山西電網風區分布研究

趙亞寧，王欣偉

（國網山西省電力公司電力科學研究院，山西太原 030001）

0 引言

為防止山西電網輸電線路發生大面積風偏跳閘事故，保障電網的安全運行，有必要依據大風對架空輸電線路的影響研究風區分布，指導輸電線路的規劃、設計、施工、生產、運行和維護。結合山西省地形地貌、氣象條件等因素，對各供電公司運維的架空輸電線路風偏跳閘情況進行整理分析，為風偏分布研究提供可靠依據。

1 輸電線路風偏跳閘情況分析

山西省近10年來共發生220 kV及以上輸電線路數十次風閃，主干電網每年都有風閃跳閘或風閃事故發生，尤其是在連續惡劣的氣象條件下曾發生幾次連續多次的風閃跳閘。

統計表明，山西電網輸電線路常見風偏故障有以下幾種類型。

a）耐張塔跳線風偏。對于“干字型”鐵塔，風偏故障絕大多數發生在中相跳線串，原因是“干字型”鐵塔耐張中相跳線串，受線路橫向正面風壓時，絕緣子串對塔身風偏距離是安全的；順線路正面或斜側面方向受風壓時，跳線對塔身風偏距離就嚴重不足，易導致放電跳閘。

b）直線桿塔導線對塔身或橫擔放電。此種情況經常發生在ZM1、LV1型鐵塔，原因是它們的空氣間隙較小，絕緣子在大風作用下風偏角大于30°時，空氣間隙不能滿足運行條件要求，引起線路跳閘，加上當時風速未變，所以重合成功的較少[1]。

c）導線對鄰近物體（樹木、邊坡、建筑物、鄰近桿塔）放電或是導地線間放電。由于處于大風區的輸電線路擋距較大，在受到正面方向大風的影響下，向外舞動，造成對通道內其他物體放電，或是上下舞動造成導線、地線間放電。

2 山西地區風分布特征

地面風不僅受氣壓場分布的支配，而且在很大程度上受地形與地勢的影響，山隘和海峽能改變氣流運行的方向并使風力加大；而丘陵、山地因摩擦加大使風速減小；山頂和高原地區摩擦小風速加大。因此，風速和風向的時空分布較為復雜。

山西地區存在數量很多的風口區域，大同市區、朔州市區、平魯區、右玉縣、五臺縣、寧武縣、神池縣、石樓縣、中陽縣、古交市、平定縣、蒲縣，運城鹽湖區、晉城的東溝及陽城等地，都是山西的風口區域。

山西省是典型的季風氣候，冬夏受屬性不同的氣流控制，產生明顯的季節風，盛行風向交替變更。由于地形起伏不平，受局地小氣候影響，導致了年、季、月、日的風向紊亂，但從總體趨勢看，受季風影響，冬半年偏西、偏北風居多，夏半年偏東、偏南風居多。由于地勢起伏較大，低層氣流活動受到較大的阻力，各地的風速要比同緯度的河北平原偏小，出現靜風的機會較多，全省年平均風速為2～4 m/s。由于地形復雜，受地形影響形成多處局部微氣象區，氣象條件特殊，每年5月—7月是風偏故障的高發季節，應加以重視，劃分風偏等級時應充分結合當地的運行經驗[2]。

3 風區分布分析

風區分布研究所選用的資料是山西省109個氣象站歷年最大風速資料。資料時間長度為建站始至2015年的近30年氣象數據。由于觀測時次、儀器的改變，測站環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。為使計算出來的最大風速具有科學性和合理性，統計所使用的資料必須屬于同一序列，因此在使用資料之前，首先對資料進行一致性訂正。

3.1 時次換算

對風區分布進行統計時，應采用10 min平均最大風速（自記風），自記風資料較短不能滿足統計計算要求的風速資料時，需要進行時次換算，要將2 min平均最大風速（定時風）換算為10 min平均最大風速，以達到分析要求。

山西省自記風速達到30年以上的站點共有59個，未達到30年以上的站點為50個。目前各氣象站均有自記風觀測，因此利用各氣象站自記風和相應時次的定時風觀測記錄，建立各氣象站定時風和自記風的轉換關系。轉換關系采用線性回歸，回歸方程為y=ax+b（其中：y為10 min自記風序列，x為 2 min定時風序列，a、b為回歸系數）。通過各自的回歸方程，建立各氣象站歷年10 min平均最大風速序列。

3.2 高度修訂

風速統計時需要離地高度為10 m處的風速，因此需將各氣象站的最大風速值訂正到離地10 m高處的最大風速值。換算公式為

其中，z為風速儀實際高度，m；vz為風速儀觀測風速，m/s；a為空曠平坦地區粗糙度指數，取0.16。

風速的年最大值采用極值I型的概率分布，其分布函數為

F（x）=exp｛-exp[-α（x-u）]｝

其中，u為分布的位置參數，即分布的眾值；α為分布的尺度參數。

當觀測期n→∞時，分布參數與均值μ和標準差σ的關系式為

當有限樣本的均值x和統計樣本均方差s作為μ和σ的近似估計時，取

其中，C1和C2由n年觀測期下的Zi確定，表1為實際觀測數量值。

表1 n個觀測值時參數C1和C2值

因此，重現期為T的最大風速確定為

由于基本風速取值時考慮《110～750 kV架空輸電線路設計規范》中基本風速的要求，110 kV線路的基本設計風速不應小于23.5 m/s。因此，對山西基本風速不足23.5 m/s的區域，統一按23.5 m/s進行要求。

