中歐輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范氣象條件對(duì)比研究

顧 俊 頡

(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200025)

1 概述

輸電線路有協(xié)調(diào)地區(qū)電力能源分布的重要作用，如何設(shè)計(jì)安全可靠且又經(jīng)濟(jì)的輸電線路，顯得非常重要。隨著中國(guó)“一帶一路”倡議的提出，中國(guó)在歐洲的輸電線路建設(shè)項(xiàng)目也越來越多，但是目前不同國(guó)家地區(qū)的輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定均有一定差別。對(duì)比研究中國(guó)與歐洲輸電線路設(shè)計(jì)的技術(shù)體系不同之處，能有效為建立國(guó)外輸電工程設(shè)計(jì)技術(shù)體系，促進(jìn)海外工程業(yè)務(wù)的發(fā)展提供技術(shù)參考。

為較為全面了解中歐輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)體系的差異，本文主要從氣象條件方面對(duì)比分析了中歐的設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定。本文對(duì)比研究的中國(guó)和歐洲的設(shè)計(jì)規(guī)范如下：

1)GB 50545—2010 110～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范。

2)BS EN 50341—1∶2001 Overhead electrical lines exceeding AC 45 kV-part Ⅰ。

3)IEC 60826 Design criteria of overhead transmission lines。

2 風(fēng)速規(guī)定對(duì)比

2.1 GB 50545—2010規(guī)范

基準(zhǔn)風(fēng)速是指10 min時(shí)距平均的年最大風(fēng)速，采用極值Ⅰ型分布作為概率模型，統(tǒng)計(jì)風(fēng)速的高度應(yīng)符合:1)110 kV～750 kV輸電線路統(tǒng)計(jì)風(fēng)速應(yīng)取離地面10 m;2)大跨越風(fēng)速應(yīng)取離歷年大風(fēng)季節(jié)平均最低水位10 m。

110 kV～330 kV基準(zhǔn)風(fēng)速不小于23.5 m，500 kV～750 kV不小于27.5 m/s。

大跨越基本風(fēng)速當(dāng)無可靠資料時(shí)，宜將附近陸上輸電線路風(fēng)速統(tǒng)計(jì)值換算到跨越處歷年大風(fēng)季節(jié)平均最低水位以上10 m處，并增加10%，考慮水面影響再增加10%后選用。

2.2 EN 50341—1規(guī)范

基準(zhǔn)風(fēng)速是指地面以上10 m處的風(fēng)速，在采用平均風(fēng)速的國(guó)家，由Ⅱ類測(cè)量地點(diǎn)附近的基準(zhǔn)風(fēng)速VR(Ⅱ)評(píng)估出：

VR=kT·ln10/z0·VR(Ⅱ)。

式中系數(shù)取值見表1。

表1 VR計(jì)算式系數(shù)取值

2.3 IEC 60826—2003規(guī)范

基準(zhǔn)風(fēng)速VR定義為對(duì)應(yīng)某一重現(xiàn)周期T內(nèi)離地10 m處在10 min中測(cè)得的風(fēng)速平均值。在通常情況下，一般在地形條件為B類，例如機(jī)場(chǎng)地區(qū)的氣象站采集獲得數(shù)據(jù)VR數(shù)據(jù)。無論如何，可以在x類地形現(xiàn)場(chǎng)離地10 m的高度，記錄t(s)時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速平均值，在此將其記為Vx.t(如果并非在離地10 m處測(cè)量，應(yīng)首先將數(shù)據(jù)調(diào)整以對(duì)應(yīng)于該高度)。

圖1內(nèi)的曲線可以用于確定Vx.t/Vx,10 min的比例，該比例是在氣象測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)各類地形起伏度下平均測(cè)量時(shí)間的函數(shù)。在沒有當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù)或研究時(shí)，可以使用該值代替。

對(duì)于已知的Vx.10 min，可以通過以下公式得到V：

V=Vx.10 min/KR。

式中參數(shù)KR見表2。

表2 KR數(shù)值表

3 覆冰規(guī)定對(duì)比

3.1 GB 50545—2012規(guī)范

輕冰區(qū)、中冰區(qū)、重冰區(qū)分別按照相應(yīng)的覆冰厚度設(shè)計(jì)，必要時(shí)還宜按稀有的覆冰條件進(jìn)行驗(yàn)算。

