藏東高壓輸電線路設(shè)計中線條風(fēng)荷載計算對比

摘 要：基于藏東地區(qū)10站的長時間序列氣象觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合中國輸電線路抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范作為基礎(chǔ)計算標(biāo)準(zhǔn)，計算得到藏東地區(qū)不同站點周邊區(qū)域有代表性的高空輸電線線條風(fēng)荷載數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：（1）藏東10站的極大風(fēng)速年均值為10.6 m/s，自觀測年份起，10個站點中，嘉黎之外的9個站點觀測極大風(fēng)速均呈現(xiàn)逐年下降的趨勢，其中米林與八宿風(fēng)速降低的趨勢最為顯著；（2）藏東地區(qū)的線條風(fēng)荷載年極大值與觀測到的風(fēng)速極大值存在高度一致性，多站點年極大線條風(fēng)荷載平均值為48.7 KN/m2。在氣候相近的不同站點，線條風(fēng)荷載的分布仍存在顯著差異，部分站點線條風(fēng)荷載分布范圍較廣，在部分站點的分布又呈現(xiàn)出集中分布的特點；（3）不同季節(jié)的線條風(fēng)荷載對比結(jié)果顯示，春季與冬季，風(fēng)速自身變化幅度大，線條風(fēng)荷載的整體變化范圍更大，數(shù)據(jù)集中度則明顯降低。高值方面，60 KN/m2以上的線條風(fēng)荷載數(shù)據(jù)主要出現(xiàn)在春冬兩季，夏秋兩季出現(xiàn)60 KN/m2以上線條風(fēng)荷載的概率和月次明顯較低。

關(guān)鍵詞：線條風(fēng)荷載；輸電線路；藏東地區(qū)；參數(shù)比較

中圖分類號：P49

1 引言

隨著國家綜合實力的提升以及西藏自治區(qū)自身的發(fā)展，西藏的基礎(chǔ)建設(shè)不斷深入，西藏500 kV超高壓輸電網(wǎng)工作已經(jīng)在2020年基本建成，供電人口達(dá)到全區(qū)人口97%的規(guī)劃目標(biāo)。風(fēng)荷載也稱風(fēng)的動壓力，是空氣流動對工程建筑所產(chǎn)生的壓力。風(fēng)荷載與基本風(fēng)壓、地形、地面粗糙度、距離地面高度，及建筑體型等諸多因素有關(guān)。目前，西藏高壓輸電工程是全世界海拔最高的電網(wǎng)工程，工程路徑大部分沿高海拔山脊布設(shè)，工程沿線平均作業(yè)海拔超過4 000 m，最高塔位于東達(dá)山海拔5 295 m，是世界最高的500 kV輸電塔位，受氣象條件特別是風(fēng)速的影響較大。此外，藏東地區(qū)內(nèi)的太陽能、風(fēng)能資源都亟待開發(fā)，各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目有待進(jìn)一步實施，風(fēng)荷載的準(zhǔn)確性對此類遠(yuǎn)程輸電項目有重要影響。

高壓輸電線路是一種典型的大跨越輸電體系，特別在西藏的建設(shè)要經(jīng)過大量無人區(qū)域，同時兼具高聳結(jié)構(gòu)和大跨結(jié)構(gòu)的雙重特點；也是典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，要使得遠(yuǎn)距離輸電線路能夠在各種惡劣氣象條件下順利運轉(zhuǎn)，基于氣象資料對高壓輸電線路設(shè)計風(fēng)荷載的研究非常必要。在實際計算中，需要考慮的問題非常復(fù)雜，導(dǎo)線相序排列方式[1]均會對風(fēng)荷載影響較大。盡管中國現(xiàn)行電力規(guī)范在計算風(fēng)陣系數(shù)加權(quán)平均值時大于時程分析結(jié)果，整體計算結(jié)果偏于安全[2]。近十年來，由于風(fēng)荷載強度估計不足，產(chǎn)生的高壓輸電塔基損毀事件依然偶有發(fā)生，例如，2015年彩虹臺風(fēng)在湛江市導(dǎo)致大量塔基損毀，2018年湖南岳陽的2座塔基損毀。這主要是由于強冷空氣或熱帶氣旋這種中尺度天氣系統(tǒng)下，陣風(fēng)系數(shù)可達(dá)1.8以上，山地地形還會對陣風(fēng)系數(shù)起到增強作用，強對流天氣所產(chǎn)生的大風(fēng)天氣下，陣風(fēng)系數(shù)可能會更高[3]。工程更多的問題表現(xiàn)在風(fēng)荷載對高壓輸電線路設(shè)計的影響上。張盈哲等[4]發(fā)現(xiàn)在輸電線路高度較低時，中國規(guī)范的線條符合與其他國家規(guī)范的結(jié)果接近，隨著高度的增加，中國規(guī)范的計算結(jié)果更大，說明國家對線條風(fēng)荷載影響下的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)更高。但受觀測資料的制約，針對建筑物的風(fēng)荷載計算研究更多[5]，針對輸電線路風(fēng)荷載設(shè)計的計算研究相對較少。

