作者：郑晓敏
目前，架空输电线路抗风设计主要参考《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范：GB 50545-2010》中各个典型气象区所规定的风速．其风速分级较为笼统，对于跨区架空输电线路存在实际风速与设计风速相差较大的情况。没有相关标准对具体线路走廊内杆塔的抗风灾能力提出明确的设计要求，防风灾研究主要集中在风灾形成机理和风灾具体治理措施方面，不能有效地指导架空输电线路抗风灾设计和改造。因此，有必要针对各地区风速分布情况开展研究．为电网防风灾工程爱计、改造提供科学依据。
近年在架空输电线路防灾方面，湖南电网开展了大量研究，如冰灾机理，抗冰灾设计等。
司时，加强了与气象部门的合作，并利用湖南电力公司防灾减灾中心监测终端，积累了大量原始数据，为湖南电网风区分布图的绘制奠定了坚实的基础一、本文对湖南地区近年110 kV及以上架空输电线路风灾故障特征进行了统计，基于湖南省气象数据完成了湖南电网风区分布图的绘制，给出了风区分布图在湖南电网巾的应用建议。这对于保障电网的安全运行具有重要的指导意义和工程应用价值。
1 风灾故障分布特征
电网风灾故障主要有强风致风偏、强风致倒塔等。2002-2014年．湖南电网110 kV及以上架空输电线路风灾事故统计如图1所示。其中，因强风致风偏故障占总故障次数的97.7%：强风致倒杆故障占总故障次数的2.3%。可见，电网风灾故障的主要形式为风偏。
由图l统计结果可知，在发生的43条次风偏故障中，重合闸不成功33条次，风偏故障重合闸成功率仅为25.0%，对电网安全运行影响非常大。此外，由于局部飚线风所具有的特性，易于造成同一线路走廊断面多条线路同时跳闸．典型故障如2013年局部飑线风造成同一线路走廊内500 kV复沙I线和复沙Ⅱ线、220 kV复沧Ⅱ线和迎沧线共计4条线路同时跳闸，且均重合闸不成功．严重威胁电网的安全运行。故在设计阶段．需高度重视线路抗风灾能力设计，在强风活动频繁区域对在运线路开展抗风偏改造。
湖南省地处云贵高原向江南丘陵和南岭山脉向江汉平原过渡的地带，东、南、西三面山地围绕，中部丘岗起伏，北部平原、湖泊展布，呈西高东低、南高北低、朝东北开口的不对称马蹄形盆地。根据风灾故障统计结果得到风灾故障与地形之间关系如图2所示。由图2可知，平原地形风灾故障占40.9%，丘陵地形占36.4%，山区地形占22.7%。平原和丘陵地形易于发生风灾故障，在抗风灾设计和改造时应予以考虑。
2湖南电网风区分布图的绘制
电网风区分布图的绘制是以不同地区的气象资料和原始风速数据库中的数据为依据，其绘制流程如图3所示。绘制电网风区分布图时，首先需建立标准风速数据库，即根据选定的参考气象站，建立原始风速数据库，通过标准高度修正得到10m处标准风速。建立标准风速数据库后，通过仿真计算得到不同重现期下的基本风速数据库，并结合运行资料确定风区分级标准。最后，综合考虑局部微地形、微气候因素和运行经验，绘制出电网风区分布图。
2.1 参考气象站点的选择
由于国家级气象台站均位于县城内，其风速的观测受所处区域及周边环境的影响很大，不足以代表周围各乡镇、各种地形环境下的实际风况。对于电网110 kV及以上架空输电线路而言，线路走廊基本都是选择远离人口密集居住地，经过山区和人烟稀少区域。因此，为确保数据来源具有代表性，在湖南电网风区分布图绘制过程中，除省内25个国家级气象站台外，还选取72个省内区域气象台站进行补充，加大观测密度，提高气象数据的准确性。
2.2数据来源及说明
风区分布图绘制的基础数据包括气象资料、电网运行资料等。气象资料主要来源于湖南气象部门和防灾减灾中心监测数据，包括：(1)湖南省内97个气象台站历史变革、风速观测仪器的变更、地理位置等；(2)湖南省内97个气象台站近30年的年最大风速序列。电网运行资料主要来源于近年湖南省电力公司历史数据记录，包括：(1)湖南电网已建线路中110 kV及以上架空输电线路设计时的风速取值及依据；(2)湖南电网110 kV及以上架空输电线路历史风灾故障记录等；(3)湖南地区微地形、微气候资料等。
2.3标准风速数据库的建立
