趙亞寧，王欣偉

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原 030001）

0 引言

為防止山西電網(wǎng)輸電線路發(fā)生大面積風(fēng)偏跳閘事故，保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行，有必要依據(jù)大風(fēng)對(duì)架空輸電線路的影響研究風(fēng)區(qū)分布，指導(dǎo)輸電線路的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、生產(chǎn)、運(yùn)行和維護(hù)。結(jié)合山西省地形地貌、氣象條件等因素，對(duì)各供電公司運(yùn)維的架空輸電線路風(fēng)偏跳閘情況進(jìn)行整理分析，為風(fēng)偏分布研究提供可靠依據(jù)。

1 輸電線路風(fēng)偏跳閘情況分析

山西省近10年來共發(fā)生220 kV及以上輸電線路數(shù)十次風(fēng)閃，主干電網(wǎng)每年都有風(fēng)閃跳閘或風(fēng)閃事故發(fā)生，尤其是在連續(xù)惡劣的氣象條件下曾發(fā)生幾次連續(xù)多次的風(fēng)閃跳閘。

統(tǒng)計(jì)表明，山西電網(wǎng)輸電線路常見風(fēng)偏故障有以下幾種類型。

a）耐張塔跳線風(fēng)偏。對(duì)于“干字型”鐵塔，風(fēng)偏故障絕大多數(shù)發(fā)生在中相跳線串，原因是“干字型”鐵塔耐張中相跳線串，受線路橫向正面風(fēng)壓時(shí)，絕緣子串對(duì)塔身風(fēng)偏距離是安全的；順線路正面或斜側(cè)面方向受風(fēng)壓時(shí)，跳線對(duì)塔身風(fēng)偏距離就嚴(yán)重不足，易導(dǎo)致放電跳閘。

b）直線桿塔導(dǎo)線對(duì)塔身或橫擔(dān)放電。此種情況經(jīng)常發(fā)生在ZM1、LV1型鐵塔，原因是它們的空氣間隙較小，絕緣子在大風(fēng)作用下風(fēng)偏角大于30°時(shí)，空氣間隙不能滿足運(yùn)行條件要求，引起線路跳閘，加上當(dāng)時(shí)風(fēng)速未變，所以重合成功的較少[1]。

c）導(dǎo)線對(duì)鄰近物體（樹木、邊坡、建筑物、鄰近桿塔）放電或是導(dǎo)地線間放電。由于處于大風(fēng)區(qū)的輸電線路擋距較大，在受到正面方向大風(fēng)的影響下，向外舞動(dòng)，造成對(duì)通道內(nèi)其他物體放電，或是上下舞動(dòng)造成導(dǎo)線、地線間放電。

2 山西地區(qū)風(fēng)分布特征

地面風(fēng)不僅受氣壓場(chǎng)分布的支配，而且在很大程度上受地形與地勢(shì)的影響，山隘和海峽能改變氣流運(yùn)行的方向并使風(fēng)力加大；而丘陵、山地因摩擦加大使風(fēng)速減??；山頂和高原地區(qū)摩擦小風(fēng)速加大。因此，風(fēng)速和風(fēng)向的時(shí)空分布較為復(fù)雜。

山西地區(qū)存在數(shù)量很多的風(fēng)口區(qū)域，大同市區(qū)、朔州市區(qū)、平魯區(qū)、右玉縣、五臺(tái)縣、寧武縣、神池縣、石樓縣、中陽縣、古交市、平定縣、蒲縣，運(yùn)城鹽湖區(qū)、晉城的東溝及陽城等地，都是山西的風(fēng)口區(qū)域。

山西省是典型的季風(fēng)氣候，冬夏受屬性不同的氣流控制，產(chǎn)生明顯的季節(jié)風(fēng)，盛行風(fēng)向交替變更。由于地形起伏不平，受局地小氣候影響，導(dǎo)致了年、季、月、日的風(fēng)向紊亂，但從總體趨勢(shì)看，受季風(fēng)影響，冬半年偏西、偏北風(fēng)居多，夏半年偏東、偏南風(fēng)居多。由于地勢(shì)起伏較大，低層氣流活動(dòng)受到較大的阻力，各地的風(fēng)速要比同緯度的河北平原偏小，出現(xiàn)靜風(fēng)的機(jī)會(huì)較多，全省年平均風(fēng)速為2～4 m/s。由于地形復(fù)雜，受地形影響形成多處局部微氣象區(qū)，氣象條件特殊，每年5月—7月是風(fēng)偏故障的高發(fā)季節(jié)，應(yīng)加以重視，劃分風(fēng)偏等級(jí)時(shí)應(yīng)充分結(jié)合當(dāng)?shù)氐倪\(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[2]。