西藏地區(qū)氣象數(shù)據(jù)獲取難度大，電力工程建設(shè)難度高，更需要對風(fēng)荷載數(shù)據(jù)有更精確的認(rèn)識。文章以藏東地區(qū)10個站點的長期氣象觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部與中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合發(fā)布的中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)輸電線路抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》（GB 50545—2010）作為計算標(biāo)準(zhǔn)，簡稱GB 50545規(guī)范。為方便比較結(jié)果，所有線條荷載只計算垂直于順線路方向時的最大風(fēng)荷載。計算得到藏東地區(qū)不同站點周邊區(qū)域有代表性的高空輸電線線條風(fēng)荷載數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了對比與分析。

2 數(shù)據(jù)與方法

以藏東地區(qū)有長期氣象觀測資料的10個站點為研究對象，空間位置分布如圖1所示。藏東10站具體經(jīng)緯度與海拔信息如表1所列，分別為林芝4站、昌都4站、那曲1站與山南1站，觀測數(shù)據(jù)起始年份依各地布站時間從1953年至1979年不等，數(shù)據(jù)截止時間為2021年底，氣象數(shù)據(jù)整體經(jīng)過了較好的質(zhì)控過程，對整個藏東地區(qū)有比較好的空間代表性。在基本風(fēng)速規(guī)定中，一般要求50年的重現(xiàn)期，而西藏地區(qū)由于經(jīng)濟發(fā)展落后，地形復(fù)雜等因素，在10個站點的風(fēng)速歷史資料并不完全滿足50年重現(xiàn)期的要求，但40年的重現(xiàn)期理論上并不會使結(jié)果產(chǎn)生巨大差異。

研究中所使用風(fēng)速為10 m高度觀測風(fēng)速數(shù)據(jù)，空氣密度ρ依照公式（1）計算得到。式中：ρ0為0 ℃標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣密度，為1.293 kg/m3，p0為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325 kPa，T0為0度對應(yīng)的開氏溫度273.16 K，p與T分別為實測的氣壓與溫度，其中T以絕對溫標(biāo)K為單位。

依GB 50545中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，線條風(fēng)荷載計算公式計算：

W=γ·W0·α·μz·μs·βc（2）

公式（2）為線條風(fēng)荷載計算公式，W為待計算線條風(fēng)荷載。其中，γ為荷載系數(shù)，一般取1.4，特別重要的線路額外乘1.1；W0為基本風(fēng)壓，計算方法為ρV2/2，其中ρ為空氣密度，V為年最大風(fēng)速的均值，并在計算不同的時間區(qū)間時取了不同的極大值；α為風(fēng)壓不均勻系數(shù)，依我國規(guī)定統(tǒng)一取設(shè)計值為0.61，同時國家電網(wǎng)公司建設(shè)運行部規(guī)定的施工校核值為0.75，高于本文選定計算值；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，查表取1.1～1.2；μs為體型系數(shù)，17 mm以下直徑的輸電線或有冰覆蓋時（此時無視實際線徑大?。┤?.2，大于17 mm直徑的輸電線取1.1；βc為風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)，取1.15～1.25。在實際計算過程中，將依參數(shù)計算不同時間范圍的線條風(fēng)荷載用來對比分析，冬季計算暫未考慮積冰條件。為便于比較，文中所使用所有參數(shù)均以60 m離地高度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選定[6-7]。