标准风速数据库是电网风区分布图的绘制基础。为确保标准风速数据库的代表性、规范性和有效性，建立数据库时，执行以下原则：(1)在确定风速时，观察场地应具有代表性，即测量场地周围的地形较为空旷平坦,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影响；(2)风速观测数据应全部取自自动式风速仪记录资料．对以往非自记式的定时观测资料，均通过修正加以采用；(3)当风速观测仪高度与标准高度10m相差过大时，按式(1)进行仿真计算，得到标准高度风速．即
式中：z为风速仪实际高度，m;vz为风速仪观测风速，m/s;a为空旷平坦地区粗糙度指数．取0.16。
2.4基本风速数据库的建立
基本风速数据库是电网风区分布图的绘制依据，它是在标准风速数据库的基础上通过仿真计算建立．文巾基本风速指按当地空旷平坦地面上10 m高度处10 min时距，平均的年最大风速观测数据，经概率统计得出30年、50年和100年一遇最大值后确定的风速。
确定基本风速时，本文采用极值I型概率分布模型。该模型在电网覆冰重现期、最大日降水量重现期、电网勘测设计风速计算等领域得到广泛应用。文中采用的极值I型概率分布函数如式(2)所示。
式中：u为分布的位置函数，即其分布的众值：a为分布的尺度函数。
当观测期n→∞时，分布参数与均值u和标准差σ的关系按照下述确定．即
当有限样本的均值x和统计样本均方差。作为μ和U的近似估计时，取：
当观测期为n年时，变量zi可以按照下式计算．即
如果需要考虑实际观测数量,n个观测值时参数C1和C2取值如表l所示。
平均重现期为T的最大风速xR按式( 10)、式(11)确定，即
式中：vx为平均年最大风速。湖南基本风速数据库是以湖南省1983-2012年共计30年的年最大风速序列气象数据为基础，故选用有限样本的推荐式(11)，n为30年数据对应的C1和C2，进行平均重现期为T的最大风速XR计算。
2.5 湖南电网风区分级标准
湖南电网风区分级标准遵照《110 kV—750 kV架空输电线路设计规范：GB 50545-2010》和《电力工程气象勘测技术规程：DL/T 5158-2012》中的技术原则，借鉴建筑行业风压分级和分布图绘图方法，充分吸收近年来的研究成果和线路运行经验，在总结和分析的基础f：确定。本文将风速分为14级，可提高架空输电线路设计的经济性和安全性；对风速分级取值，风速级差一般取2 m/s,可以满足架空输电线路设计和运行维护的使用需求。
综合以上因素，并考虑内陆大风特点．湖南电网风区分布图分级标准按23.5 m/s. 25.0 m/s.27.0 m/s、29.0 m/s、31.0 m/s、33.0 m/s、35.0 m/s、37.0 m/s、39.0 m/s、41.0 m/s、43.0 m/s、45.0 m/s、50.0 m/s、>50.0 m/s分为14个等级。考虑风区图的通用性和实用性，基本风速小于23.5 m/s时统一按照23.5 m/s考虑，大于45.0 m/s分2个等级．
风区分布图绘制时，考虑微气候、微地形对风速的影响，对于高山风LI、受狭管效应影响的强风带等微地形和山巅、峡谷、垭口、分水岭等微气候点的风区等级，原则上提高一级。例如，对于基本风速为25.0 m/s的微地形、微气候区域，绘图时风区等级调整为27.0 m/s，其他以此类推。
2.6湖南电网风区分布图的绘制
依据2.4节建市的不同重现期下基本风速数据库．按照2.5节确定的湖南电网风区分布图分级标准，初步完成湖南电网30年一遇、50年一遇和100年一遇的风区分布图。结合湖南电网风灾故障历史运行数据，综合考虑湖南微气候、微地形资料，对局部风区级别进行调整，最终完成湖南电网风区分布图的绘制，如图4-图6所示。由图4可见．湖南电网30年一遇风区分布图风区级别主要为23.5 m/s,少部分区域为25.0 m/s，极少区域为27．O m/s。其中，23.5 m/s、25.0 m/s和27．O m/s风速等级区域面积分别占湖南总面积的93.6%、5.3 010和1.1%。从总体分布来看，湖南全省基本都处于23.5 m/s风区，而25.0 m/s风区主要集中在宁乡、沅江、桃江、慈利和宁远等地，这些区域基本处在湖南省马蹄形盆地的底部和入口边沿处．地形以平原为主。
