穆紅文，王國尚，劉亞峰，張千山

（甘肅省電力設計院，蘭州市，730050)

0 引言

輸電線路桿塔荷載主要包括塔身風荷載和桿塔自重荷載，導線風荷載、導線張力、導線覆冰和導線自重荷載等。除耐張塔由導線張力、轉角度數(shù)控制之外，直線塔多數(shù)桿件設計是由大風工況控制，尤其是750 kV高壓輸電線路鐵塔，鐵塔較高，風荷載的影響就更大。風荷載與設計風速的平方成正比，設計風速取值越高，鐵塔抗擊風的能力就越大，發(fā)生超越設計風速的概率就越低，線路安全運行的保證率就越高，但鐵塔重量也越大，導致工程造價增加，而設計風速取值太小會造成倒塔斷線事故[1-3]。要做出較客觀的大風估計值，達到既安全又經濟，這是電力部門尤其是氣象部門必須認真研究的問題。本文就750 kV輸電線路設計中風速取值問題進行探討。

1 資料來源和氣象觀測情況

750 kV金昌—安西送電線路工程玉門鎮(zhèn)段線路基本行進在戈壁灘上，地形平坦、空曠，海拔在1 524～1 548m之間，地面粗糙度屬B類。玉門段的基本風要素特征和設計風速的資料主要來源于玉門鎮(zhèn)氣象站。玉門鎮(zhèn)氣象站位于玉門市玉門鎮(zhèn)南門外，屬國家基本氣象站，從1955至2007年已積累53年風速資料，其中1955—1985年為定時觀測，1986—2007年為自記觀測。資料超過25年，可用于風速統(tǒng)計計算。玉門昌馬風電場測風塔地處玉門鎮(zhèn)西南6.5 km處，750 kV線路從其西北2 km處通過。于2007年4月9日—12月31日共265天在測風塔上進行了3層的梯度風觀測，但資料太短，故只采用玉門鎮(zhèn)氣象站的基本風資料，風電場資料可用來建立線路與氣象站最大風速關系。

2 玉門鎮(zhèn)區(qū)風的基本特征

2.1 平均風速

從表1可見，玉門鎮(zhèn)月平均風速為3.0～4.5m/s，差異不顯著。最大平均風速（4月份）與最小平均風速（9月份）相差只有1.5m/s。從季節(jié)分布看，玉門鎮(zhèn)春季平均風速最大，秋季最小。春季風速大的原因是冷、暖空氣交匯頻繁，天氣多變常帶來大風天氣，而秋季天氣相對穩(wěn)定，大風出現(xiàn)較少，所以平均風速也小。

表1 玉門氣象站1955—2007年的逐月平均風速和大風日數(shù)Tab.1 Meanmonthly w ind speed and strong w ind day from1955—2007 atYumenWeather Station

2.2 最大風速

由表2可見，玉門鎮(zhèn)1955—2007年的年最大風速為29m/s，對應的風向為WSW，出現(xiàn)在1955年8月14日。各月的最大風速以8月份最大，為29m/s，1月份次之，為25.6m/s，其他各月最大風速均大于20m/s。分析還發(fā)現(xiàn)，全年中有8個月的最大風速出現(xiàn)在20世紀70年代，有2個月的最大風速出現(xiàn)在20世紀50年代。

表2 玉門鎮(zhèn)氣象站1961—1999年累年各月最大風速Tab.2 Monthlymaximum w ind speed from 1961—1999 at YumenWeather Station

圖1顯示了玉門鎮(zhèn)歷年最大風速的變化趨勢。從回歸曲線可以看出，最大風速的總體變化趨勢是逐漸減小的，其中在1965—1989年間相對穩(wěn)定，風速基本在20m/s以上，超過了此后17年的最大風速，在1997年達到最小值12.3m/s，近幾年則呈現(xiàn)出上升趨勢。

圖1 玉門鎮(zhèn)1955—2007年最大風速Fig.1 Maximum w ind speed from 1955—2007 atYumen

2.3 大風日數(shù)