3 風(fēng)區(qū)分布分析

風(fēng)區(qū)分布研究所選用的資料是山西省109個(gè)氣象站歷年最大風(fēng)速資料。資料時(shí)間長度為建站始至2015年的近30年氣象數(shù)據(jù)。由于觀測(cè)時(shí)次、儀器的改變，測(cè)站環(huán)境變化或站址遷移等原因，使記錄的代表性和可比性受到影響。為使計(jì)算出來的最大風(fēng)速具有科學(xué)性和合理性，統(tǒng)計(jì)所使用的資料必須屬于同一序列，因此在使用資料之前，首先對(duì)資料進(jìn)行一致性訂正。

3.1 時(shí)次換算

對(duì)風(fēng)區(qū)分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用10 min平均最大風(fēng)速（自記風(fēng)），自記風(fēng)資料較短不能滿足統(tǒng)計(jì)計(jì)算要求的風(fēng)速資料時(shí)，需要進(jìn)行時(shí)次換算，要將2 min平均最大風(fēng)速（定時(shí)風(fēng)）換算為10 min平均最大風(fēng)速，以達(dá)到分析要求。

山西省自記風(fēng)速達(dá)到30年以上的站點(diǎn)共有59個(gè)，未達(dá)到30年以上的站點(diǎn)為50個(gè)。目前各氣象站均有自記風(fēng)觀測(cè)，因此利用各氣象站自記風(fēng)和相應(yīng)時(shí)次的定時(shí)風(fēng)觀測(cè)記錄，建立各氣象站定時(shí)風(fēng)和自記風(fēng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。轉(zhuǎn)換關(guān)系采用線性回歸，回歸方程為y=ax+b（其中：y為10 min自記風(fēng)序列，x為 2 min定時(shí)風(fēng)序列，a、b為回歸系數(shù)）。通過各自的回歸方程，建立各氣象站歷年10 min平均最大風(fēng)速序列。

3.2 高度修訂

風(fēng)速統(tǒng)計(jì)時(shí)需要離地高度為10 m處的風(fēng)速，因此需將各氣象站的最大風(fēng)速值訂正到離地10 m高處的最大風(fēng)速值。換算公式為

其中，z為風(fēng)速儀實(shí)際高度，m；vz為風(fēng)速儀觀測(cè)風(fēng)速，m/s；a為空曠平坦地區(qū)粗糙度指數(shù)，取0.16。

風(fēng)速的年最大值采用極值I型的概率分布，其分布函數(shù)為

F（x）=exp｛-exp[-α（x-u）]｝

其中，u為分布的位置參數(shù)，即分布的眾值；α為分布的尺度參數(shù)。

當(dāng)觀測(cè)期n→∞時(shí)，分布參數(shù)與均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ的關(guān)系式為

當(dāng)有限樣本的均值x和統(tǒng)計(jì)樣本均方差s作為μ和σ的近似估計(jì)時(shí)，取

其中，C1和C2由n年觀測(cè)期下的Zi確定，表1為實(shí)際觀測(cè)數(shù)量值。

表1 n個(gè)觀測(cè)值時(shí)參數(shù)C1和C2值

因此，重現(xiàn)期為T的最大風(fēng)速確定為

由于基本風(fēng)速取值時(shí)考慮《110～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中基本風(fēng)速的要求，110 kV線路的基本設(shè)計(jì)風(fēng)速不應(yīng)小于23.5 m/s。因此，對(duì)山西基本風(fēng)速不足23.5 m/s的區(qū)域，統(tǒng)一按23.5 m/s進(jìn)行要求。

3.3 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)修正后的風(fēng)區(qū)分布

結(jié)合多年風(fēng)偏桿塔附近氣象臺(tái)站數(shù)據(jù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)故障桿塔區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，得到最終山西電網(wǎng)風(fēng)區(qū)分布劃分。