3 結(jié)果分析

3.1 藏東地區(qū)風(fēng)速分布特點

對高壓輸電線路風(fēng)荷載影響最大的并不是平均風(fēng)速，而是該地區(qū)的瞬時強風(fēng)。由GB 50545中線條風(fēng)壓計算公式（2）可以看到，線條風(fēng)荷載最大的影響因子為基本風(fēng)壓，而影響基本風(fēng)壓的因子又包括風(fēng)速與空氣密度，其中風(fēng)速的變化范圍更大。為了更好地了解藏東地區(qū)線條風(fēng)荷載的時空分布情況，需要首先對藏東地區(qū)的風(fēng)速分布特點進(jìn)行分析。圖2繪制了藏東地區(qū)年均極大風(fēng)速的逐年趨勢情況。藏東10站的極大風(fēng)速年均值為10.6 m/s，極大風(fēng)速多年均值最高的站點為洛隆的12.4 m/s，極大風(fēng)速多年均值最低的站點為察隅的8.1 m/s。極大風(fēng)速年均值在10 m/s以上為4個站點。絕大部分站點的年極大風(fēng)速都低于15 m/s，其中洛隆在1981—1985年極大風(fēng)速均高于15 m/s，嘉黎和芒康在2005年也觀測到接近20 m/s的極大風(fēng)速。在米林、八宿等站點，年極大風(fēng)速也出現(xiàn)過5 m/s左右的低值。自觀測年份起，10個站點中，9個站點觀測到的風(fēng)速均呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢，其中米林與八宿極大風(fēng)速降低的趨勢最為顯著，盡管嘉黎極大風(fēng)速趨勢在增加，其增速斜率也僅有0.03 m/s/年。這與孔鋒等[8]發(fā)現(xiàn)的青藏高原中部和東部極大風(fēng)速逐漸降低的結(jié)論相一致，同時也與全球氣候變暖大背景下全球風(fēng)速減小的趨勢相吻合。

3.2 藏東地區(qū)線條風(fēng)荷載年極大值

經(jīng)過進(jìn)一步計算，得到藏東地區(qū)的線條風(fēng)荷載年極大值，如圖3所示。藏東10站的極大線條風(fēng)荷載與極大風(fēng)速的變化趨勢幾乎完全一致，僅由于空氣密度的不同存在細(xì)小差異。藏東地區(qū)線條風(fēng)荷載年最大均值為48.7 kN/m2，極大線條風(fēng)荷載最高的站點為洛隆的81.1 kN/m2，極大線條風(fēng)荷載最低的站點察隅的34.7 kN/m2。大部分站點的年極大線條風(fēng)荷載都低于80 kN/m2，其中洛隆在1981—1985年極大線條風(fēng)荷載一度高于175 kN/m2和200 kN/m2，嘉黎和芒康在2005年也計算得到180 kN/m2左右的極大線條風(fēng)荷載。在察隅、米林、八宿等多個站點，極大線條風(fēng)荷載也出現(xiàn)過30 kN/m2左右的低值見表2。計算得到的數(shù)據(jù)量級與張盈哲等[4]在華東的算法比較結(jié)果相一致，考慮到西藏地處高原，缺少局地地形阻礙，極大風(fēng)速高于華東地區(qū)，數(shù)值結(jié)果較華東地區(qū)量級相同數(shù)值偏高，計算得到的藏東10站線條風(fēng)荷載年極大值具有較高的可信度。

圖4將藏東10站不同站點的線條風(fēng)荷載繪制為箱形分布圖。從圖中可以看到年極大線條風(fēng)荷載平均值與中位數(shù)最高的站點均為芒康，其最高值也高于其他站點。年極大線條風(fēng)荷載較低的幾個站點分別為波密、察隅以及左貢，線條風(fēng)荷載的數(shù)值大小相對偏低，數(shù)據(jù)也較為集中，說明當(dāng)?shù)貧v史極大風(fēng)速的變化幅度并不大。線條風(fēng)荷載數(shù)據(jù)跨度最大的幾個站點為洛隆、嘉黎、芒康和八宿，這幾個站點的極大風(fēng)速變化范圍較大。青藏高原地形復(fù)雜，而地形的坡度、形態(tài)和格局在一定程度上會影響局地風(fēng)速的大小和方向，青藏高原地形對局地風(fēng)速的影響機制還有待進(jìn)一步分析。經(jīng)站點對比分析后，圖5將洛隆和左貢的線條風(fēng)荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步的細(xì)化分析。如圖5所示，統(tǒng)計了洛隆和左貢線條風(fēng)荷載逐10 kN/m2的分布年數(shù)，以50 kN/m2為界限分析。洛隆站多年的線條風(fēng)荷載集中分布在40～130 kN/m2的范圍內(nèi)，最低范圍為40～50 kN/m2，僅有7年，此外還有2年的高值數(shù)據(jù)分別處在170～180 kN/m2及200～210 kN/m2范圍內(nèi)。左貢與洛隆形成完全相反的分布狀況，絕大年份的數(shù)據(jù)集中在30～50 kN/m2的范圍內(nèi)，僅有3年的數(shù)據(jù)高于50 kN/m2，且最高線條風(fēng)荷載數(shù)據(jù)不高于80 kN/m2。

