鲁固特高压直流输电线路黄河大跨越气象条件的确定

2019-07-27姚元玺

山东电力技术 2019年7期

姚元玺，陈鹏，芦灯

（山东电力工程咨询院有限公司，山东济南 250013）

0 引言

大跨越是输电线路中极其重要的组成部分，其设计要求更为严格。输电线路气象条件的选择至关重要，气象条件选择的3个基本要素为基本风速、设计冰厚、气温，任何一种工况，都必须是这3种要素的组合。比如，某工程的覆冰工况为：导线设计冰厚取值为10 mm，相应覆冰厚度10 mm时的基本风速取值为15 m／s，气温取值为-5℃。其中，基本风速和设计冰厚这2个要素，决定着整个工程的造价水平，是后续导、地线型号选择、绝缘配置、铁塔设计等设计的重要输入参数［1-4］。

结合鲁固特高压直流工程实际情况，重点介绍了黄河大跨越的气象条件选择，包含基本风速，设计冰厚，气温、雷暴日等参数的确定，可为后续工程的黄河大跨越设计工作提供参考。

1 气象条件的确定依据

1）设计气象条件应根据跨越点附近的气象资料数理统计结果并考虑附近已有工程的运行经验确定，重现期按100年考虑。

2）基本风速、基本高度、重现期的取值标准。依据《特高压架空输电线路大跨越设计技术规定》（以下简称 “大跨越规程”），基本风速按100年一遇考虑，取历年大风季节平均最低水位以上10 m高处的10 min平均大风值；按附近气象台站资料统计值增加10%，然后考虑水面影响再增加10%。按照《建筑结构荷载规范》风压分布图计算风速后［5］，考虑水面影响增加10%；不低于本工程临近段一般线路设计风速［2］。

3）设计冰厚取值标准，除无冰区外，宜较附近一般输电线路的设计冰厚增加5 mm。

4）其他气象要素的取值按照《特高压架空输电线路大跨越设计技术规定》的有关要求。

2 设计基本风速的确定

2.1 风速数理统计分析原则

2.1.1 风仪高度订正处理

由于气象台站观测最大风速不同年代的原始风仪高度不同，必须进行高度订正，将其观测的历年最大风速订正为距地10 m高处的风速，风仪高度订正采用指数公式

式中：V10为距地10 m高处的风速，m／s；ZH为观测仪器距地面高度，即原始资料中的高度，m；VH为观测仪器风速值，即原始资料中数值，m／s；α为与地面粗糙度有关的系数，B类地区（空旷平坦地区），α=0.16。

2.1.2 观测风速的时、次订正

距离本工程黄河跨越点最近的气象站为利津气象站，距离为10 km，气象站与黄河跨越点之间无高耸遮挡建筑物，其次为滨州气象站和博兴气象站。由于利津气象站观测资料采用定时观测，而非自记方式，为此，必须先查清其逐年取值次数，然后按表1所列公式换算成10 min平均最大风速［6］。

表1 时次换算公式

表1中公式中x为定时2min平均风速，y为自记10 min平均风速，换算公示是根据定时与自记风速度同步观测资料，通过相关分析而建立的回归方程。

2.1.3 概率曲线及频率计算

对收集到的历年最大风速经过高度、时次统一换算后，需要用有关概率统计的方法求出最大风分布的频率。风速概率数理统计的方法多种多样，如正态分布的经验频率法、皮尔逊Ⅲ型分布、极值I型分布和极值Ⅱ型分布的耿贝尔（Gumbel）法。本工程采用大跨越设计规程中推荐的极值I型概率分布（Gumbel）对样本进行概率推算［3］。

2.2 风速统计分析结果

根据线路所经过地区的地理位置和行政区划，选择了距离本工程跨越点较近的利津、滨州和博兴3个气象台站，收集了其历年气象资料。按照现行大跨越设计规程，大跨越设计风速在数理统计结果的基础上增加2个10%。利津、滨州气象台站100年一遇离地10 m高10 min平均最大风速计算结果见表2。

表2 气象台风速计算

2.3 建筑结构荷载折算及气象台站分析

根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》之附图E.6.3“全国基本风压分布图”，查得利津附近100年一遇，10 m高的风压为0.55 kN／m2，经过换算，可得重视期为100年一遇时，基本风速为30.46 m／s，增加10%折算风速为33.51 m／s。

