750 kV金昌—安西送电线路工程玉门段设计风速的计算分析

2010-03-04穆红文王国尚刘亚峰张千山

电力建设 2010年2期

穆红文，王国尚，刘亚峰，张千山

（甘肃省电力设计院，兰州市，730050)

0 引言

输电线路杆塔荷载主要包括塔身风荷载和杆塔自重荷载，导线风荷载、导线张力、导线覆冰和导线自重荷载等。除耐张塔由导线张力、转角度数控制之外，直线塔多数杆件设计是由大风工况控制，尤其是750 kV高压输电线路铁塔，铁塔较高，风荷载的影响就更大。风荷载与设计风速的平方成正比，设计风速取值越高，铁塔抗击风的能力就越大，发生超越设计风速的概率就越低，线路安全运行的保证率就越高，但铁塔重量也越大，导致工程造价增加，而设计风速取值太小会造成倒塔断线事故[1-3]。要做出较客观的大风估计值，达到既安全又经济，这是电力部门尤其是气象部门必须认真研究的问题。本文就750 kV输电线路设计中风速取值问题进行探讨。

1 资料来源和气象观测情况

750 kV金昌—安西送电线路工程玉门镇段线路基本行进在戈壁滩上，地形平坦、空旷，海拔在1 524～1 548m之间，地面粗糙度属B类。玉门段的基本风要素特征和设计风速的资料主要来源于玉门镇气象站。玉门镇气象站位于玉门市玉门镇南门外，属国家基本气象站，从1955至2007年已积累53年风速资料，其中1955—1985年为定时观测，1986—2007年为自记观测。资料超过25年，可用于风速统计计算。玉门昌马风电场测风塔地处玉门镇西南6.5 km处，750 kV线路从其西北2 km处通过。于2007年4月9日—12月31日共265天在测风塔上进行了3层的梯度风观测，但资料太短，故只采用玉门镇气象站的基本风资料，风电场资料可用来建立线路与气象站最大风速关系。

2 玉门镇区风的基本特征

2.1 平均风速

从表1可见，玉门镇月平均风速为3.0～4.5m/s，差异不显著。最大平均风速（4月份）与最小平均风速（9月份）相差只有1.5m/s。从季节分布看，玉门镇春季平均风速最大，秋季最小。春季风速大的原因是冷、暖空气交汇频繁，天气多变常带来大风天气，而秋季天气相对稳定，大风出现较少，所以平均风速也小。

表1 玉门气象站1955—2007年的逐月平均风速和大风日数Tab.1 Meanmonthly w ind speed and strong w ind day from1955—2007 atYumenWeather Station

2.2 最大风速

由表2可见，玉门镇1955—2007年的年最大风速为29m/s，对应的风向为WSW，出现在1955年8月14日。各月的最大风速以8月份最大，为29m/s，1月份次之，为25.6m/s，其他各月最大风速均大于20m/s。分析还发现，全年中有8个月的最大风速出现在20世纪70年代，有2个月的最大风速出现在20世纪50年代。

表2 玉门镇气象站1961—1999年累年各月最大风速Tab.2 Monthlymaximum w ind speed from 1961—1999 at YumenWeather Station

图1显示了玉门镇历年最大风速的变化趋势。从回归曲线可以看出，最大风速的总体变化趋势是逐渐减小的，其中在1965—1989年间相对稳定，风速基本在20m/s以上，超过了此后17年的最大风速，在1997年达到最小值12.3m/s，近几年则呈现出上升趋势。

图1 玉门镇1955—2007年最大风速Fig.1 Maximum w ind speed from 1955—2007 atYumen

2.3 大风日数

大风日指风力在8级以上或瞬间风速大于或等于17.0m/s的日数。如表1所示，玉门镇1955—2007年的平均大风日数为40.7天。从季节分布看，春季最多，夏季次之，秋季和冬季相当。从月分布看，3月和4月的大风日数最多，53年分别平均为6.7天和5.3天，其余各月大风日数多在2.0～3.0天。

2.4 最多风向及频率

由表3可见，玉门镇各月最多风向集中在E风和W风，年最多风向为E风，12个月中有9个月的最多风向为E风，其余的1，11，12月最多风向为W。

表3 玉门气象站1955—2007年各月出现最多风向及频率Tab.3 Monthly dominantw ind direction and frequency from1955—2007 atYumenWeather Station

2.5 各风向频率及最大风速

如表4所示，玉门镇E风的频率最大，为20％，其次是W风，为16.7％；最大风速为29m/s，对应的风向为WSW，其次为25m/s，对应风向为WNW。

全年各风向下的频率及最大风速玫瑰图如图2所示。

3 线路设计风速的推算

玉门镇气象站自1955年至2007年，已经有了53年的观测风速资料，这些资料是计算设计风速的基础资料，它的准确与否，直接关系到设计风速取值是否

表4 玉门镇气象站1955—2007年各风频率和的最大风速Tab.4 Differentw ind frequency andmaximum speed from1955—2007 atYumenWeather Station

