基本风压公式在高海拔区域应用的误差分析

宋 俊，王玮玮，桂红华

(1.中国电力规划设计协会，北京 10020；2.中南电力设计院，湖北 武汉 430071)

近年来，以糯扎渡水电站开发为代表一系列工程，极大刺激了云南电网事业的发展，主要表现在云广直流、糯扎渡送电广东直流等位于高海拔地区的输电工程相继上马。由于高海拔地区空气密度较小，基本风压计算公式ω0＝v2/1600没有考虑空气密度的影响，不能简单应用于高海拔地区，必须对其进行空气密度修正，否则会导致过大的计算误差。

云南思茅地区作为糯扎渡送电广东直流、思茅至通宝等输电工程的起点，其接地级线路基本风速的合理确定，对这一系列工程经济造价、安全运行具有重大意义。

1 基本风压的定义

现行《建筑结构荷载规范》(GB50009－2001)(2006版)(以下简称《规范》)规定基本风压是指风荷载的基准压力，一般按当地空旷平坦地面上10 m 高度处10 min平均的风速观测数据，经概率统计得出50 年一遇最大值确定的风速，再考虑相应的空气密度，按公式ω0＝ρv2/2确定的风压。基本风压要能反映本地区较大范围内的气象特点，避免局部地形和环境的影响。现在，国内气象站多采用风杯式自记风速仪，在确定风压时，必须考虑各台站观测当时的空气密度。从《规范》附录D基本雪压和风压的确定方法，可查得考虑空气密度的公式为：

由公式(1)又可推导出由基本风压计算基本风速的公式如下：

式中：ω0为基本风压，v0为50年一遇的基本风速，ρ为空气密度。

《规范》条文说明中指出，以往国内的风速记录大多数根据风压板的观测结果，刻度所反映的风速实际上是统一根据标准的空气密度1.25 kg/m3按上述公式反算而得，因此以往在按该风速确定风压时，可统一按公式ω0＝v2/1600计算。

标准空气密度是标准大气压1013 hPa(水银柱高为760 mm标准大气压)下、温度为15℃时、纬度45°的海平面处计算出来的，该公式为：

其中，干空气重度r= 12.25 Pa，g= 9.8 m/s²，可得ρ=1.25 kg/m³，将式 (3)代回式 (2)，可推演出在标准状态下由基本风压值计算基本风速的公式：

在标准状态下由基本风速计算基本风压的公式：

2 送电线路基准风压计算公式

根据现行相关规定，基本风速应根据沿线气象资料的数理统计结果，参考《规范》的风压图以及附近已有线路的运行经验确定。其中，110 kV～330 kV输电线路重现期为30年一遇；500 kV、750 kV输电线路重现期为50年一遇。

现行送电线路相关导则中关于导线及地线、杆塔以及绝缘子基准风压的标准值，统一采用如下简化公式计算：

v为离地10m高度处的基本风速。可见，现行送电相关导则中计算基准风压的标准值采用公式实际上是标准状态下由基本风速计算基本风压的公式(5)。这样采用，用以往风压板测出的风速计算时是正确的；在低海拔地区，如海拔为30 m的地区应该采用ω0＝v2/1605，采用简化公式计算出的基准风压只是偏大0.3%，其区别也不大；但海拔达到1000 m的地区，应该采用ω0＝v2/1768，采用简化公式计算结果偏大了10.5%。

3 思茅地区基准风压取值

3.1 思茅地区基本风速的计算

以思茅地区接地极线路为例，据相关规范，500 kV接地极线路按照220 kV输电线路设计要求考虑，其基本风速的设计重现期为30年一遇。思茅气象站经纬度为100°58′E、22°47′N，海拔高度1302.1 m。10、50、100年一遇的风压值分别为：0.25、0.45、0.55 kN/m2。

由于《规范》根据新的观测资料重新对全国各气象台站统计了风压和雪压，并将风雪荷载的基本值的重新期由30年一遇改为50年一遇，故还需根据下式转换为其他重现期R对应风压值：

其中，x100、x10分别为100年一遇风压值、10年一遇风压值。若求思茅地区30年一遇风压值，则根据式(7)算得该值约为0.39 kN/m2。

若以常用简化公式 由风压计算风速，则思茅地区30年一遇基本风速约为25.1 m/s。但是云南的地理位置具有海拔高、纬度低特点，与简化公式中标准空气密度要求有较大差别，故空气密度需要重新求算。《规范》中给出了密度随海拔高度变化的简要计算公式：

思茅地区的海拔高度z=1302 m，代入式(8)计算得空气密度ρ＝0.0011 t/m3＝1.1 kg/m³，再由式 ，可推出思茅地区30年一遇基本风速约为26.7 m/s。

可见，采用简化公式 计算结果偏小，不安全。本工程30年一遇的基本风速推荐采用由风压推算值26.7 m/s(近年来思茅气象站周围建设了不少高楼房，采用实测风速计算值较小)。

3.2 接地极线路基准风压的计算

根据以上计算，思茅地区30年一遇基本风速为26.7 m/s，据现行相关规定的计算公式ω0＝v2/1600计算出思茅地区30年一遇基准风压为0.45 kN/m2。从以上基本风速的计算过程可知，该地区30年一遇实际基准风压为0.39 kN/m2，计算值偏大了15%。如果设计专业知道水文气象专业基本风速的取值过程，直接采用0.39 kN/m2作为接地极线路的基准风压就不会出现取值偏大的现象，无需采用ω0＝v2/1600进行计算。可见，公式的使用条件错误还可导致送电线路各专业之间接口的计算错误。

4 误差分析

从式(2)、(8)可看出，随着海拔高度增高，密度ρ不断减小，基本风速相应地不断增加。由于简化计算的vf不考虑密度变化，所以总是小于真值vt，故式(9)可以简化为：

采用常规简化公式ω0＝v2/1600计算出的基准风压值一般偏大，偏大的相对误差计算公式：

5 结语

(1) 《规范》中的基本风压值对城市附近空旷平坦地区的代表性较好，而输电线路多走在荒山大岭，因此还需考虑微地形、微气象的影响，才能得出工程地点可靠的风压值。

(2) 当线路位于高海拔地区，若由气象站自记观测仪器实测的风速经过统计计算得出或由公式 推算，并统一采用简化公式 计算导线及地线、杆塔以及绝缘子的基准风压标准值，由于未考虑空气密度的影响，所计算的基本风压标准值偏大，造成了浪费。

(3) 当线路位于高海拔地区，若按常用公式推算得出基本风速时，其计算的风速值一般偏小，基准风压的计算结果偏小，偏于不安全。

(4)在工程设计过程中，建议相关专业多沟通协商，气象报告中写明设计风速及基本风压的计算方法，以避免设计专业重复考虑，造成计算错误。

(5)基准风压计算公式在中国广大的低海拔地区应用时误差不大，但在高海拔地区的误差较大。当海拔在1000 m以上时，其基准风压的计算误差超过了10%。

[1]DL/T5158－2002，电力工程气象勘测技术规程[S]．

[2]GB50009－2001，建筑结构荷载规范[S]．

[3]Q/DG1－D005－2009，110 kV～750 kV架空输电线路设计技术导则[S]．