摘要：設(shè)計(jì)風(fēng)速取值是輸電線路設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)工程造價(jià)和安全性影響較大。山區(qū)輸電線路，由于地形變化較大且氣象資料較少，要準(zhǔn)確的分析確定設(shè)計(jì)風(fēng)速較為困難，需要多方面的分析論證。文章通過(guò)一個(gè)工程實(shí)例闡述了山區(qū)輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速的分析計(jì)算方法，在充分搜集與風(fēng)速相關(guān)的資料的基礎(chǔ)上，從多方面多角度進(jìn)行分析論證，最終確定一個(gè)合理的設(shè)計(jì)風(fēng)速取值。

關(guān)鍵詞：山區(qū)輸電線路；設(shè)計(jì)風(fēng)速；風(fēng)速取值；氣象站風(fēng)速

中圖分類號(hào)：U463文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2014）24-0146-02

設(shè)計(jì)風(fēng)速是輸電線路設(shè)計(jì)的一個(gè)重要荷載條件，對(duì)工程造價(jià)影響很大，如何確定合理的設(shè)計(jì)風(fēng)速對(duì)輸電線路的經(jīng)濟(jì)性以及工程建成后的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地區(qū)用電需求不斷增加，而能源的分布與用電負(fù)荷的分布是不均衡的，這使得遠(yuǎn)距離跨區(qū)域送電逐漸增多。遠(yuǎn)距離輸電線路以及山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)的電力送出線路的增加，越來(lái)越多的輸電線路不可避免的要穿過(guò)山區(qū)，甚至是高山峻嶺。

山區(qū)輸電線路，由于路徑區(qū)地形起伏較大，山頂、山脊、迎風(fēng)面以及山凹、山谷等各種地貌風(fēng)速均有所不同。有實(shí)測(cè)風(fēng)速觀測(cè)資料的氣象站均位于市（縣）城區(qū)附近，城市一般位于山間谷底的河流旁，氣象站觀測(cè)風(fēng)速不能代表山區(qū)復(fù)雜的地形地貌下的風(fēng)速。由于風(fēng)速觀測(cè)資料有限，山區(qū)地形復(fù)雜，因此要準(zhǔn)確分析確定山區(qū)輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速的取值是較為困難的。

以下以一個(gè)工程實(shí)例說(shuō)明山區(qū)輸電線路的設(shè)計(jì)風(fēng)速取值的分析計(jì)算方法。

1工程概況和設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期的確定

某220kV輸電線路位于安徽省西南部的大別山區(qū)，地貌為山地，海拔較高，高差較大，沿線海拔在400～1200m之間。該地區(qū)屬北亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫涼，光照充足，雨熱同期，四季分明；由于地形復(fù)雜，小區(qū)域氣候差異大。

輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速的重現(xiàn)期根據(jù)電壓等級(jí)的不同而不同，電壓等級(jí)越高，重現(xiàn)期越高。本例是220kV輸電線路，設(shè)計(jì)風(fēng)速的重現(xiàn)期為30年一遇，高度為離地面10m高，風(fēng)速時(shí)距為10min平均最大值。

2氣象站風(fēng)速的分析計(jì)算及移用至路徑區(qū)

輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速的分析確定應(yīng)該以附近氣象站的歷年實(shí)測(cè)最大風(fēng)速資料的分析計(jì)算結(jié)果為依據(jù)。

根據(jù)收資，本工程附近的縣城建有氣象觀測(cè)站，氣象站觀測(cè)場(chǎng)位于縣城城區(qū)附近的一個(gè)小山包上，海拔高程434.2m，具有建站以來(lái)（1957～2009年）共53年的歷年最大風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)。

在對(duì)歷年最大風(fēng)速資料進(jìn)行頻率計(jì)算前，需對(duì)風(fēng)速資料進(jìn)行高度訂正和次時(shí)訂正。

2.1高度訂正

我國(guó)氣象站風(fēng)速儀距離地面的高度一般設(shè)置為10m左右，但具體高度略有差別。風(fēng)速一般隨著距離地面高度的增加而增大，因此，必須根據(jù)風(fēng)速儀距離地面的高度訂正到規(guī)范要求的離地10m高的風(fēng)速。風(fēng)速訂正公式如下：

