架空输电线路设计风速取值分析

赵建华，连 捷

(广东省电力设计研究院，广东 广州 510663)

大风是危害架空输电线路铁塔塔身及电线等柔性结构的重要大气现象。我国地域辽阔，气候多样，受地理位置及气候影响，各地的大风成因及强度也各不相同，正确估算大风，既可提高线路的抗灾能力，又可避免不必要的投资浪费。本文从决定设计风速密切相关的风压系数、地貌类型、山区风速调整以及设计标准几个方面入手，对架空输电线路的设计风速取值进行了探讨。

1 风压系数

计算架空输电线路的设计风速通常采用两种方法，并根据其结果经综合分析确定其取值。方法一是频率计算法，即选用具代表性气象台站的年最大风速系列，经“三性”审查，次、时及高度订正，采用皮尔逊Ⅲ型或极值Ⅰ型频率曲线进行频率计算。方法二是基本风压反算法，即根据《建筑结构荷载规范(2006版)》(GB50009-2001)确定的基本风压，由伯努利方程计算设计风速，公式如下：

式中：v为风速(m/s)；W0为基本风压(kN/m2)；(r/2g)为风压系数，是当地空气重力密度r(容重)和重力加速度g的函数。

一般情况下，风压系数通常选用定值1/1600。该值是在标准大气压下，气压为1013hPa，温度为15℃时的干空气重度r=0.01225kPa，纬度45°处的重力加速度g=9.8m/s2时求得的。因各地纬度不同，海拔各异，空气重度与重力加速度也随之变化，故风压系数必为一变数。据相关分析研究，我国大部分地区风压系数值均小于1/1600，如广东地区为1/1760～1/1740；广西地区约1/1750，云南地区则为1/2070～1/2040。

风压系数在不同地区统一采用1/1600，不能反映各地区的差异性，更重要的将使设计风速计算值偏小，不利于线路的安全、稳定运行。故在工程实际中应具体分析计算当地风压系数，不可盲目采用标准值。

2 地貌类型

在摩擦层内，风速主要取决于气压场及地面粗糙度，当气压场不变时，地面粗糙度直接决定着风速的大小。我国现行规范将地面粗糙度指数α分成4类，即A类α=0.12，对应近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类α=0.16，对应田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；C类α=0.22，对应有密集建筑群的城市市区；D类α=0.30，对应有密集建筑群且房屋比较高的城市市区。

建筑荷载规范中基本风压定义的标准地貌条件为B类。一般而言，线路工程跨度大，沿线地貌条件千变万化，在确定设计风速时，需具体分析线路沿线具体状况，按实际情况确定地面粗糙度类别，再将标准地貌的风速、风压换算至线路沿线实际情况。根据相关统计分析，以B类风速、风压为基准，由B类地貌转换为A类地貌的风速、风压，换算系数分别1.174、1.379；换算至C类，分别为0.785、0.616，至D类为0.564、0.318。以某滨海线路工程为例，线路沿线基本风压为0.75kN/m2，风压系数取1/1740，标准地貌条件下，该线路的离地10m高50年一遇10分钟平均最大风速为36.1m/s。但由于该工程基本平行于海岸线走线，且距离海岸线在10km范围内，该线路的地貌类型应按A考虑，由此推求的设计风速值为42.4m/s。若不考虑不同地面粗糙度对近地层风速的影响，势必会造成设计风速与实际不符，影响线路的安全运行。

3 山区调整

气流行进过程中遇局地复杂地形影响，流速在一些地方减小，而另一些地方增加。如山间盆地、谷地等闭塞地形，或因气流运动受四周地形屏障阻塞，或因进入山谷前能量消耗较大，风速较平地大为减小。而对于与大风方向一致的峡谷口、山口等束窄地区，因狭管效应风速则大为增加。对于风速风向受局部地形影响较大区域，线路设计风速的确定尚是一个难题，目前行之有效的方法是在沿线进行实地观测，与同期长期站的观测资料对比分析，建立相关关系，生成线路沿线的长期风速系列。华北电力设计研究院与中国气象科学研究院曾采用Taylor-Lee模型，对华北部分地区山峰实测风速与气象台站观测风速的关系进行了分析研究；西北电力设计院也曾依托工程，采用对数关系分析了风速随海拔高度及地形的变化规律，取得了一定研究成果。但由于该问题的复杂性，以上研究成果均无普遍适应性。

根据线路设计规范，在无可靠资料的山区地区，线路设计风速可参照临近平原地区设计风速加大10%取用。而对于山谷狭窄、收缩作用使风速加速明显地区，风速调整系数则为平原地区的1.1～1.23倍。工程中应通过实地调查及现场对比观测，分析确实合理的调整系数，在不具备开展对比观测条件及无法进行大风调查的地区，则应从安全出发取较大值。

4 设计标准及取值

以500kV架空线路为例，我国电力行业现行规定的设计风速标准为“离地20m高、30年一遇10min平均最大风速，且不小于30m/s”。根据《110～750kV架空输电线路设计规范(报批稿)》及南方电网公司企业标准《110～500kV架空送电线路设计技术规定(暂行)》(Q/CSG 11502-2008)，设计风速的重现期由30年一遇提高到50年一遇。由于我国气象台站记录风速仪高度大都安装在8～12m，为便于计算、减少换算误差，也便于与其他行业比较，新规范也将设计高度由离地20m高调整到离地10m高，按照基本与原设计保持一致的原则，将离地20m高设计风速的最小值30m/s归算到离地10m基准高，最小值定为27m/s。

与原规范相比，新规范的设计风速标准有所提高，即由30年一遇提高到50年一遇。根据我国各地观测资料统计，50年一遇重现期设计风速与30年一遇设计风速比值约为0.964。在设计风速标准提高的同时，由于新、旧规范的最小值基本保持一致，执行新规范后，线路工程的设计风速取值并未全面提高，应分以下三种情况加以区分：

⑴ 当离20m高30年一遇风速小于28.9m/s，对应的离地20m高50年一遇风速小于30m/s，按规范中最小取值条款规定，线路设计风速应采用最小值。即设计标准提高，设计风速取值并没有提高。

⑵ 当离20m高30年一遇风速大于30m/s时，由于设计标准的提高，设计风速取值也相应提高，提高幅度为v2%/v3.3%，其平均值约为1.04。

⑶ 当离20m高30年一遇风速介于28.9m/s与30m/s之间时，30年一遇风速小于规范最小取值，但50年一遇风速已大于该值，故设计风速取值有所提高，提高幅度为1.0～1.04。

由以上分析，随着新规范设计风速标准的提高，线路工程设计风速取值并未一致提高，这与我国各地大风灾害轻重不一是相符的，即提高线路设计风速标准并不一概提高设计风速取值是合理的。

5 结语

设计风速与线路工程的安全性和经济性密切相关，设计风速取值时应综合分析，多方论证，在满足现行规范对工程安全性能要求的前提下，提出合理设计的风速，力争节约工程成本、降低工程造价，提高工程的经济性。

新规范已对工程的安全性做出了更高要求，但对照美、日、英等国，设计风速均采用50年一遇瞬时极大风速，粗略地估算其风压取值比我国新标准高出30%左右。随着我国国民经济的快速发展，用户对电源的可靠性也提出了更高的要求，也为线路设计风速的合理取值提出了更高要求。

[1]朱瑞兆，等.应用气候学概论[M].北京：气象出版社，2005.

[2]张相庭.结构风工程—理论·规范·实践[M]，北京：中国建筑工业出版社，2006.