閔絢，邵瑰瑋，文志科，蔡煥青，胡霽，曾云飛

(中國電力科學研究院，武漢市 430074)

0 引言

輸電線路的風偏閃絡事故一直是電網(wǎng)正常運行的重大安全隱患之一。輸電線路一旦發(fā)生風偏跳閘，造成線路非計劃停運的幾率較高，嚴重影響供電可靠性，造成巨大的經(jīng)濟損失。

據(jù)統(tǒng)計，國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)2007—2011年間，各年66 kV及以上輸電線路因風偏分別發(fā)生跳閘157、93、79、174、85 次，跳閘率分別為 0.0346、0.0185、0.0143、0.029、0.014 次/(100 km·a);引起線路故障停運分別為83、56、32、69、32 次，重合成功率分別為 47.1%、39.8%、59.5%、60.3%、62.4%，涉及江蘇、浙江、安徽、湖北、河南、山東、山西、北京、福建等省市。

調研表明，美國和日本等發(fā)達國家輸電線路較少發(fā)生風偏放電［1-6］。對比國內外相關絕緣子串風偏設計資料可以發(fā)現(xiàn)，國內外在風偏角計算模型及方法上基本是一致的，即都是按照剛體靜力學模型來計算;但是在懸垂絕緣子串風偏設計中有關基本風速、風壓不均勻系數(shù)、風壓高度變化系數(shù)等參數(shù)的選取上存在著不同。

1 基本風速

風是由大氣中氣團的運動而形成的，其運動過程受路徑上各種障礙物，如高山、河流、湖泊、海洋、樹木、房屋、建筑物等的影響，因此，在接近地表處，風速和風向顯得較為紊亂，通常將接近地表的流動風稱為近地面層風(簡稱為近地風)。在增加到一定高度以后，不同地貌特征下的風速趨近于相等，該高度稱為梯度風高度。隨著地表特征的不同，梯度風高度一般為300～500 m。

在近地風范圍內，隨著距地面高度的不同，風速是逐漸變化的。一般認為，在一定時間間隔內，給定位置上風速的平均值幾乎不變，但隨著距地面高度的增加而增大。在不同的地貌特征條件下，風速隨水平高度變化的規(guī)律不同;在相同地貌特征條件下，隨著周圍環(huán)境的變化，同一水平面高度但不同位置的風速和風向也不同。

因此，實際工程中為確定設計風速的大小，首先根據(jù)工程所在地的氣象觀測數(shù)據(jù)，按照一定方法換算至標準條件下的風速(基本風速)。不同的工程類型，對于標準條件的規(guī)定不盡一致。對于架空輸電線路，GB 50545—2010《110 kV ～750 kV架空輸電線路設計規(guī)范》規(guī)定:“確定基本風速時，應按當?shù)貧庀笈_、站10 min時距平均的年最大風速為樣本，并宜采用極值Ⅰ型分布作為概率模型，統(tǒng)計風速的高度應符合下列規(guī)定:110 kV～750 kV輸電線路統(tǒng)計風速應取離地面10 m;各級電壓大跨越統(tǒng)計風速應取離歷年大風季節(jié)平均最低水位10 m?！保?］

由以上分析可見，輸電線路設計基本風速的確定涉及到統(tǒng)計樣本選取、風速次時換算、設計重現(xiàn)期考慮、風速概率模型選擇等。

1.1 統(tǒng)計樣本選取

在同一地點，越靠近地面，近地風遇到障礙物越多，風能量損失越大，但離地越高，地面障礙物對風的影響越小，相應風速隨著高度的增加而增大。由于我國氣象臺風速儀安裝高度大多為8～12 m，我國GB 50545—2010規(guī)定統(tǒng)計風速的高度為:(1)110～750 kV輸電線路統(tǒng)計風速應取離地面10 m;(2)各級電壓大跨越統(tǒng)計風速應取離歷年大風季節(jié)平均最低水位10 m。世界上規(guī)定10 m為標準高度的占大多數(shù)，例如美國、俄羅斯、加拿大、澳大利亞、丹麥等國，日本采用離地15 m高為標準高度，瑞士為5～20 m，挪威、巴西為20 m等。雖然上述國家規(guī)定的標準高度不同，但是不同高度處的風壓是可以根據(jù)風壓高度變化系數(shù)進行換算的，在技術操作上沒有影響。

