西北大風(fēng)區(qū)域輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速計(jì)算分析

孟佳佳 茍偉 張新燕

甘肅電通電力工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司 甘肅 蘭州 730030

引言

設(shè)計(jì)風(fēng)速是電力工程設(shè)計(jì)所依據(jù)的主要?dú)庀髼l件之一，合理確定設(shè)計(jì)風(fēng)速對(duì)輸電線路的安全性和經(jīng)濟(jì)性有重要意義。架空輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速通常采用兩類方法計(jì)算：一是極值風(fēng)速概率分布模型[1-2]，如極值Ⅰ型（Gumbel）、極值Ⅱ型（Frechet）、極值Ⅲ型（Weibull）[3]、皮爾遜-Ⅲ型、廣義極值分布[4]等概率分布模型，一般采用極值Ⅰ型（Gumbel）和皮爾遜-Ⅲ型；二是風(fēng)壓反算。敦煌位于河西走廊末端，受氣候因素和地形狹管效應(yīng)的影響，是西北典型的大風(fēng)區(qū)域。本文采用極值Ⅰ型分布、皮爾遜-Ⅲ型分布和風(fēng)壓反算三種方法對(duì)敦煌氣象站1991～2020年的10m高自記10min平均最大風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算分析，最終得到敦煌地區(qū)輸電線路不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)風(fēng)速。

1 設(shè)計(jì)風(fēng)速計(jì)算方法

1.1 極值Ⅰ型分布

極值Ⅰ型分布函數(shù)[5]：

式中：α為尺度參數(shù)，β為位置參數(shù)。

超過保證率的函數(shù)為：

計(jì)算得到最大風(fēng)速設(shè)計(jì)值為：

保證系數(shù)：

1.2 皮爾遜-Ⅲ型分布

皮爾遜-Ⅲ型分布的概率密度函數(shù)為

式中：α為形狀參數(shù)，β為尺度參數(shù)，是α的伽馬函數(shù)。

在海森頻率表中繪制皮爾遜-Ⅲ型分布曲線，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)進(jìn)行適線調(diào)整，最終得到敦煌氣象站皮爾遜-Ⅲ型最大風(fēng)速頻率分布曲線，如圖1所示。

圖1 皮爾遜-Ⅲ型最大風(fēng)速頻率分布曲線

曲線主要參數(shù)如表1所示：

表1 皮爾遜-Ⅲ型分布曲線參數(shù)表

1.3 風(fēng)壓反算

風(fēng)壓按下式計(jì)算[6]：

由風(fēng)壓反算得到設(shè)計(jì)風(fēng)速

2 設(shè)計(jì)風(fēng)速計(jì)算結(jié)果

以敦煌氣象站1991～2020年的10m高自記10min平均最大風(fēng)速為樣本，分別采用極值Ⅰ型分布、皮爾遜-Ⅲ型分布和風(fēng)壓反算三種方法進(jìn)行計(jì)算分析，最終得到敦煌地區(qū)輸電線路不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)風(fēng)速。

由極值I型分布計(jì)算得到不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)風(fēng)速如表2所示：

表2 極值I型分布計(jì)算的不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)風(fēng)速

根據(jù)皮爾遜-Ⅲ型分布曲線計(jì)算得到不同重現(xiàn)期 的設(shè)計(jì)風(fēng)速如表3所示：

表3 皮爾遜-Ⅲ型分布計(jì)算的不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)風(fēng)速

風(fēng)壓反算得到敦煌地區(qū)不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)風(fēng)速如 表4所示：

表4 風(fēng)壓反算的設(shè)計(jì)風(fēng)速

對(duì)三種方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，并確定不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)風(fēng)速：

極值Ⅰ型分布計(jì)算較簡(jiǎn)便，P-Ⅲ型分布彈性大，適應(yīng)性強(qiáng)。極值Ⅰ型分布與皮爾遜-Ⅲ型分布計(jì)算的不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)風(fēng)速較為接近，且極值Ⅰ型分布計(jì)算的設(shè)計(jì)風(fēng)速略高于皮爾遜-Ⅲ型分布?？紤]到實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)風(fēng)速需要在理論計(jì)算基礎(chǔ)上相應(yīng)增大，因此地形地貌海拔高差等與氣象站相近的區(qū)域，可直接以極值Ⅰ型計(jì)算結(jié)果為參考標(biāo)準(zhǔn)。

風(fēng)壓反算結(jié)果明顯高于理論概率分布（極值Ⅰ型、皮爾遜-Ⅲ型）。這是由于敦煌氣象站位于城郊地勢(shì)較低，觀測(cè)資料計(jì)算的設(shè)計(jì)風(fēng)速僅代表氣象站附近的設(shè)計(jì)風(fēng)速，而基本風(fēng)壓代表整個(gè)地區(qū)的平均水平，另外考慮到敦煌氣象站1972年3月曾出現(xiàn)27m/s的大風(fēng)，因此，為保證輸電線路的安全運(yùn)行，用風(fēng)壓反算結(jié)果作為最終的設(shè)計(jì)風(fēng)速，即敦煌地區(qū)重現(xiàn)期30年、50年、100年的設(shè)計(jì)風(fēng)速分別為26.7m/s、31.3m/s、32.7m/s。

3 結(jié)束語

依據(jù)敦煌氣象站1991～2020年的10m高10min平均最大風(fēng)速，采用極值Ⅰ型、皮爾遜-Ⅲ型分布模型和風(fēng)壓反算三種方法，計(jì)算敦煌地區(qū)輸電線路不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)風(fēng)速，研究結(jié)果表明：①極值Ⅰ型和皮爾遜-Ⅲ型分布計(jì)算的設(shè)計(jì)風(fēng)速接近，風(fēng)壓反算結(jié)果明顯高于理論概率分布（極值Ⅰ型、皮爾遜-Ⅲ型）；②實(shí)際工作中，應(yīng)參考不同方法，充分考慮氣象站數(shù)據(jù)的代表性、微地形微氣象、歷史大風(fēng)情況和輸電線路的安全運(yùn)行情況，綜合確定設(shè)計(jì)風(fēng)速。