架空输电线路基本风速的确定

风荷载是考虑杆塔和导线强度的基本条件。基本风速的大小决定了大风工况下架空输电线路导地线以及杆塔所承受荷裁的大小,直接影响杆塔及其基础的材料消耗量,最终影响输电线路工程造价。国家电网公司输电线路通用设计(2011年版)将基本风速进行了细分, 即有23.5、25、27、29、31、33、35m/s等7种之多(500千伏线路起点为27m/s),平均2m/s一档。这就要求设计时严格遵守有关规程、规范、准确计算进而确定架空输电线路的基本风速。

一、基本风速和最大风速

1.1、基本风速

基本风速: 又称参考风速、标准风速。空旷平坦地面或海面以上规定标准高度处的规定时距和重现期的年平均最大风速。结构物抗风设计的基准风速。可由现场实测风速资料推算或利用气象站风速观测资料进行统计分析得出。多数国家采用10m为标准高度，10min 为标准时距，重现期则依结构物及其重要性不同取为30～150年不等。根据气象台、站在当地空旷平坦地面上10m高处观测到的10min平均风速资料，通过极值分析得出的相应于规定平均重现期(30年、50年或100年)的风速基准值。

线路设计规范中对基本风速的定义：按当地空旷平坦地面上10m高度处10min时距,平均的年最大风速观测数据,经概率统计得出 30～100年一遇最大值后确定的风速。本风速重现期应符合下列规定:

1）、66kV及以下输电线路重现期应取30年。

2）、110kV~330kV输电线路重现期应取30年。

3）、750kV、500kV输电线路重现期应取50年。

4）、1000kV输电线路重现期应取100年。

统计风速样本的基准高度,统一取离地面(或水面)10m,保持与«建筑结构荷载规范»GB50009一致,可简化资料换算及便于与其他行业比较。

1.2、最大风速

最大风速:是指给定时段内的10分钟平均风速的最大值。极大风速是指给定时段内的瞬时风速的最大值。比如挑取一天最大风速就是在这一天内任意的10分钟平均值的最大者为日最大风速；一天的极大风速就在这一天内瞬时（一般是指1s）风速的最大值。说的简单点就是最大风速是个平均值，极大风速是个瞬时值。在指定的同一时段内，极大风速永远大于等于最大风速，绝大部分情况下极大风速大于最大风速。

线路设计手册中对最大风速的定义：一般送电线路的最大设计风速,应按沿线附近气象台站的最大风速统计值选取。山区送电线路的最大设计风速, 若无可靠资料时, 应按附近平原地区的统计风速值提高10%选用。确定送电线路最大设计风速时,首先应计算最大风速的统计值, 即以当地气象台、站统一观测高度下的历年连续自记10min时距平均最大风速作样本, 并宜采用极值I型分布函数作为概率统计模型。

1.3、基本风速和最大风速的折算

线路设计规范中规定：统计风速样本的基准高度,统一取离地面(或水面) 10m，110kV~330kV输电线路的基本风速不宜低于23.5m/s; 500kV~750kV输电线路的基本风速不宜低于27m/s。

手册中要求最大风速的基准高度为：

110-330kV送电线路的最大设计风速应不低于25m/s; 500kV送电线路计算导、地线荷载和张力以及杆塔荷裁时, 最大设计风速应不低于30m/s。

利用风速高度订正公式：

式中：

V10——高度为10m处的风速，m/s；

V1——Z1高度处的风速，m/s；

Z1——风速仪离地高度，m；

a——地面粗糙度系数。

地面粗糙度按B类考虑，α取0.16。

折算后对地20m高的最大设计风速的最小值不能低于30m/s,把这个风速归算到10m基准高时为26.85m/s;最大风速按10m高度换算后:110kV~330kV架空输电线路的基本风速,不应低于23. 5 m/s;500kV-750kV架空输电线路计算导、地线的张力、荷裁以及杆塔荷载时,基本风速不应低于27m/s。