大風日指風力在8級以上或瞬間風速大于或等于17.0m/s的日數(shù)。如表1所示，玉門鎮(zhèn)1955—2007年的平均大風日數(shù)為40.7天。從季節(jié)分布看，春季最多，夏季次之，秋季和冬季相當。從月分布看，3月和4月的大風日數(shù)最多，53年分別平均為6.7天和5.3天，其余各月大風日數(shù)多在2.0～3.0天。

2.4 最多風向及頻率

由表3可見，玉門鎮(zhèn)各月最多風向集中在E風和W風，年最多風向為E風，12個月中有9個月的最多風向為E風，其余的1，11，12月最多風向為W。

表3 玉門氣象站1955—2007年各月出現(xiàn)最多風向及頻率Tab.3 Monthly dominantw ind direction and frequency from1955—2007 atYumenWeather Station

2.5 各風向頻率及最大風速

如表4所示，玉門鎮(zhèn)E風的頻率最大，為20％，其次是W風，為16.7％；最大風速為29m/s，對應的風向為WSW，其次為25m/s，對應風向為WNW。

全年各風向下的頻率及最大風速玫瑰圖如圖2所示。

3 線路設計風速的推算

玉門鎮(zhèn)氣象站自1955年至2007年，已經有了53年的觀測風速資料，這些資料是計算設計風速的基礎資料，它的準確與否，直接關系到設計風速取值是否

表4 玉門鎮(zhèn)氣象站1955—2007年各風頻率和的最大風速Tab.4 Differentw ind frequency andmaximum speed from1955—2007 atYumenWeather Station

圖2 全年各風向下的頻率及最大風速玫瑰圖Fig.2 Frequency andmaximum w ind speed rosemap under differentw ind directionsyearly

合理。因此，在進行設計風速計算之前，應特別重視對年最大風速序列的均一性進行審查，若發(fā)現(xiàn)非均一性問題，則要查明原因，消除其影響。

3.1 年最大風速的時次和高度換算

由于玉門氣象站在1955—1985年間最大風速取自2min觀測，必須進行“時距換算”[4]；定時2m in最大風速與10m in最大風速的關系為

式中 Y——自記10m in平均最大風速；

X——2m in平均最大風速。

為了消除風儀離地面高度不同對風速大小的影響，使之能滿足《電力工程氣象勘測技術規(guī)程》中對風儀離地面高度要求10m的規(guī)定，利用指數(shù)公式，將氣象站風儀離地面10.6m高度上的年最大風速，統(tǒng)一換算到離地10m高處的年最大風速。

3.2 年最大風速序列均一性的審查和修正

圖3為時次修正10m in平均年最大風速與觀測的10min平均最大風速點繪的年最大風速隨時間變化的曲線?？梢钥闯觯瑲庀笳镜哪曜畲箫L速的序列存在明顯的不連續(xù)現(xiàn)象，1955—1989年期間的年最大風速（21.3m/s），明顯地大于1990—2007年期間的年最大風速（16.0m/s），1990—2007年期間的年最大風速的平均減小幅度高達24.8％。玉門鎮(zhèn)氣象站在1956年遷往玉門鎮(zhèn)南門“郊區(qū)”后，50年以來沒有遷過站，可以判斷測站位置遷移對最大風速減小沒有影響。原因有2個：一是隨著全球氣候變暖，尤其是從1989年以來，冷空氣的頻率和強度減弱，使得本地區(qū)風速減?。欢怯耖T鎮(zhèn)氣象站周圍的環(huán)境發(fā)生了重大的變化。1990年以前，氣象站四周空曠開闊，觀測到的風速是大氣運行中的實際風速；20世紀80年代末和90年代中后期，測站周圍建起了高樓，使得氣象站的風速顯著減小，所以該氣象站1990年后的觀測值已不能代表自然狀態(tài)下的實際風速。因此，在計算年最大風速的概率時，要對1990—2007年的資料進行合理的修正。

圖3 玉門鎮(zhèn)氣象站10m高處的逐年最大風速變化圖Fig.3 Annualmaximum w ind speed variation at10m of Yumen Weather Station