除無冰區(qū)外，地線設(shè)計(jì)冰厚應(yīng)較導(dǎo)線增厚5 mm。

大跨越設(shè)計(jì)冰厚，除無冰區(qū)外，宜較附近一般輸電線路增加5 mm。

3.2 EN—50341規(guī)范

根據(jù)各種數(shù)據(jù)來源進(jìn)行的極限冰荷載評(píng)估。

用于評(píng)估冰荷載的數(shù)據(jù)變化很大。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)描述了根據(jù)三種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)方法：

1)記錄周期至少為10年(見B.5.2)的最大年度冰荷載Im。

2)僅記錄限制年數(shù)內(nèi)冰荷載的最大值Imax(也就是非統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))。

3)通過氣象數(shù)據(jù)分析(結(jié)冰模式)計(jì)算的最大年度冰荷載。

注：使用很少幾年內(nèi)收集的冰荷載數(shù)據(jù)，如果結(jié)冰季節(jié)沒有重現(xiàn)，則可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。如果有可能，氣象評(píng)估應(yīng)盡量包含該區(qū)域20年～30年的數(shù)據(jù)。如果不這樣做，則可能出現(xiàn)因?yàn)橹芷谔袒蛘邲]有重現(xiàn)而造成誤導(dǎo)。

1)提供至少10年內(nèi)的年度最大冰荷載。

如果計(jì)算的變化系數(shù)VI在表3規(guī)定的范圍以外，則應(yīng)設(shè)置與最近的限制值相等。

表3 變化系數(shù)表

2)只知道幾年的最大冰荷載Imax。

設(shè)定平均值Imm等于0.4Imax，變化系數(shù)VI=0.7。根據(jù)表3，極限冰荷載可以按照n=10年計(jì)算。

3)通過對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)估年度最大冰荷載。

本標(biāo)準(zhǔn)中用于統(tǒng)計(jì)方法的冰荷載數(shù)據(jù)的值可以通過結(jié)冰模式來建立。從這種模式中得出的結(jié)果應(yīng)該用于計(jì)算平均值Imm和變化系數(shù)VI。

這種類型的結(jié)冰模式應(yīng)分析20年或者以上的氣象數(shù)據(jù)。除了標(biāo)準(zhǔn)的氣象觀察參數(shù)以外，還要求標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測(cè)(液態(tài)水含量、微滴大小、降水密度等)中不包含的數(shù)據(jù)。

如果沒有能夠代表架空線路地點(diǎn)的數(shù)據(jù)，則應(yīng)該建立一個(gè)測(cè)量方案，測(cè)量參數(shù)或者直接測(cè)量冰荷載。在后一種情況中，應(yīng)該進(jìn)行輔助的氣象計(jì)量和數(shù)據(jù)收集。

對(duì)結(jié)冰模式進(jìn)行正確的校準(zhǔn)要求至少5年～10年記錄在案的結(jié)冰事件。有很多地方可能出現(xiàn)多個(gè)不結(jié)冰的季節(jié)。氣象測(cè)量應(yīng)該至少持續(xù)兩個(gè)季節(jié)，但是最好能在5年或者以上。如果計(jì)劃在一個(gè)區(qū)域內(nèi)修建新的架空線路，而這個(gè)區(qū)域內(nèi)結(jié)冰的信息很少或者線路橫穿裸露的地形，則應(yīng)該盡早擬制一份測(cè)量方案。

3.3 IEC 60826規(guī)范

冰的物理性質(zhì)變化較大。表4中列出了典型冰的物理性質(zhì)。

積冰方面的可用數(shù)據(jù)差異巨大。根據(jù)可用信息和觀測(cè)年份不同，推薦使用以下評(píng)估方法。

表4 冰的物理性質(zhì)

表5 冰荷載統(tǒng)計(jì)參數(shù)

可以使用氣象分析模型計(jì)算一定年數(shù)內(nèi)的年度最大冰荷載值。

可以通過分析20年或以上的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)天氣或氣候數(shù)據(jù)與至少5年以上的輸電線路冰荷載觀測(cè)值，獲取使用本標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)統(tǒng)計(jì)方法所需的充足數(shù)據(jù)。

驗(yàn)證和調(diào)整預(yù)測(cè)模型所需的線路場(chǎng)所信息，可以通過現(xiàn)有輸電或配電線路過往經(jīng)驗(yàn)獲取、或?qū)Ρ┭﹨^(qū)域現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、或通過植被積冰效果獲取。

4 氣象重現(xiàn)期規(guī)定對(duì)比

1)GB 50545:750 kV,500 kV為50年,110 kV～330 kV為30年。

2)EN 50341—1：極限風(fēng)速的一般重現(xiàn)期是50年。

極限冰荷載IT根據(jù)平均值Imm，最大年度冰荷載的變化系數(shù)VI和觀察年數(shù)n，按耿貝爾分布計(jì)算。n<10時(shí)，取10。風(fēng)速及冰荷載的轉(zhuǎn)換因數(shù)見表6,表7。