二、基本风速的确定 

2.1、基本风速计算相关的参数的选取

计算关系如下图：

（1）、标准高度的规定

取10m为标准高度

（2）、 标准地貌的规定

在摩擦层内，风速主要取决于气压场及地面粗糙度，当气压场不变时，地面粗糙度直接决定着风速的大小。我国现行规范将地面粗糙度指数α 分成4类： 

标准地貌指空旷平坦地区，在具体执行时，对于城市郊区，房屋较为低矮的小城市，也作标准地貌处理。

建筑荷载规范中基本风压定义的标准地貌条件为B类。一般而言，线路工程跨度大，沿线地貌条件千变万化，在确定设计风速时，需具体分析线路沿线具体状况，按实际情况确定地面粗糙度类别，再将标准地貌的风速、风压换算至线路沿线实际情况。根据相关统计分析，以B类风速、风压为基准，由B类地貌转换为 A 类地貌的风速、风压，换算系数分别1.174、1.379；换算至C类，分别为0.785、0.616，至D类为0.564、0.318。

（3）、平均风速的时距

取平均风速时距为10分钟 （风的卓越周期约在1分钟）

（4） 、最大风速的样本

取年最大风速为统计样本，即每年以一最大风速记录值为一个样本

（5）、最大风速的重现期

设重现期为 T0 年，则 1/T0 为超过设计最大风速的概率，因此不超过该设计最大风速的概率或保证率 P0 应为：

P0=1-1/T0

我国荷载规范规定：对一般结构，重现期为 30 年，对于高层建筑和高耸结构，重现期取 50 年，对于特别重要和有特殊要求的高层建筑和高耸结构，重现期可取 100 年。重现期为 T0 年通常俗称为 T0 年一遇。采用极值Ⅰ型法进行统计。

2.2  设计风速的确定

计算线路基本风速统计值时,应将当地气象台、站连续自记10min时距平均的历年最大风速作统计样本,以极值I型分布函数作为概率统计模型.求出设计规程规定的重现期和基准高度下的风速值即为线路基本风速统计值。

（1）、时距为10min 平均的年最大风速为样本；

（2）、采用极值Ⅰ型分布作为概率模型；

（3）、统计风速的高度：一般线路取离地面10m，大跨越取离历年大风季节平均最低水位以上10 m。 

2.2.1设计风速的确定 

设计风速我们一般是根据从气象局收集的气象资料经过次时换算（将观测4次的2 min平均风速折算为10 min平均风速）、高度换算（将风速仪离地高度风速折算为离地10m高风速），还需风速重现期计算后，确定设计风速。最大设计风速的选取步骤如下：

①次时换算：将V2min转换成V10min；

②高度换算：将Vh转换成V10；

③重现期计算：需要根据30年（或50年与100年）一遇的重现期，经过概率计算得到最大设计风速值。 

（1）、基本风速高度换算

架空输电线路的最大设计风速，应按基本风速和线路的设计高度确定。线路的设计高度应为架空线的平均高度。设计初期无具体数据时， 根据《110～750kV架空输电线路设计规范》（GB50545-2010）条文说明 4.0.2条规定：对110kV~330kV线路，下导线的平均高度一般（不含大跨越）可取15m；500kV~750kV线路，下导线的平均高度一般（不含大跨越）可取20m；1000kV导线的平均高度一般（不含大跨越）可取30m。根据《110～750 kV架空输电线路设计规范》（GB 50545-2010）10.18 条，在计算中我们一般不直接将基本风速折算至下导线平均高度的风速，而且是通过标准风速与风压高度变化系数计算下导线平均高度的风速的相应荷载，小编将在后面的比载计算中计算介绍。其他工况的风速，无需进行高度换算。

根据《110  ～750 kV架空输电线路设计规范》（GB 50545-2010） 4.0.2 条规定，我们的基本风速的是取离地面10m的风速。我们从气象局收集到的风速不一定是10m高处的风速，那我们可以通过下式计算将收集到的高度风速折算至10m搞处的风速。

式中：

V10--离地面10m处的平均风速，m/s

Vh--离地面hm的处风速仪测量的平均风速，m/s

h---风速仪离地高度，h

α---地面粗糙度系数，见下表

（2）基本风速次时换算

许多气象台(站)以往多采用一天、定时观测4次的2min 平均风速,显然会漏掉不少大风风速.因此.对于定时观测风速.必须经过观测时距和次数的两重订正，即次时换算,才能将定时2min平均风速换算为连续自记10min平均风速.这种换算是根据具有定时和连续自记的平行观测资料, 而通过相关分析建立回归方程进行的。

设计风速分析计算应采用自记风仪记录的10min平均最大风速资料。当自记风仪记录的风速资料缺乏时，可采用定时2min平均最大风速资料或极大风速。定时2min平均最大风速资料或极大风速，应按下式订正到自记统计10min平均最大风速：