綜上所述，藏東地區(qū)的線條風(fēng)荷載年極大值與觀測到的風(fēng)速極大值存在高度一致性。在不同的站點，線條風(fēng)荷載的分布情況存在顯著差異，部分站點線條風(fēng)荷載分布范圍較廣，部分站點的分布又呈現(xiàn)出集中分布的特點。這些風(fēng)荷載分布情況應(yīng)當(dāng)與藏東地區(qū)局地地形和風(fēng)速之間是否存在某種密切關(guān)系，還有待進(jìn)一步的研究確認(rèn)。

3.3 藏東地區(qū)不同季節(jié)線條風(fēng)荷載對比

依照線條風(fēng)荷載算法，對藏東地區(qū)逐月的線條風(fēng)荷載極大值進(jìn)行了單獨計算，并依照不同季節(jié)對整個藏東區(qū)域所有10個站點集中進(jìn)行了統(tǒng)計分析，最終得到藏東地區(qū)不同季節(jié)實際線條風(fēng)荷載極大值分布情況如圖6所示。數(shù)據(jù)依照逐5 kN/m2的間隔進(jìn)行了統(tǒng)計計數(shù)，并依照季節(jié)繪制了概率分布柱狀圖。月極大線條風(fēng)荷載最高3個范圍在春季分布范圍為15～30 kN/m2；夏、秋、冬季均為10～25 kN/m2。其中單個線條風(fēng)荷載范圍最高為秋季10～20 kN/m2區(qū)間，均出現(xiàn)達(dá)到350以上月次，其次為夏季10～15" kN/m2區(qū)間，出現(xiàn)達(dá)到300以上月次。春季與冬季的單柱次數(shù)最高為300，顯著低于夏、秋兩季。因為在春季與冬季，風(fēng)速變化幅度大，線條風(fēng)荷載的整體變化范圍更大，與之對應(yīng)的數(shù)據(jù)集中度明顯降低。高值方面，60 kN/m2以上的線條風(fēng)荷載數(shù)據(jù)主要出現(xiàn)在春冬兩季，夏秋兩季出現(xiàn)60 kN/m2以上線條風(fēng)荷載的概率和月次明顯偏低。

4 結(jié)論與討論

文章基于中國西藏東部10個站點40～70年的長時間序列觀測的氣象數(shù)據(jù)，10個站點均勻分布在西藏東部地區(qū)，具有較好的時空代表性?；谥袊旊娋€路抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范作為計算標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合氣象觀測數(shù)據(jù)，計算得到了藏東地區(qū)有代表性的高空輸電線線條風(fēng)荷載數(shù)據(jù)，并在不同時間尺度上進(jìn)行了對比分析，結(jié)論如下：

（1）文章使用10個站點均勻分布在西藏東部地區(qū)，具有較好的空間代表性的極大風(fēng)速年均值為10.6 m/s，絕大部分站點的年極大風(fēng)速都低于15 m/s。在米林、八宿等站點，年極大風(fēng)速也會出現(xiàn)過5 m/s左右的低值。風(fēng)速差異在不同站點的表現(xiàn)較為明顯。自觀測年份起，除嘉黎之外的所有9個站點觀測到的風(fēng)速均呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢，米林與八宿風(fēng)速降低的趨勢最為明顯，唯一年均極大風(fēng)速增加的嘉黎，其風(fēng)速增速斜率也僅有0.03 m/s/年。

