布、烏拉特中旗處于23.5 m/s風(fēng)區(qū)，阿拉善盟、錫林郭勒盟大部分地區(qū)處于25 m/s、27 m/s風(fēng)區(qū)，烏拉特后旗、達(dá)茂旗、錫林郭勒盟西北部等局部地區(qū)處于29 m/s、31 m/s 風(fēng)區(qū)，高等級(jí)風(fēng)區(qū)與30 年一遇等級(jí)較高地區(qū)基本一致。

由圖5 可知，內(nèi)蒙古電網(wǎng)100 年一遇風(fēng)區(qū)級(jí)別大部分為23.5 m/s、27 m/s和29 m/s，少部分為25 m/s、31 m/s和33 m/s。整體來(lái)看，呼包鄂、烏蘭察布部分地區(qū)處于23.5 m/s風(fēng)區(qū)，阿拉善盟、錫林郭勒盟大部分地區(qū)處于27 m/s、29 m/s 風(fēng)區(qū)，烏拉特后旗、達(dá)茂旗、錫林郭勒盟西北部等局部地區(qū)處于31 m/s、33 m/s 風(fēng)區(qū)，高等級(jí)風(fēng)區(qū)與30 年、50 年一遇等級(jí)較高地區(qū)基本一致。

從全網(wǎng)風(fēng)區(qū)分布特征來(lái)看，30 年、50 年、100 年一遇風(fēng)區(qū)分布趨勢(shì)基本一致，高等級(jí)風(fēng)區(qū)主要集中在二連浩特、蘇尼特左旗、達(dá)茂旗、烏拉特后旗等地區(qū)。風(fēng)區(qū)分布與蒙西地區(qū)地形地貌具有較為明顯的相關(guān)性，高等級(jí)風(fēng)區(qū)多處為山脈北部、地形平坦地區(qū)。

3 風(fēng)區(qū)分布圖應(yīng)用原則及建議

風(fēng)區(qū)分布圖主要用于指導(dǎo)架空輸電線路設(shè)計(jì)、改造過(guò)程中基礎(chǔ)風(fēng)速選取。

蒙西地區(qū)東西跨度大，地形地貌多樣，對(duì)風(fēng)速影響較為復(fù)雜。微地形、微氣象對(duì)設(shè)計(jì)風(fēng)速影響較大，而風(fēng)區(qū)分布圖繪制過(guò)程中無(wú)法完全考慮所有微地形、微氣象區(qū)，因此，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)對(duì)微地形、微氣象區(qū)設(shè)計(jì)風(fēng)速選取按相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行修正。

風(fēng)區(qū)分布圖繪制主要基于氣象站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)插值而成，氣象站點(diǎn)多建設(shè)在旗縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)，而架空輸電線路多位于山區(qū)、人煙稀少地區(qū)，因此在實(shí)際應(yīng)用風(fēng)區(qū)分布圖時(shí)，應(yīng)根據(jù)地形、極端氣候特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)修正。對(duì)于內(nèi)蒙古電網(wǎng)而言，應(yīng)用建議如下。

（1）110 kV、220 kV 架空線路設(shè)計(jì)基本風(fēng)速重現(xiàn)期取30年，基本風(fēng)速取值不小于23.5 m/s；500 kV架空線路設(shè)計(jì)基本風(fēng)速重現(xiàn)期取50年，基本風(fēng)速取值不小于27 m/s。

（2）若架空線路橫跨河谷且谷口迎主導(dǎo)風(fēng)向，風(fēng)速取值可適當(dāng)增大5%；當(dāng)氣流由開(kāi)闊地區(qū)進(jìn)入狹窄地區(qū)時(shí)，風(fēng)速取值可適當(dāng)增大10%；對(duì)于突出開(kāi)闊的山頂，因缺少山脈阻擋，風(fēng)速取值可適當(dāng)增大10%。

（3）對(duì)于倒塔斷線故障區(qū)域、極端氣象災(zāi)害區(qū)域風(fēng)速取值可適當(dāng)增大10%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文統(tǒng)計(jì)分析了內(nèi)蒙古電網(wǎng)風(fēng)害故障類型及地形分布特征，對(duì)蒙西地區(qū)67 個(gè)氣象站點(diǎn)近30 年氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，完成了內(nèi)蒙古電網(wǎng)30 年、50 年和100 年重現(xiàn)期最大風(fēng)速計(jì)算，提出了內(nèi)蒙古電網(wǎng)風(fēng)區(qū)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，繪制完成了內(nèi)蒙古電網(wǎng)風(fēng)區(qū)分布圖。在此基礎(chǔ)上，給出了內(nèi)蒙古電網(wǎng)風(fēng)區(qū)分布圖應(yīng)用原則及建議，可為內(nèi)蒙古電網(wǎng)架空線路防風(fēng)害設(shè)計(jì)、改造提供技術(shù)支撐。