由图5可知．湖南电网50年一遇风区分布图级别主要为23.5 m/s,部分区域为25.0 m/s．少部分区域为27.0 m/s和29.0 m/s。其中，23.5 m/s、25.0 m/s、27.0 m/s和29.0 m/s风速等级区域面积分别占湖南省总面积的63.6%、30.3%、5.3%和0.9%。从整体分布来看，湖南省大部分区域，包括中西部、东南部主要处在23.5 m/s风区，25 m/s及以上级别风区主要集中在洞庭湖区域周边的长沙、益阳、常德东南部、岳阳西北部、株洲北部和张家界东部，以及邵阳中南部、永州南部等地。
从图6来看．湖南电网100年一遇风区分布图级别主要以25.0 m/s和27.0 m/s、少部分区域为23.5 m/s和29.0 m/s．极少部分区域为31.0 m/s。其中．23.5 m/s、25.0 m/s、27.0 m/s、29.0 m/s和31.0 m/s风速等级区域面积分别占湖南总面积的11.5%、52.1%、30.1%、5.6010和0.7%。从整体分布来看．27.0 m/s及以上级别风区主要集中湘西南部、常德、长沙西部、邵阳及永州地区，最高风速区域的高值中心在张家界慈利和长沙宁乡，为31.0 m/s。
从湖南电网风区分布整体来看，30年一遇、50年一遇和100年一遇风区图分布趋势基本一致，高等级风区都主要集中在洞庭湖区及周边区域、湘江河谷地带、阳明山南部平原区域和雪峰山东南部的丘陵地区。可见，湖南电网风区分布图中的风速分布与湖南地形、地貌具有明显相关性．比如洞庭湖区平原和罗霄山脉、雪峰山脉和南岭。
3湖南电网风区分布图的应用
本文给出的风速为基础风速，由于微地形、微气候区域对设计风速的影响较大，对于电网风区图的绘制无法精确到所有微地形和微气候区域。因此，在实际应用时，架空输电线路沿线不同的微地形、微气候区域可根据相关规范给予订正。
湖南省地形、地貌复杂多变．对风速影响较为复杂。近年来虽然气象部门建立了许多区域自动气象站，但由于110 kV及以上架空输电线路走廊基本都选择在荒郊野外、人烟稀少区域，而气象台站选址大多在乡镇，对野外的代表性不是很好；尤其是内陆地区，可用的站点不多，加之风的局地性非常强，在实际应用巾还需根据地形特点，对微地形进行适当的订正。对湖南电网而言，在设计和改（扩）建过程中使用建议如下：
(1)湖南电网220 kV架空输电线路设计风速以30年一遇为准，设计风速不小于25.0 m/s; 500 kV架空输电线路设计风速以50年一遇为准．设计风速不小于27.0 m/s：直流800 kV架空输电线路设计风速以100年一遇为准，设计风速不小于30.0 m/s。
(2)架空输电线路横跨陡峻的河谷，当谷口迎主导风向时，风速比较大，风速取值可适当增大5%。
(3)气流由开阔地区进入狭窄地区时，由于狭管效应，风速增大，风速取值可适当增大10%。
(4)突出开阔的山顶，高空强劲的风速受不到周围山脉的阻挡，风速较大．风速取值可适当增大10%。
4结语
本文通过统计得到了湖南电网风灾故障的分布特征，给出了湖南电网风区分布图的绘制方法．完成不同重现期基本风速的统计．确定了湖南电网风区分级标准，完成了湖南电网风区图的绘制。在此基础上，给出了湖南省架空输电线路抗风设计和改（扩）建过程中，风区分布图的使用原则和建议，可为湖南电网架空输电线路的设计选型及风荷载取值、线路运维检修提供依据，为电网防风灾工作提供技术支撑。
5摘要：运行经验表明，风灾故障对电网安全运行的威胁日趋严重，但在抗风设计、改造中所采用的典型气象区域风速分级标准较为笼统，缺少相关数据，不能有效地指导架空输电线路抗风灾工作．研究了湖南电网风灾故障分布特征，对湖南近30年气象数据进行了统计和对相关标准进行了修正，采取极值I型分布概率模型完成了湖南电网30年、50年和100年重现期最大风速统计，提出了湖南电网风区分级标准，完成了湖南电网风区分布图的绘制．得到了湖南风速分布情况。在此基础上，给出了湖南电网风区分布图的应用原则
和建议，可为架空输电线路抗风灾设汁、改造提供依据，给电网防风灾提供技术支撑．
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