式中：VZ—高度為Z處的風(fēng)速（m/s）；V1—高度為Z1處的風(fēng)速（m/s）；Z—設(shè)計(jì)高度（m），本例為10m；Z1—風(fēng)速儀距離地面的高度（m）；α—地面粗糙度系數(shù)，與觀測(cè)場(chǎng)及周邊地區(qū)的地形地貌和地表物體類別有關(guān)，本例取0.16。

2.2次時(shí)訂正

我國(guó)氣象站最大風(fēng)速的觀測(cè)方式和觀測(cè)時(shí)距現(xiàn)在一般均為自記觀測(cè)10min平均值，但是由于觀測(cè)儀器的不同，在氣象站建站初期一般為一天定時(shí)觀測(cè)4次，觀測(cè)時(shí)距為2mim，最大風(fēng)速為4次定時(shí)觀測(cè)2min平均值。一天定時(shí)觀測(cè)4次，會(huì)漏掉很多大風(fēng)記錄，因此，需要對(duì)定時(shí)觀測(cè)資料進(jìn)行觀測(cè)次數(shù)和時(shí)距的訂正，訂正到規(guī)范要求的自記10min平均最大風(fēng)速。次時(shí)訂正公式如下：

V10min=aV2min+b

式中：V10min—自記10min平均最大風(fēng)速（m/s）；V2min—定時(shí)2min平均最大風(fēng)速（m/s）；a、b—訂正系數(shù)，應(yīng)采用當(dāng)?shù)胤治龀晒驅(qū)崪y(cè)資料計(jì)算確定，本例a取1.03、b取3.76。

2.3頻率計(jì)算

通過(guò)高度訂正和次時(shí)訂正，得到氣象站歷年（1957～2009年）離地10m高自記10min的平均最大風(fēng)速，進(jìn)行頻率計(jì)算。頻率計(jì)算方法可采用極值Ⅰ型或P—Ⅲ型。本例采用極值Ⅰ型的計(jì)算結(jié)果，得氣象站30年一遇離地10m高自記10min平均最大風(fēng)速為27.57m/s。

2.4氣象站風(fēng)速移用至路徑區(qū)

本例氣象站位于大別山區(qū)中某縣城附近，地貌為山地，海拔434.2m，其風(fēng)速計(jì)算值對(duì)一般山地具有一定的代表性。但是由于氣象站位于大別山區(qū)中山勢(shì)較低的地方，周圍高山對(duì)氣象站的風(fēng)速觀測(cè)有一定的屏蔽作用，使得氣象站風(fēng)速觀測(cè)值偏小。本工程路徑區(qū)海拔較高，在400～1200m之間，尤其是位于山頂、山口、山脊及迎風(fēng)面的路段，風(fēng)速較氣象站風(fēng)速大。根據(jù)《電力工程氣象勘測(cè)技術(shù)規(guī)程》，與大風(fēng)方向一致的風(fēng)口等地貌的山區(qū)風(fēng)壓，按附近氣象參證站風(fēng)壓值乘以調(diào)整系數(shù)，調(diào)整系數(shù)為1.20～1.50；考慮到氣象站本身位于山區(qū)，對(duì)中低山地貌具有一定的代表性，調(diào)整系數(shù)取較低值1.20。

地形修正涉及到風(fēng)速與風(fēng)壓的轉(zhuǎn)換，風(fēng)速和風(fēng)壓的換算公式如下：

公式中：W—風(fēng)壓（kN/m2）；V—離地10m高自記10min平均最大風(fēng)速（m/s）；Kv—風(fēng)壓系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下取1/1600。

本例氣象站30年一遇離地10m高計(jì)算風(fēng)速為27.57m/s，換算成風(fēng)壓為0.48kN/m2，調(diào)整后風(fēng)壓為0.58kN/m2，換算成風(fēng)速為30.5m/s。因此，考慮地形修正，調(diào)整后高山區(qū)風(fēng)速達(dá)到30.5m/s，接近于31m/s。

3《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中風(fēng)壓推算的風(fēng)速值

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中給出了全國(guó)部分城市的10年、50年和100年一遇風(fēng)壓數(shù)值，離地高度均為10m。根據(jù)該規(guī)范可查出距離路徑區(qū)最近的城市的風(fēng)壓數(shù)值，計(jì)算出30年一遇風(fēng)壓值，然后推算出對(duì)應(yīng)的風(fēng)速，并進(jìn)行必要的地形修正，供工程選用。