3.3 運行經驗修正后的風區分布

結合多年風偏桿塔附近氣象臺站數據和運行經驗，對故障桿塔區域進行調整，得到最終山西電網風區分布劃分。

北部主要風區：朔州右玉縣，兩側地勢較高，中間較低；大同市區，東側地勢平坦，西側地勢漸起；忻州神池縣和朔州市區，位于管岑山和蘆芽山交匯處；忻州繁峙縣與五臺縣，位于五臺山；忻州岢嵐縣。

中部主要風區：太原古交市，位于汾河水庫下游，兩側山勢較高；陽泉平定縣，東部海拔較低，西面臨山，地勢起伏較大；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，西部地勢漸漸走低。

南部主要風區：臨汾蒲縣，東、北部為呂梁山，南部為火焰山，西部地勢漸趨平緩；晉城陽城縣，沁河流經此處，海拔高度0～1 000 m，地勢起伏較大；運城市東部，位于中天山南麓；晉城市。

山西電網風區分布（30年一遇）：風速23.5 m/s區域占83.436%，風速25 m/s區域占11.703%，風速27 m/s區域占 3.34%，風速 29 m/s區域占0.930%，風速31 m/s區域占0.543%，風速33 m/s區域占0.049%。

山西電網風區分布（50年一遇）：風速23.5 m/s區域占70.731%，風速25 m/s區域占19.287%，風速27 m/s區域占 6.962%，風速 29 m/s區域占2.041%，風速31 m/s區域占0.912%，風速33 m/s區域占0.068%。

山西電網風區分布（100年一遇）：風速23.5 m/s區域占38.469%，風速25 m/s區域占32.730%，風速27 m/s區域占 21.861%，風速 29 m/s區域占4.211%，風速31 m/s區域占2.003%，風速33 m/s區域占0.726%。

4 輸電線路防風偏措施

根據山西電網風區分布，輸電線路運維單位可以采取多種措施提前預防，提升輸電線路防風偏的本質安全水平。

4.1 一般原則

a）輸電線路新建和改擴建時，其絕緣配置的改造和調整，應依據所在地的風區分布進行適當選擇；尤其對局地微氣象區、強風（風速大于30 m/s）區等特殊區域處的新建線路，要細致調查設計；對微氣象區特征明顯，颮線風頻發地帶，應考慮最不利的氣象條件組合，設計時留有適當的裕度[3]。

b）對特殊區域輸電線路應按風區分布設計所要求的絕緣子配置進行調整，受各種條件限制不能調整的應有明確的防風偏措施，可采取縮小擋距或增加絕緣小橫擔的方式。

c）線路走向和路徑應合理選擇，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坡走線時，應采取相應防風偏措施；山區線路設計應差異化選擇，考慮常規線路和緊湊型線路相結合，不宜單獨選用緊湊型線路設計，避免給今后運行留下隱患。

4.2 技術措施

a）平行線路設計時，相鄰線路應開展風偏校核，并不得小于導線的最大弧垂；同塔多回路如果采用差絕緣配置，上風側應為絕緣子串相對較短的一側；耐張桿塔跳線串采用復合絕緣子配置時，應綜合考慮線路的防風偏性能。

b）線路設計時，應避免在面向導線側的桿塔上安裝腳釘（即使腳釘方向平行于導線），同時在懸垂線夾附近導線上也應盡量避免安裝其他突出物（如防震錘）。

c）易產生強風的微地形或特殊氣象區，不應用易發生風偏的“貓頭型”塔（導線三角排列）和各塔型的1系列塔。

d）跳線設計中要有嚴格的控制條件，施工時在滿足設計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 運行線路防范措施 [4]

a）運維中應重視微地形區、微氣象區域，為便于掌握實際氣象條件，在典型風口、頻繁發生風偏的區域可安裝風速、風向等在線監測裝置進行相應記錄。對強風多發地帶，直線塔的三相導線均應采用V型串懸掛，對直線塔懸垂絕緣子串加裝重錘，對大于10°的耐張塔外角應掛裝跳線串，必要時可加掛重錘。

b）運維單位負責對輸電線路所有桿塔進行風偏校驗，涉及復雜線段、桿塔應請設計部門協助校驗，編制風偏校驗報告，對不滿足要求的提出防風偏改造措施及落實時間，經有關部門審查后盡快實施。

c）惡劣天氣、大負荷期間應安排特巡，對線路兩側特別是擋距中央、弛度最低點與附近異物（懸崖、山坡、樹木、建筑物等）的距離進行測量，按最高氣溫情況下的最大弧垂及最大風偏進行計算，不滿足運行要求的，要及時采取措施。

d）開展強風后輸電線路連接金具隱性缺陷檢查，對發生變形、裂紋的，及時進行更換。防污閃改造更換復合絕緣子時，應先進行風偏校驗，不滿足要求的應采取加裝重錘等防風偏措施。

5 結束語

綜上所述，山西電網的風區分布適用于山西電網110～1 000 kV輸電設備的新建、擴建、改建，110 kV以下輸電設備也可參照執行。

隨著大環境和局部氣象的變化，輸電線路所處風區環境也相應變化，應注重輸電線路風偏有關資料的收集、分析，及時更新完善風區分布，進行相應的局部調整和修訂工作，確保風區與實際運行情況保持一致。