確定輸電線路設計風速需要依據(jù)長期觀測的風場數(shù)據(jù)，當發(fā)現(xiàn)氣象臺站的觀測數(shù)據(jù)不連續(xù)，表現(xiàn)為分段的系統(tǒng)性偏大或偏小時，要通過了解氣象臺站建站沿革，如氣象臺站周圍環(huán)境的開發(fā)、設備使用情況、遷站與否等來查找和分析風速資料不連續(xù)的原因和確定處理方法。此外，由于輸電線路多數(shù)遠離城鎮(zhèn)，甚至位于荒僻山嶺，使得氣象臺站的觀測數(shù)據(jù)不能完全覆蓋線路走廊，因此需要對工程地進行大風調查，補充和完善線路風速的設計資料。

1.2 風速次時換算

在風速次時換算上，國內多是將定時觀測風速(氣象臺、站一天定時觀測4次的2 min平均風速)經(jīng)過觀測時距和次數(shù)的二重訂正，換算為連續(xù)自記10 min平均風速。所謂的“時距”指求取平均風速時的時間間隔，其取值與換算后得到的平均風速大小有著密切關系。由于風速在時空分布上的不均勻性，一般而言，時距取值愈大，得到的平均風速愈小。根據(jù)美國氣象局資料，在一個地面崎嶇度均勻和梯度風不變的地區(qū)，最大1 min平均風速一般較最大5 min平均風速高約10%;日本觀測結果為:以3～5 s平均時間為基礎的瞬間最大風速為最大10 min平均風速的1.35～1.45倍(該比值被稱為陣風系數(shù));對于盆地和大城市，該比值可能會更大;而在海岸、草原和田野，有所減?。?］。

在風速觀測次數(shù)方面，年最大風速有連續(xù)自記和定時觀測之分。1953年前我國由于觀測儀器不統(tǒng)一，每日觀測有3、8、24次等;觀測時距也不統(tǒng)一，有1、2 min。至1969年，全國各氣象臺站普遍使用維爾達風壓板測風儀，觀測時距逐漸統(tǒng)一為每日4次，每次記錄2 min時距的平均風速。1969年后，自記風向風速儀(如達因式風向風速計)陸續(xù)裝備各氣象臺站，開始積累連續(xù)自記風速資料，包括大風(＞17 m/s)天氣天數(shù)。以一天定時觀測4次為例，其觀測時間均勻分布在1天24 h內(如02:00，08:00，14:00，20:00)，每天總共觀測 8 min，因此有可能遺漏很多大風觀測記錄，設計前須將氣象臺站風速資料進行觀測次數(shù)和風速時距換算，統(tǒng)一訂正至GB 50009—2001《建筑結構荷載規(guī)范》(簡稱《結構規(guī)范》)所要求的連續(xù)自記10 min平均風速［9-11］。

此時換算公式為

式中:V10min為10 min平均最大風速，m/s;VTmin為定時2 min平均或瞬時最大風速，m/s;a、b為系數(shù)，可通過搜集當?shù)胤治龀晒蚋鶕?jù)資料計算確定。

通過查閱資料得到國內各地區(qū)各時距平均風速之間的關系分別如圖1、2所示。

由圖1可見，對于多數(shù)地區(qū)，當觀測到的2 min平均風速較小時，換算得到的連續(xù)自記10 min平均風速值較定時觀測的高，這反映了每日4次定時的短時距觀測有可能遺漏大風的觀測記錄。隨著觀測到的2 min平均風速值提高，換算后的連續(xù)自記10 min平均風速值較定時觀測的低，反映了由于風速在時空分布上是不均勻的，隨著統(tǒng)計時距的增加，平均風速值逐漸降低。

由圖2可見，瞬時最大風速總是較連續(xù)自記10 min平均風速高，且隨著觀測到風速的增高，二者之間的差異增加。當連續(xù)自記10 min平均最大風速為30 m/s時，我國各地區(qū)瞬時風速均約為45 m/s，約為前者的1.5倍，與日本的觀測結果相吻合。