利津气象台位于利津县城西南角，距离本工程黄河跨越点最近。利津县城超过4层楼高的建筑物较少，周围较为空旷，而且气象站和黄河跨越点之间为农村，没有高耸建筑物遮挡，其历年风速的数理统计结果对本工程黄河跨越点风速的选取最具代表意义［7］。

根据计算，折算到离地10 m高，10 min时距的100年一遇年最大风速平均值，利津为29.21 m／s，明显高于滨州的26.29 m／s和博兴的25.98 m／s，这与利津气象台位于县郊，周围十分空旷是分不开的；同时，对收集到的利津气象台的原始风速资料进行分析，发现20世纪70年代测得的风速值明显偏高，尤其是 1972 年的 25 m／s，1975 年的 23 m／s和 1971年、1979年的22m／s明显高于其他年份所测数值，而且由1980年至今，风速值都较低。去掉上述几个年代久远的异常风速值后，重新计算的100年一遇风速统计值为26.71m／s，增加2个10%后为32.3 m／s。

通过以上对利津、滨州、博兴3个气象台站的风速统计资料的分析，可以得出以下结论：

1）利津气象台站就在本工程黄河跨越点附近，且周围较空旷，最具有代表性，在统计结果的基础上仅考虑水面影响增加10%为32.13m／s；

2）通过对利津原始风速资料的进一步分析，并剔除个别年份的异常数据，如果按照规程要求增加2个10%，3个气象台站的风速统计结果分别为32.3 m ／s，20.74 m ／s，31.44 m ／s。

本工程一般段线路设计基本风速黄河以北为30 m／s，黄河以南为27 m／s，与江苏接头附近线路为29 m／s。

以往山东省内黄河大跨越的几条送电线路，大跨越的设计最大风速为：±660 kV银东线为31 m／s（位于济阳，本跨越段上游）；500 kV聊城—长清线路为 32 m／s（离地15 m，位于济南南部，本跨越段上游）；500 kV淄博变—滨州变线路为31 m／s（位于下游）；500 kV滨州—东营—寿光线路为33 m／s（即前面刘城庄方案平行的500 kV滨油线）；500 kV德州电厂—济南线路为33 m／s（位于上游）；220 kV辛店—北镇线，位于本跨河点黄河上游的220 kV辛店—北镇线，最大设计风速为32 m／s；220 kV沾化—胜利线，位于本跨河点下游，最大设计风速为32 m／s，验算风速为38 m／s；110 kV张马线，1964年华东电力设计院设计，最大设计风速为31 m／s。以上线路运行多年，均未发生过因大风造成的线路事故。

综上所述，结合线路附近气象台站气象资料的数理统计结果，并参考上述多条±660 kV，500 kV，220 kV线路黄河跨越设计的气象条件及运行经验，本工程黄河大跨越段设计最大基准风速取33 m／s。

3 设计冰厚的确定

适当的温度、湿度和风速是形成电线覆冰的大气条件，并与当地的地形状况有密切关系，发生的机理较为复杂。

由于目前沿线的气象站对覆冰没有系统的观测记录，其资料不具有全面性，所以不能简单地确定电线覆冰厚度。送电线路设计中电线覆冰厚度的取值，要根据收集到的线路通过地区附近已有的电力线、通信线及自然物上的覆冰情况并结合地区特点来确定［4］。

根据资料，本工程黄河跨越点周围陆上已有线路的设计覆冰厚度均为10 mm，如：500 kV滨州—东营—寿光线路、500 kV淄博—滨州线路、220 kV沾化—胜利线路、220 kV辛店—北镇线路、±660 kV银东线一般段。本工程在黄河跨越点附近一般地段的设计覆冰厚度亦取10 mm。

位于本工程上游的±660 kV银东线黄河跨越点附近的大跨越段设计覆冰厚度取15 mm，运行以来未发生过因覆冰造成的线路事故；距离本工程较近且已投入运行的500 kV淄博—滨州线路和500 kV滨州—东营—寿光线路，跨越黄河段均按照大跨越设计，其设计覆冰厚度15 mm（验算覆冰25 mm），已运行多年，均未发生过因覆冰造成的线路事故，本工程不宜在其设计基础上再提高覆冰等级。

根据上述情况，参照附近多条±660 kV，500 kV，220 kV线路黄河跨越最大设计冰厚的取值和运行经验，并根据大跨越设计规程的相关规定，本工程黄河大跨越段设计覆冰厚度较一般地段线路增加5 mm，设计冰厚取15 mm，并按稀有覆冰25 mm进行验算；地线的设计覆冰厚度，较导线增加5 mm，取20 mm。