北部主要風(fēng)區(qū)：朔州右玉縣，兩側(cè)地勢(shì)較高，中間較低；大同市區(qū)，東側(cè)地勢(shì)平坦，西側(cè)地勢(shì)漸起；忻州神池縣和朔州市區(qū)，位于管岑山和蘆芽山交匯處；忻州繁峙縣與五臺(tái)縣，位于五臺(tái)山；忻州岢嵐縣。

中部主要風(fēng)區(qū)：太原古交市，位于汾河水庫下游，兩側(cè)山勢(shì)較高；陽泉平定縣，東部海拔較低，西面臨山，地勢(shì)起伏較大；呂梁交口縣，位于呂梁山中，海拔高度在2 000 m左右；呂梁中陽縣北部，北部、東部、南部被呂梁山包圍，西部地勢(shì)漸漸走低。

南部主要風(fēng)區(qū)：臨汾蒲縣，東、北部為呂梁山，南部為火焰山，西部地勢(shì)漸趨平緩；晉城陽城縣，沁河流經(jīng)此處，海拔高度0～1 000 m，地勢(shì)起伏較大；運(yùn)城市東部，位于中天山南麓；晉城市。

山西電網(wǎng)風(fēng)區(qū)分布（30年一遇）：風(fēng)速23.5 m/s區(qū)域占83.436%，風(fēng)速25 m/s區(qū)域占11.703%，風(fēng)速27 m/s區(qū)域占 3.34%，風(fēng)速 29 m/s區(qū)域占0.930%，風(fēng)速31 m/s區(qū)域占0.543%，風(fēng)速33 m/s區(qū)域占0.049%。

山西電網(wǎng)風(fēng)區(qū)分布（50年一遇）：風(fēng)速23.5 m/s區(qū)域占70.731%，風(fēng)速25 m/s區(qū)域占19.287%，風(fēng)速27 m/s區(qū)域占 6.962%，風(fēng)速 29 m/s區(qū)域占2.041%，風(fēng)速31 m/s區(qū)域占0.912%，風(fēng)速33 m/s區(qū)域占0.068%。

山西電網(wǎng)風(fēng)區(qū)分布（100年一遇）：風(fēng)速23.5 m/s區(qū)域占38.469%，風(fēng)速25 m/s區(qū)域占32.730%，風(fēng)速27 m/s區(qū)域占 21.861%，風(fēng)速 29 m/s區(qū)域占4.211%，風(fēng)速31 m/s區(qū)域占2.003%，風(fēng)速33 m/s區(qū)域占0.726%。

4 輸電線路防風(fēng)偏措施

根據(jù)山西電網(wǎng)風(fēng)區(qū)分布，輸電線路運(yùn)維單位可以采取多種措施提前預(yù)防，提升輸電線路防風(fēng)偏的本質(zhì)安全水平。

4.1 一般原則

a）輸電線路新建和改擴(kuò)建時(shí)，其絕緣配置的改造和調(diào)整，應(yīng)依據(jù)所在地的風(fēng)區(qū)分布進(jìn)行適當(dāng)選擇；尤其對(duì)局地微氣象區(qū)、強(qiáng)風(fēng)（風(fēng)速大于30 m/s）區(qū)等特殊區(qū)域處的新建線路，要細(xì)致調(diào)查設(shè)計(jì)；對(duì)微氣象區(qū)特征明顯，颮線風(fēng)頻發(fā)地帶，應(yīng)考慮最不利的氣象條件組合，設(shè)計(jì)時(shí)留有適當(dāng)?shù)脑６萚3]。

b）對(duì)特殊區(qū)域輸電線路應(yīng)按風(fēng)區(qū)分布設(shè)計(jì)所要求的絕緣子配置進(jìn)行調(diào)整，受各種條件限制不能調(diào)整的應(yīng)有明確的防風(fēng)偏措施，可采取縮小擋距或增加絕緣小橫擔(dān)的方式。

c）線路走向和路徑應(yīng)合理選擇，盡量避免擋距大、高差大、臨擋擋距相差懸殊等情況；通過山嶺地帶沿背風(fēng)坡走線時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)防風(fēng)偏措施；山區(qū)線路設(shè)計(jì)應(yīng)差異化選擇，考慮常規(guī)線路和緊湊型線路相結(jié)合，不宜單獨(dú)選用緊湊型線路設(shè)計(jì)，避免給今后運(yùn)行留下隱患。