鑒于導線在大風下發(fā)生風偏的運動響應時間較短，在短時間的大風作用下線路即有可能發(fā)生風偏放電，而目前國內絕緣子串風偏計算方法并沒有考慮短時大風的影響因素，設計中均采用時距較長的10 min平均最大風速，有可能使得在某些微地形、微氣象區(qū)的線路防風偏安全裕度不高。

1.3 設計重現(xiàn)期與風速概率模型

一般我們所研究的對象不會出現(xiàn)異常風的氣候，稱為良態(tài)氣候，對于這種氣候，可認為年最大風速的每一個數(shù)據(jù)都對風極值的概率特性起作用。目前，世界上許多國家以年最大風速資料作為概率統(tǒng)計樣本，再根據(jù)重現(xiàn)期要求由風速概率分布模型計算最大設計風速(或基本風速)。

重現(xiàn)期定義:大于等于或小于等于某一水平的隨機事件在較長時期內重復出現(xiàn)的平均時間間隔，常以多少年一遇表達。重現(xiàn)期(T，年)與頻率(P)的關系為T=1/P，例如:當P=1%時，則T=100年，稱為百年一遇。所謂百年一遇是指大于或等于某一水平的事件在很長時期內平均百年出現(xiàn)1次，而不能理解為恰好每隔100年出現(xiàn)1次。對于具體的100年來說，超過該水平的事件可能發(fā)生不止1次，也可能1次都不出現(xiàn)，但在長時期內平均每年出現(xiàn)1次的可能性為1%。

國際輸電線路通用標準IEC 60826中規(guī)定了線路設計的安全等級，最低不得低于1級;230 kV及以上電壓等級的一般線路應為2級;高于230 kV電壓等級，且為電網(wǎng)主干或者供給特殊負荷的唯一電源線路，應為3級。各安全水平等級線路風荷載重現(xiàn)期分別對應 50、150、500 年［12］。

美國《輸電線路結構荷載導則》根據(jù)線路重要性程度，規(guī)定其可靠性水平分別取為100、200、400年一遇;對于臨時線路，規(guī)定其重現(xiàn)期可小于50年一遇，但一般取50年一遇［13］。

2002年，我國建設部發(fā)布了《結構規(guī)范》［10］，把風荷載的重現(xiàn)期由30年一遇提高到50年一遇，對于高層建筑、高聳結構以及對風荷載比較敏感的其他結構，基本風壓可適當提高。我國GB 50545—2010參考現(xiàn)行國家標準《結構規(guī)范》，將500～750 kV輸電線路(含大跨越)的重現(xiàn)期定為50年，110～330 kV輸電線路(含大跨越)的重現(xiàn)期定為30年。由于特高壓線路的重要性，GB 50665—2011《1000kV架空輸電線路設計規(guī)范》(簡稱《1000kV設計規(guī)范》)規(guī)定其基本風速數(shù)理統(tǒng)計重現(xiàn)期取100年［14］，如表 1所示。

表1 我國各電壓等級輸電線路設計重現(xiàn)期規(guī)定Tab.1 Design return period of transmission lines with different voltage levels in China

關于年最大風速概率分布模型方面，通常有極值Ⅰ型、極值Ⅱ型、韋布爾分布模型和經(jīng)驗頻率法等。目前多數(shù)國家(包括中國、加拿大、美國和歐洲鋼結構協(xié)會等)采用極值Ⅰ型概率分布函數(shù)。

表2為我國某沿海城市1989—1998年間各年最大風速統(tǒng)計資料(B類地區(qū)，已換算至距地面10 m高度處連續(xù)自記10 min平均風速)。

表2 某沿海城市的年最大平均風速表Tab.2 Annual maximum average wind speed in a coastal city

以極值I型概率分布為例，計算得到該地區(qū)不同重現(xiàn)期下年最大風速(即線路設計中基本風速)以及所對應的基本風壓如表3所示。

表3 不同重現(xiàn)期下的基本風速Tab.3 Basic wind speed in different return periods

由表3可見，重現(xiàn)期為50年一遇對應的基本風速值較30年一遇提高了約5.3%，風壓則增加了10.3%左右;重現(xiàn)期為100年一遇對應的基本風速值較50年一遇提高了約5.3%，風壓則增加了10.3%左右;當重現(xiàn)期增大到500年時，其對應的基本風速值較30年一遇提高了約29.0%，風壓則增加了66.7%左右。