（3）基本风速统计值的计算

当气象站有连续25年以上的年最大风速资料时,可直接进行频率计算推求气象站设计风速, 当气象站风速资料短缺时,可选择邻近地区地形、气候条件相似,有长期风速资料的气象站进行相关分析,展延资料序列后计算设计风速。 气象站设计风速应采用 P-Ⅲ型分布或极值 I型分布进行频率计算。

根据各气象站的连续实测风速资料，通过时次换算与高度订正，采用极值Ⅰ型法进行统计，其公式如下：

2.2.2、利用《基本风压分布图》计算线路最大风速统计值

全国基本风压图

根据《建筑结构荷载规范 GB 50009-2012》中所附全国基本风压分布图（图E.6.3）。图中仅给出10年、50年和100年的风压，其他重现期R的相应值可按下式确定：

全国各城市重现期为10年、50年和100年的风压值可按《建筑结构荷载规范 GB 50009-2012》附录E.5表中查找。

算例：三十年重现期风压计算

X30=0.3 （0.45-0.3）*（ln30/ln10-1）=0.3715682(kN/m2)

再由式：

上式中的空气密度ρ随不同地区的气压、 气温、绝对温度而变化。但基本风压计算中近似地统一取 ρ=1.25kg/m3 (相当于标准大气压力为1013.3hPa、10℃时的干操空气密度)。自基本风压分布图中查知（或计算出）基本风压后,代入上式即可求出某地区的基本风速。

另外利用50年一遇基本风压计算出50年一遇基本风速后，可以对30年一遇基本风速进行粗略推算，风速比值如下：

V50/V30风速比值

重现期

V50/V30

风速比值

1.05

2.3山区调整

架空输电线路经过地区广、地形条件复杂。气流行进过程中遇局地复杂地形影响，流速在一些地方减小，而另一些地方增加。如山间盆地、谷地等闭塞地形，或因气流运动受四周地形屏障阻塞，或因进入山谷前能量消耗较大，风速较平地大为减小。而对于与大风方向一致的峡谷口、山口等束窄地区，因狭管效应风速则大为增加。线路通过山区,除一些狭谷、高峰等处受微地形影响,风速值有所增大外,对于整个山区从宏观上看,山区摩擦阻力大风速值也不一定就较平地大。对于风速风向受局部地形影响较大区域，线路设计风速的确定尚是一个难题，目前行之有效的方法是在沿线进行实地观测，与同期长期站的观测资料对比分析，建立相关关系，生成线路沿线的长期风速系列。一般说来,如无可靠资料,对于通过山区的线路,采用的设计风速,从安全的角度出发,参考«建筑结构荷载规范»GB50009的规定,按附近平地风速资料增大10%,至于山区的微地形影响,除个别大跨越为提高其安全度可考虑增大风速以外,在一般地区就不予增加。至于一般山区虽有狭管等效应,考虑到架空输电线路有档距不均匀系数的影响,因此,山区风速较平地增大了10%以后,已能反映山区的情况了。

根据线路设计规范，山区输电线路的基本风速，宜采用统计分析和对比观测等方法，由邻近地区气象台站的气象资料推算，并应结合实际运行经验确定。当无可靠资料，应比附近平原地区的统计值提高10%。而对于山谷狭窄、收缩作用使风速加速明显地区，风速调整系数则为平原地区的1.1～1.23倍。工程中应通过实地调查及现场对比观测，分析确实合理的调整系数，在不具备开展对比观测条件及无法进行大风调查的地区，则应从安全出发取较大值。

2.4基本风速的校核

（1）、根据线路沿线已有线路运行维护经验，校核基本风速；

（2）、根据线路所在地国家电网省网公司发布的《风区图》，综合分析校核基本风速。

风区分布图（30年一遇）

三、确定输电线路基本风速

架空输电线路经过地区广、地形条件复杂,在按上述要求分别计算，采用其中最大值作为计算值后,一般还部要结合当地已有线路运行经验最终确定基本风速。根据《110  ～750 kV架空输电线路设计规范》（GB 50545-2010）与《 1000 kV 架空输电线路设计规范》（GB 50665-2011）规定，110～330 kV输电线路的基本风速，不应低于23.5m/s。500 ～1000kV输电线路的基本风速，不应低于27 m/s。必要时还宜按稀有风速条件进行验算。工程设计时应根据,导线平均高度将基本风速进行换算,110kV~330kV线路(不含大跨越)下导线平均高一般取15m。500kV~750kV线路(不含大路越)下导线平均高一般取20m,其他工况的风速不需进行换算。