（2）藏東10站的極大線條風(fēng)荷載與極大風(fēng)速的變化趨勢幾乎完全一致，細(xì)微差異主要由空氣密度差異導(dǎo)致。藏東地區(qū)線條風(fēng)荷載年最大均值為48.7 kN/m2，絕大部分站點的年極大線條風(fēng)荷載都低于80 kN/m2。在米林、八宿、林芝等站點，極大線條風(fēng)荷載也曾出現(xiàn)過30 kN/m2左右的低值。青藏高原地形復(fù)雜，地形的坡度、形態(tài)和格局在一定程度上會影響局地風(fēng)速的大小和方向，青藏高原地形對局地風(fēng)速的影響機制還有待進(jìn)一步分析。左貢與洛隆形成完全相反的分布狀況，說明即使空間位置接近，氣候一致的情況下，在不同站點仍然可能表現(xiàn)出不同風(fēng)荷載的特征。

（3）月極大線條風(fēng)荷載最高頻次范圍在春季要高于夏、秋、冬三季。春季與冬季，風(fēng)速自身的變化幅度更大，線條風(fēng)荷載的整體變化幅度更大，數(shù)據(jù)集中度則明顯降低。60 kN/m2以上的線條風(fēng)荷載數(shù)據(jù)主要出現(xiàn)在春冬兩季。

GB 50545規(guī)范規(guī)定了導(dǎo)線設(shè)計最小風(fēng)速，考慮到了結(jié)構(gòu)系數(shù)及風(fēng)荷載相關(guān)參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)制定偏于保守，相對應(yīng)的安全系數(shù)更高。以藏東10站為研究對象，雖然獲得了大量西藏風(fēng)荷載的一手?jǐn)?shù)據(jù)，但還存在幾個方面的問題。例如，站點的代表性只能覆蓋藏東地區(qū)，無法覆蓋整個西藏區(qū)域；高原復(fù)雜地形對于局地風(fēng)速的影響機制還有待進(jìn)一步分析等。有待收集西藏地區(qū)更多的氣象資料，以對青藏高原上的線條風(fēng)荷載進(jìn)行進(jìn)一步的研究與分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]" 柏曉路，葛秦嶺，余雯雯，等. 架空輸電線路最小相間距離計算分析[J]. 電力科學(xué)與工程，2010，26（4）：37-40.

[2]" 羅柯镕，余亮，舒贛平，等. 500 kV長江大跨越輸電塔線體系風(fēng)致響應(yīng)分析研究[J]. 工業(yè)建筑，2022，52（8）：1-8.

[3]" 周福，蔣璐璐，涂小萍，等. 浙江省幾種災(zāi)害性大風(fēng)近地面陣風(fēng)系數(shù)特征[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報，2017，28（1）：119-128.

[4]" 張盈哲，廖宗高，謝強. 輸電線路設(shè)計規(guī)范中風(fēng)荷載計算方法的比較[J]. 電力建設(shè)，2013，34（7）：57-62.

[5]" 李元齊，劉振君，夏季，等. 某高層建筑考慮地形影響的風(fēng)荷載增大系數(shù)取值分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2008（7）：120-124.

[6]" 楊風(fēng)利，張宏杰，朱青，等. 基于陣風(fēng)響應(yīng)因子的導(dǎo)線風(fēng)壓不均勻系數(shù)計算理論研究[J]. 結(jié)構(gòu)工程師，2020，36（6）：98-103.

[7]" 樓文娟，白航，卞榮，等. 輸電線路檔距折減系數(shù)及風(fēng)壓不均勻系數(shù)取值研究[J]. 浙江電力，2019，38（10）：72-77.

[8]" 孔鋒，孫劭，王鵬. 1961—2018年中國風(fēng)速均值和極端值的時空演變特征[J]. 災(zāi)害學(xué)，2021，36（2）：89-96.

*基金項目：西藏自治區(qū)自然科學(xué)基金項目“藏東地區(qū)風(fēng)荷載分布規(guī)律研究”（XZ202001ZR0028G）；隴原青年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才（團隊）項目“甘肅省旅游氣象資源開發(fā)與應(yīng)用”（2022 LQTD55）；甘肅省自然科學(xué)基金“甘肅酒泉不同土壤濕度條件下陸面方案對風(fēng)速模擬的影響研究”（21JR7RA695）。

△通信作者：加永登增（1990-），男，助理工程師，研究方向：雷電防護(hù)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，E-mail：465464450@qq.com。