2 風壓不均勻系數(shù)

關于導線風荷載(風壓)，考慮到風速在空間分布上的不均勻性和時間上的強度變化，線路設計規(guī)范中引入了風壓不均勻系數(shù)(α)，以對整檔導線在大風下的實際受力進行計算。風壓不均勻系數(shù)的定義為:“沿整個檔距導線所承受的風速，不可能在各點上同時都一樣大。因此，作用在導線上的合成風壓將不由最大風來確定，而由其平均值確定。為使選用的風速值與整個檔距中導線受風情況相吻合，應考慮一個降低系數(shù)，該系數(shù)即為風壓不均勻系數(shù)”。由此可見，風壓不均勻系數(shù)α與風速和檔距有關。目前，國內外對其取值規(guī)定不盡相同。

日本JEAC 6001—1999《架空送電規(guī)程》第4章第6節(jié)第6－2條規(guī)定:在計算導線風壓時應乘以構造規(guī)模降低系數(shù)(即風壓不均勻系數(shù))，其計算公式［15］為

式中s為檔距長，m。

同時該條文還規(guī)定，當導線風偏計算采用簡化算法時，對于200 m以上的檔距，β一律取為0.7。

德國按照歐洲標準《高于45 kV的架空交流電力線路第一部分:一般條件和規(guī)范》(EN 50341—1:2001)的《德國國家標準解譯》(NNA)中的條款，在新設計架空送電線路時，導線風壓和風偏計算按以下公式［15］:

式中:qc為單位風壓，N/m2;CXC為空氣阻尼系數(shù)(相當于我國規(guī)程中的導線體型系數(shù));GXC為導線響應系數(shù)(即風壓不均勻系數(shù))，當L＜200 m時，取0.75，當L＞200 m時，取0.45+60/L;d為導線直徑，m;L為水平檔距，m。

我國在風壓不均勻系數(shù)的選取上，考慮到由于風速空間分布的不均勻性，設計規(guī)范中引入了風壓不均勻系數(shù)對整檔導線的風荷載進行折算。在該參數(shù)的選取上，20世紀80年代初期，投運的500kV輸電線路風壓不均勻系數(shù)是按照0.75來計算導線風偏角的。20世紀80年代后期，根據(jù)德國的設計規(guī)范和我國東北某試驗場2年的試驗觀測數(shù)據(jù)，當風速≥20 m/s時，DL/T 5092—1999《110～500kV 架空送電線路設計技術規(guī)程》中將該系數(shù)從0.75修改為0.61［16］。20世紀90年代中期，我國投運的500kV輸電線路風壓不均勻系數(shù)多是按照0.61來設計風偏角的。

20世紀90年代中期以后，特別是2004年入夏后的短時間內，國家電網(wǎng)公司所轄的500kV架空送電線路發(fā)生風偏閃絡21次，呈高發(fā)態(tài)勢。盡管隨后展開的調查并沒有確切的證據(jù)表明風壓不均勻系數(shù)取值不當，但作為應急措施，國家電網(wǎng)公司建運部決定在架空送電線路設計中按照“風壓不均勻系數(shù)取值0.61進行設計，按0.75進行校核”。

現(xiàn)階段，我國頒布的 GB 50665—2011和 GB 50545—2010中在導線風偏角設計時仍然僅按設計風速來選取風壓不均勻系數(shù)。但規(guī)定在校核時，需要考慮檔距的影響。檔距小于200 m取0.8，檔距大于550 m時取0.61，檔距在200～550 m之間風壓不均勻系數(shù)采用式(4)計算。

式中LH為水平檔距，m。

不同國家風壓不均勻系數(shù)取值對照如表4所示，由表4可得:與其他國家的α取值方法相比，我國設計規(guī)范規(guī)定的α取定值0.61，覆蓋的風速范圍寬，適用于所有的檔距。在小檔距范圍內α仍取0.61，明顯低于其他國家規(guī)程的取值，例如:在檔距為300 m時，日、德規(guī)程的α取值分別為0.63和0.65，均大于我國的0.61取值。