玉門昌馬測風塔周邊環(huán)境幾乎沒有受到人為的影響，圖4為玉門昌馬測風塔和玉門鎮(zhèn)氣象站2007年4月9日—12月31日共265天對應時間的10m高10min最大風速圖。由圖4可知，每天最大風速都是昌馬測風塔的大于玉門鎮(zhèn)氣象站的；從回歸曲線變化趨勢來看，兩者均為風速從先期的大到小到再增大的趨勢，且昌馬風電場風速比玉門氣象站風速平均大2.0m/s左右。圖5為玉門鎮(zhèn)氣象站天最大風速與昌馬測風塔對應天最大風速的線型擬合圖，其回歸表達式為

式中 y——昌馬風電場最大風速；

x——玉門鎮(zhèn)氣象站最大風速。

這表明，在相同的天氣系統(tǒng)影響下，這2個測站最大風速的相關性是好的。利用以上關系對玉門鎮(zhèn)氣象站1990—2007年間的年最大風速進行修正，之后與玉門鎮(zhèn)1955—1985年間的年最大風速一起構成了1955—2007年的完整的相當于空曠地上的10m高度10m in平均年最大風速的序列，可用于基本風速的概率推算。

3.3 年最大風速的概率計算

《110～750 kV架空輸電線路設計規(guī)范》中規(guī)定750 kV送電線路設計時的重現(xiàn)期為50年，由10min

圖4 玉門昌馬測風塔和玉門鎮(zhèn)氣象站天最大風速變化Fig.4 Dailymaximum w ind speed variation at Changma Wind Measuring Tower and Yumen Weather Station

圖5 玉門昌馬測風塔和玉門鎮(zhèn)氣象站最大風速線型擬合Fig.5 Maximum w ind speed linear fitting between Changma Wind Measuring Towerand YumenWeather Station

平均年最大風速推算50年重現(xiàn)期的數(shù)學期望值作為基本風速。最新國標《建筑結構荷載規(guī)范》對資料年限有明確的要求：“選取的年最大風速數(shù)據，一般應有25年以上的資料，采用極值Ⅰ型分布函數(shù)來進行最大風速的計算”[5]。本文使用53年的10m in平均年最大風速資料，符合規(guī)范的要求。在此，采用極值Ⅰ型分布擬合極值頻率分布。

式中：xp為重現(xiàn)期為T對應的最大風速；x為樣本中歷年最大風速的平均值，m/s；Cv為離差系數(shù)，

由上式計算得玉門鎮(zhèn)氣象站100，50，30年一遇的10m in年最大風速值分別為33.1，31.5，30.3m/s。

3.4 線路設計風速

玉門鎮(zhèn)氣象站位于玉門市玉門鎮(zhèn)南門外“郊外”，地勢較高，周圍空曠，1990年以前氣象站幾乎不受人類活動的影響，其所測風速對玉門鎮(zhèn)區(qū)具有較好的代表性，1990年后氣象站受人類活動的影響，風速代表性較差，采用昌馬測風塔資料對其進行修正后，可得到玉門鎮(zhèn)1955—2007年共53年完整的相當于空曠地上的10 m高度10 m in平均年最大風速的序列。750 kV金昌—安西送電線路工程玉門段線路地處山前洪積扇上，地勢較低，無需進行山區(qū)風速調整[6]，故線路設計風速可按玉門鎮(zhèn)氣象站50年一遇風速設計，為31.5m/s。

4 結論

（1）玉門鎮(zhèn)全年盛行東風，累年最大風速為29m/s，對應風向為WSW，累年平均大風日數(shù)為40.7天，產生破壞性的大風基本上是寒潮大風和氣旋大風。

（2）氣象站年最大風速是計算風荷載的重要基礎資料，應用時應充分考慮和分析資料的均一性和氣象站代表性。經對玉門鎮(zhèn)氣象站資料的分析和修正，計算出750 kV金昌—安西送電線路工程玉門段設計風速為31.5m/s。

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