图2 全年各风向下的频率及最大风速玫瑰图Fig.2 Frequency andmaximum w ind speed rosemap under differentw ind directionsyearly

合理。因此，在进行设计风速计算之前，应特别重视对年最大风速序列的均一性进行审查，若发现非均一性问题，则要查明原因，消除其影响。

3.1 年最大风速的时次和高度换算

由于玉门气象站在1955—1985年间最大风速取自2min观测，必须进行“时距换算”[4]；定时2m in最大风速与10m in最大风速的关系为

式中 Y——自记10m in平均最大风速；

X——2m in平均最大风速。

为了消除风仪离地面高度不同对风速大小的影响，使之能满足《电力工程气象勘测技术规程》中对风仪离地面高度要求10m的规定，利用指数公式，将气象站风仪离地面10.6m高度上的年最大风速，统一换算到离地10m高处的年最大风速。

3.2 年最大风速序列均一性的审查和修正

图3为时次修正10m in平均年最大风速与观测的10min平均最大风速点绘的年最大风速随时间变化的曲线。可以看出，气象站的年最大风速的序列存在明显的不连续现象，1955—1989年期间的年最大风速（21.3m/s），明显地大于1990—2007年期间的年最大风速（16.0m/s），1990—2007年期间的年最大风速的平均减小幅度高达24.8％。玉门镇气象站在1956年迁往玉门镇南门“郊区”后，50年以来没有迁过站，可以判断测站位置迁移对最大风速减小没有影响。原因有2个：一是随着全球气候变暖，尤其是从1989年以来，冷空气的频率和强度减弱，使得本地区风速减小；二是玉门镇气象站周围的环境发生了重大的变化。1990年以前，气象站四周空旷开阔，观测到的风速是大气运行中的实际风速；20世纪80年代末和90年代中后期，测站周围建起了高楼，使得气象站的风速显著减小，所以该气象站1990年后的观测值已不能代表自然状态下的实际风速。因此，在计算年最大风速的概率时，要对1990—2007年的资料进行合理的修正。

图3 玉门镇气象站10m高处的逐年最大风速变化图Fig.3 Annualmaximum w ind speed variation at10m of Yumen Weather Station

玉门昌马测风塔周边环境几乎没有受到人为的影响，图4为玉门昌马测风塔和玉门镇气象站2007年4月9日—12月31日共265天对应时间的10m高10min最大风速图。由图4可知，每天最大风速都是昌马测风塔的大于玉门镇气象站的；从回归曲线变化趋势来看，两者均为风速从先期的大到小到再增大的趋势，且昌马风电场风速比玉门气象站风速平均大2.0m/s左右。图5为玉门镇气象站天最大风速与昌马测风塔对应天最大风速的线型拟合图，其回归表达式为

式中 y——昌马风电场最大风速；

x——玉门镇气象站最大风速。

这表明，在相同的天气系统影响下，这2个测站最大风速的相关性是好的。利用以上关系对玉门镇气象站1990—2007年间的年最大风速进行修正，之后与玉门镇1955—1985年间的年最大风速一起构成了1955—2007年的完整的相当于空旷地上的10m高度10m in平均年最大风速的序列，可用于基本风速的概率推算。

3.3 年最大风速的概率计算

《110～750 kV架空输电线路设计规范》中规定750 kV送电线路设计时的重现期为50年，由10min

图4 玉门昌马测风塔和玉门镇气象站天最大风速变化Fig.4 Dailymaximum w ind speed variation at Changma Wind Measuring Tower and Yumen Weather Station

图5 玉门昌马测风塔和玉门镇气象站最大风速线型拟合Fig.5 Maximum w ind speed linear fitting between Changma Wind Measuring Towerand YumenWeather Station

平均年最大风速推算50年重现期的数学期望值作为基本风速。最新国标《建筑结构荷载规范》对资料年限有明确的要求：“选取的年最大风速数据，一般应有25年以上的资料，采用极值Ⅰ型分布函数来进行最大风速的计算”[5]。本文使用53年的10m in平均年最大风速资料，符合规范的要求。在此，采用极值Ⅰ型分布拟合极值频率分布。

式中：xp为重现期为T对应的最大风速；x为样本中历年最大风速的平均值，m/s；Cv为离差系数，

由上式计算得玉门镇气象站100，50，30年一遇的10m in年最大风速值分别为33.1，31.5，30.3m/s。

3.4 线路设计风速

玉门镇气象站位于玉门市玉门镇南门外“郊外”，地势较高，周围空旷，1990年以前气象站几乎不受人类活动的影响，其所测风速对玉门镇区具有较好的代表性，1990年后气象站受人类活动的影响，风速代表性较差，采用昌马测风塔资料对其进行修正后，可得到玉门镇1955—2007年共53年完整的相当于空旷地上的10 m高度10 m in平均年最大风速的序列。750 kV金昌—安西送电线路工程玉门段线路地处山前洪积扇上，地势较低，无需进行山区风速调整[6]，故线路设计风速可按玉门镇气象站50年一遇风速设计，为31.5m/s。