表4 不同國家風壓不均勻系數(shù)α取值對照Tab.4 Values of α in different countries

此外，通過研究發(fā)現(xiàn):風壓不均勻系數(shù)折算方法對導線懸掛點處風荷載的大小也有影響，具體建模方法見文獻［17］。根據(jù)風壓不均勻系數(shù)的定義可知，實際作用于導線上的風壓并不是沿導線均勻分布的，而是可能集中作用于整檔導線的某一段上，其示意圖如圖3、4所示，圖中w0為風壓，L和L'為檔距。

比較圖3、4可見，2種計算條件下整檔導線所受總風荷載相同，但風荷載的作用位置發(fā)生了變化，這對等效作用在絕緣子串最下端的水平荷載大小有明顯影響。以500kV線路為例，計算條件為:懸垂絕緣子串為28片XP-16，導線型號為4×JL/G1A－400/35，水平檔距為500 m，高差為0 m，導線高度處的風速為30 m/s，風向與導線軸向夾角為90°，風向與水平面夾角為0°。通過有限元軟件仿真得出:當風集中作用在絕緣子串最下端附近時，風荷載的差異率隨風壓不均勻系數(shù)取值變大逐漸變小，如:風壓不均勻系數(shù)為0.6時，仿真計算得出的導線懸掛點處風荷載比設計規(guī)范給出的大38.69%。說明由設計規(guī)范計算得出的水平風荷載與風集中作用在絕緣子串最下端附近時得出的值區(qū)別明顯，所以，在線路的實際運行中，即使導線高度處的實際風速沒有超過其設計風速，線路仍有可能會發(fā)生風偏跳閘。

3 風壓高度變化系數(shù)

在大氣邊界層中，越接近于地面，風速越小，只有在300～500 m以上的高度，風速才不受地面粗糙度的影響而可以自由流動，達到所謂的梯度風速。在大氣邊界層中，風速沿高度的變化規(guī)律稱為風剖面，我國規(guī)范采用指數(shù)型的風剖面:

式中:a為地面粗糙度指數(shù);z0為基準高度，我國規(guī)范取作10 m;z為任一高度或離地高度，m。為高度z處對應的平均風速，m/s;為標準參考高度zb對應的平均風速，m/s。

不同的地面粗糙度類別，其地面粗糙度指數(shù)是不一樣的，達到“梯度風速”的高度也不相同，這反映了在不同的地面粗糙度類別下，其風剖面也不一樣。一般地，地面越是光滑，其所需梯度風速高度較低，指數(shù)a較小;反之，地面越是粗糙，梯度風高度越高，指數(shù)a越大。

不同國家的規(guī)范針對本國的實際地面粗糙度類別規(guī)定了相應的a，表5列出了在不同地形條件下中、美、日3個國家的a取值［18-19］。我國規(guī)范規(guī)定標準地面粗糙度類別為比較空曠平坦地面，指田野、鄉(xiāng)村叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)，即B類地面粗糙度類別。

表5 不同地形條件下中、美、日國家的a取值Tab.5 Selecting of a in China，America and Japan under different terrains

以1000kV特高壓線路為例，基本風速為30 m/s，水平檔距和垂直檔距為600 m，風向與導線軸向夾角為90°，風向與水平面夾角為0°，風壓不均勻系數(shù)為0.61，絕緣子串為54片XWP-300，導線型號為8×JL/G1A-500/35。改變地形條件，計算得到的絕緣子串搖擺角如圖5所示。

圖5 不同地形條件下的風偏角Fig.5 Windage angles on different terrains

由圖5可得，與B類地區(qū)的風偏角相比，A類、C類和D類與其風偏角的差異率分別為6.63%、－10.48%和－25.67%，不同的地形條件對風偏角的影響較大。

此外，不同的地面粗糙度有不同的風剖面，當風進入新的風剖面中時，在達到平衡狀態(tài)前，必須經(jīng)過某一地面距離，稱為過渡區(qū)，隨著風行程的增加，新的風剖面將逐步形成。風速隨地面粗糙度類型的改變如圖6所示，當上游風從一個地面粗糙度進入另一個地面粗糙度類別時，沿風的行程x將有一個內邊界發(fā)展高度，并隨距離x的增加，逐步將流動調整為不連續(xù)下游區(qū)新的地面粗糙度指數(shù)a。內邊界層發(fā)展高度hi隨距離xi的關系為