表6 風(fēng)速的不同重現(xiàn)期的轉(zhuǎn)換因數(shù)

表7 冰荷載的不同重現(xiàn)期的轉(zhuǎn)化因數(shù)

3)IEC 60826—2003規(guī)范。

在設(shè)計(jì)輸電線路時(shí)，可以通過增加氣象條件的重現(xiàn)周期T來獲得更高的可靠性水平?？梢愿鶕?jù)線路在電網(wǎng)中的重要性水平為其設(shè)定更高的可靠性。在本標(biāo)準(zhǔn)中提出了三種可靠性水平，并認(rèn)為這三種水平涵蓋了大多數(shù)輸電線路的可靠性范圍。表8中按照重現(xiàn)周期劃分了可靠性水平。對(duì)于臨時(shí)線路、木桿電線桿、或不重要的線路，可以使用25年的重現(xiàn)周期。

表8 輸電線路可靠性水平

在某些國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了參考?xì)夂蜃兞?通常為50年重現(xiàn)周期值)。在這種情況下，任何重現(xiàn)周期T(年)的氣候變量都可以通過使用表9內(nèi)的荷載系數(shù)γT乘以氣候變量50年參考值獲得。

表9 根據(jù)重現(xiàn)周期T=50年調(diào)整氣候荷載的默認(rèn)γT系數(shù)

5 結(jié)語(yǔ)

1)中國(guó)國(guó)標(biāo)和歐盟標(biāo)準(zhǔn)、IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)基準(zhǔn)風(fēng)速均定義為離地10 m，10 min內(nèi)的平均風(fēng)速。不同的是，歐盟標(biāo)準(zhǔn)、IEC標(biāo)準(zhǔn)給出了不同地形條件、不同高度、不同統(tǒng)計(jì)時(shí)距下風(fēng)速的轉(zhuǎn)換公式，而中國(guó)的國(guó)標(biāo)并未對(duì)此做出專門規(guī)定。

中國(guó)國(guó)標(biāo)對(duì)不同電壓等級(jí)的基準(zhǔn)風(fēng)速做了最低限值，同時(shí)對(duì)對(duì)大跨越線路做了專門的風(fēng)速取值建議和規(guī)定。歐盟標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)并沒有限值和特殊的規(guī)定。由此可見歐標(biāo)和IEC的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的要求更高，更加科學(xué)；中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)在基本定義與歐盟標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)一致情況下，更接近工程，做了更保守的強(qiáng)制性規(guī)定。

2)歐盟標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于覆冰的規(guī)定、統(tǒng)計(jì)方法基本一致，需要10年以上的統(tǒng)計(jì)值，通過平均值和標(biāo)準(zhǔn)差來計(jì)算極限覆冰。同時(shí)根據(jù)冰的形成原因，區(qū)分不同類型覆冰對(duì)建構(gòu)筑物的影響。

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)將不同的地區(qū)分為輕、中、重冰區(qū)，分別采取不同的覆冰厚度，并沒有區(qū)分冰的類型，均按照普通水冰計(jì)算冰荷載。同時(shí)強(qiáng)調(diào)了大跨越和地線覆冰的增加，更加趨向于工程和經(jīng)驗(yàn)，而非數(shù)據(jù)模型和統(tǒng)計(jì)學(xué)。

3)對(duì)于氣象重現(xiàn)期，中國(guó)國(guó)標(biāo)按照電壓等級(jí)直接規(guī)定相應(yīng)的氣象重現(xiàn)期。而歐盟標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)均未制定硬性規(guī)定，而是給出了不同氣象重現(xiàn)期風(fēng)、冰變量的轉(zhuǎn)換系數(shù)，實(shí)際工程根據(jù)可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求進(jìn)行選擇。這樣的區(qū)別說明歐盟和IEC的標(biāo)準(zhǔn)傾向于提出算法和數(shù)學(xué)模型，實(shí)際重現(xiàn)期的選擇應(yīng)當(dāng)由業(yè)主、市場(chǎng)根據(jù)需要選擇，而中國(guó)國(guó)標(biāo)更多考慮的是可靠性，沒有過多考慮市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)性。

歐盟標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)不同重現(xiàn)期內(nèi)的風(fēng)、冰轉(zhuǎn)換系數(shù)略有不同但大體一致。