4.2 技術(shù)措施

a）平行線路設(shè)計(jì)時(shí)，相鄰線路應(yīng)開展風(fēng)偏校核，并不得小于導(dǎo)線的最大弧垂；同塔多回路如果采用差絕緣配置，上風(fēng)側(cè)應(yīng)為絕緣子串相對(duì)較短的一側(cè)；耐張桿塔跳線串采用復(fù)合絕緣子配置時(shí)，應(yīng)綜合考慮線路的防風(fēng)偏性能。

b）線路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免在面向?qū)Ь€側(cè)的桿塔上安裝腳釘（即使腳釘方向平行于導(dǎo)線），同時(shí)在懸垂線夾附近導(dǎo)線上也應(yīng)盡量避免安裝其他突出物（如防震錘）。

c）易產(chǎn)生強(qiáng)風(fēng)的微地形或特殊氣象區(qū)，不應(yīng)用易發(fā)生風(fēng)偏的“貓頭型”塔（導(dǎo)線三角排列）和各塔型的1系列塔。

d）跳線設(shè)計(jì)中要有嚴(yán)格的控制條件，施工時(shí)在滿足設(shè)計(jì)條件下盡量縮短耐張塔引流線長度，繞跳線采用硬跳線或增加跳線串絕緣子并加掛懸重錘。

4.3 運(yùn)行線路防范措施 [4]

a）運(yùn)維中應(yīng)重視微地形區(qū)、微氣象區(qū)域，為便于掌握實(shí)際氣象條件，在典型風(fēng)口、頻繁發(fā)生風(fēng)偏的區(qū)域可安裝風(fēng)速、風(fēng)向等在線監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行相應(yīng)記錄。對(duì)強(qiáng)風(fēng)多發(fā)地帶，直線塔的三相導(dǎo)線均應(yīng)采用V型串懸掛，對(duì)直線塔懸垂絕緣子串加裝重錘，對(duì)大于10°的耐張塔外角應(yīng)掛裝跳線串，必要時(shí)可加掛重錘。

b）運(yùn)維單位負(fù)責(zé)對(duì)輸電線路所有桿塔進(jìn)行風(fēng)偏校驗(yàn)，涉及復(fù)雜線段、桿塔應(yīng)請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)部門協(xié)助校驗(yàn)，編制風(fēng)偏校驗(yàn)報(bào)告，對(duì)不滿足要求的提出防風(fēng)偏改造措施及落實(shí)時(shí)間，經(jīng)有關(guān)部門審查后盡快實(shí)施。

c）惡劣天氣、大負(fù)荷期間應(yīng)安排特巡，對(duì)線路兩側(cè)特別是擋距中央、弛度最低點(diǎn)與附近異物（懸崖、山坡、樹木、建筑物等）的距離進(jìn)行測(cè)量，按最高氣溫情況下的最大弧垂及最大風(fēng)偏進(jìn)行計(jì)算，不滿足運(yùn)行要求的，要及時(shí)采取措施。

d）開展強(qiáng)風(fēng)后輸電線路連接金具隱性缺陷檢查，對(duì)發(fā)生變形、裂紋的，及時(shí)進(jìn)行更換。防污閃改造更換復(fù)合絕緣子時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行風(fēng)偏校驗(yàn)，不滿足要求的應(yīng)采取加裝重錘等防風(fēng)偏措施。

5 結(jié)束語

綜上所述，山西電網(wǎng)的風(fēng)區(qū)分布適用于山西電網(wǎng)110～1 000 kV輸電設(shè)備的新建、擴(kuò)建、改建，110 kV以下輸電設(shè)備也可參照?qǐng)?zhí)行。

隨著大環(huán)境和局部氣象的變化，輸電線路所處風(fēng)區(qū)環(huán)境也相應(yīng)變化，應(yīng)注重輸電線路風(fēng)偏有關(guān)資料的收集、分析，及時(shí)更新完善風(fēng)區(qū)分布，進(jìn)行相應(yīng)的局部調(diào)整和修訂工作，確保風(fēng)區(qū)與實(shí)際運(yùn)行情況保持一致。