式中:hi為內邊界層發(fā)展高度，m;xi為下風距離，m;z0為地面粗糙度長度。

圖6 內邊界層發(fā)展高度Fig.6 Developing height of internal boundary layer

調研資料表明［20-21］，在新地面粗糙度改變點開始的下游xi或500 m距離內，風速剖面線仍與不連續(xù)上游的風速剖面線相同;但對于完成形成下游區(qū)地面的最小距離，英國規(guī)范［22］認為需要1 km或更長的行程，或根據(jù)地面上房屋和其他障礙物的密集程度采用所需的最小行程;而澳大利亞規(guī)范則規(guī)定了平均風所需的行程為x－xi≥1.5 km或50 H(H為結構高度)的大者，可以完全形成新的地面粗糙度。而在這個范圍之內，則屬于過渡區(qū)。在過渡區(qū)的上層，將受到上游地面粗糙度的影響，而在過渡區(qū)的下層，將受到下游地面粗糙度的影響，在上、下層之間，還有一段上、下游聯(lián)合影響的區(qū)域，如圖7所示。

圖7 上、下游聯(lián)合影響區(qū)域Fig.7 Influence regions between upstream and downstream

當?shù)孛娲植诙雀淖儠r，依據(jù)結構所處的不同位置，其風速將有所不同。依據(jù)澳大利亞規(guī)范［23］，則:

(1)當結構所處位置x＜xi時，仍取上游地面類型下的風速和風壓;

(2)當結構所處位置x－xi≥1.5 km或 x－xi≥50 H(取大者)時，取下游新的地面類型下的風速和風壓;

(3)當結構所處位置0＜x－xi＜1.5 km(50 H)時，新的下游地面的風速應進行修正。

但是我國的線路設計規(guī)范并沒有對上述過渡區(qū)地面粗糙度類別的選取進行明確的定義，往往將這類地形歸屬到微地形區(qū)、微氣象區(qū)，給線路的防風偏設計帶來了一定的困難。

綜上所述，在導線對地高度不變時，不同的地面粗糙度類別對風壓高度變化系數(shù)的取值影響較大，且我國線路設計規(guī)范只規(guī)定了平坦或稍有起伏地形的風壓高度變化系數(shù)取值，對于微地形區(qū)(如:過渡區(qū)、丘陵、山脊等)如何來劃分風壓高度變化系數(shù)取值并沒有進行明確的定義。此外，風壓高度變化系數(shù)僅是針對較長時間的平均風風壓換算，對于瞬時風的風壓換算，其是否適用還有待進一步的研究和分析。

4 結論

(1)在基本風速方面，國外無論是在風速次時換算時間段還是重現(xiàn)期的選取上均與我國存在較大差異。

(2)在風壓不均勻系數(shù)的選取上，日本和德國是按照不同檔距來選取該系數(shù)，而我國規(guī)范中在導線風偏角設計時仍然僅按設計風速來選取風壓不均勻系數(shù)。規(guī)定在校核時，需要考慮檔距的影響，但是當檔距超過600 m時，風壓不均勻系數(shù)仍取定值0.61;且風壓不均勻系數(shù)折算方法對導線風荷載的影響顯著，當風集中作用在絕緣子串最下端附近，風壓不均勻系數(shù)為0.6時，仿真計算得到的風荷載比設計規(guī)范給出的大38.69%。

(3)在導線對地高度不變時，不同的地面粗糙度類別對風壓高度變化系數(shù)的取值影響較大，我國的線路設計規(guī)范沒有對過渡區(qū)地面粗糙度類別的選取進行明確的定義，往往將這類地形歸屬到微地形區(qū)、微氣象區(qū)，給線路的防風偏設計帶來了一定的困難。

(4)目前風偏設計參數(shù)的取值并不能完全滿足我國輸電線路防風偏的精細化設計需求，因此還需對不同地形特征下不同高度處的風參數(shù)進行現(xiàn)場觀測，通過積累長期的觀測數(shù)據(jù)，對上述這些設計參數(shù)取值進行優(yōu)化和完善。

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