本工程路徑區(qū)附近具有風(fēng)壓值的城市為安慶市，安慶市位于大別山區(qū)和長(zhǎng)江之間，地貌為沿江平原，海拔高程19.8m，10年、50年和100年一遇風(fēng)壓值分別為0.25、0.40和0.45kN/m2，其30年一遇風(fēng)壓值可根據(jù)以下公式推算。

X30=X10+（X100-X10）（ln30/ln10-1）

式中：X30、X10、X100分別為30年、10年、100年一遇離地10m高處風(fēng)壓值。

經(jīng)計(jì)算，安慶市相應(yīng)30年一遇風(fēng)壓為0.345kN/m2。由于該城市海拔較低，為19.8m，地貌為長(zhǎng)江沿岸平原，其風(fēng)速對(duì)平地具有一定的代表性，本工程路徑位于山區(qū)，部分路徑為高山大嶺，因此，需要進(jìn)行地形修正。根據(jù)《電力工程氣象勘測(cè)技術(shù)規(guī)程》，與大風(fēng)方向一致的風(fēng)口等地貌的山區(qū)風(fēng)壓，按附近氣象參證站風(fēng)壓值乘以調(diào)整系數(shù)，調(diào)整系數(shù)為1.20～1.50，安慶氣象站30年一遇風(fēng)壓為0.345kN/m2，調(diào)整后風(fēng)壓值達(dá)到0.41～0.52kN/m2，換算成風(fēng)速為25.6～28.8m/s，調(diào)整后山區(qū)最大風(fēng)速接近29m/s。

另外，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，安徽省的皖南山區(qū)黃山光明頂氣象站海拔高度1840.4m，不受城市影響，對(duì)高山代表性較好，黃山光明頂50年一遇風(fēng)壓0.70kN/m2，經(jīng)計(jì)算相應(yīng)的30年一遇風(fēng)壓為0.643kN/m2，換算成風(fēng)速為32.1m/s。

從風(fēng)壓推算的風(fēng)速值以及地形修正結(jié)果可以看出，本工程山區(qū)最大風(fēng)速接近29m/s，高海拔山地風(fēng)速則更大。

4附近已建線路設(shè)計(jì)風(fēng)速取值及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)

工程點(diǎn)附近已建輸電線路的設(shè)計(jì)風(fēng)速取值和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)是新建工程設(shè)計(jì)風(fēng)速取值的重要參考依據(jù)。

本工程位于大別山區(qū)，附近目前尚無(wú)220kV及以上等級(jí)的輸電線路，但是根據(jù)收資，附近有一條已建的110kV輸電線路，該線路最高點(diǎn)海拔約650m左右，設(shè)計(jì)風(fēng)速取值為30m/s（設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為15年一遇離地15m高，換算到離地10m高風(fēng)速值約為28.12m/s），運(yùn)行以來(lái)未發(fā)生因大風(fēng)造成的事故。

5設(shè)計(jì)風(fēng)速取值分析

由于本工程路徑區(qū)附近實(shí)測(cè)風(fēng)速資料較少，因此，設(shè)計(jì)風(fēng)速的取值需要進(jìn)行多方面的分析計(jì)算和比較。根據(jù)本工程附近氣象站的風(fēng)速計(jì)算結(jié)果、風(fēng)壓推算的風(fēng)速值，以及沿線地形地貌、海拔高度，考慮地形因素的風(fēng)速調(diào)整分析，和附近已建線路的設(shè)計(jì)風(fēng)速取值和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)綜合分析，本工程設(shè)計(jì)風(fēng)速取值建議分為29m/s和31m/s兩個(gè)風(fēng)區(qū)，其中，中低山區(qū)（海拔控制在850m以下）取29m/s，高山區(qū)（海拔在850～1200m之間）取31m/s。

6結(jié)語(yǔ)

山區(qū)輸電線路經(jīng)過(guò)地區(qū)往往缺乏實(shí)測(cè)風(fēng)速資料，附近市（縣）氣象站雖有風(fēng)速觀測(cè)資料，但是對(duì)路徑區(qū)的代表性較差，不能直接引用。準(zhǔn)確分析確定山區(qū)輸電線路的設(shè)計(jì)風(fēng)速取值較為困難，因此，需要盡可能多的搜集路徑區(qū)附近與風(fēng)速相關(guān)的資料，多方面多角度的進(jìn)行分析計(jì)算，并綜合比較，從而確定一個(gè)比較合理的設(shè)計(jì)風(fēng)速的取值。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：鄭磊（1982—），男，安徽宿州人，中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院工程師，研究方向：水文與氣象。