第三章設(shè)計用氣象條件

第三章設(shè)計用氣象條件三峽大學(xué)輸電線路研究所2015.1架空輸電線路設(shè)計一、主要的氣象參數(shù)及其對線路的影響

第一節(jié)影響線路的主要氣象參數(shù)風(fēng)覆冰氣溫氣象條件三要素3）引起架空線舞動，使架空線相間閃絡(luò)、產(chǎn)生鞭擊。1）形成風(fēng)壓，產(chǎn)生橫向荷載。使架空線的應(yīng)力增大，桿塔產(chǎn)生附加彎矩。4）引起風(fēng)偏，懸垂絕緣子串偏擺，導(dǎo)線間及與桿塔構(gòu)件間、邊坡間的空氣間距減小而發(fā)生閃絡(luò)1、主要氣象資料的搜集內(nèi)容及用途見表3-1。2、注意：①氣象資料應(yīng)選用線路附近100km以內(nèi)的氣象臺（站）的記錄。②當此范圍內(nèi)的氣象臺（站）較少時，可以擴大搜集地區(qū)范圍或向省級氣象臺搜集，并應(yīng)加強對電業(yè)、郵電、鐵路和軍事部門等非專業(yè)氣象單位的調(diào)查搜集工作，所得結(jié)果還應(yīng)交有關(guān)氣象單位鑒定。③必要時應(yīng)進行實地考查，訪問當?shù)厝罕?。④若沿線氣象臺（站）的記錄存在很大差異且線路較長（100km以上）時，應(yīng)考慮分為若干氣象區(qū)段。⑤對附近已有線路的運行經(jīng)驗，應(yīng)當給予足夠的重視。二、主要氣象資料的搜集內(nèi)容搜集內(nèi)容用途1最高氣溫計算架空線的最大弧垂，保證對地或跨越物具有一定的安全距離。2最低氣溫計算架空線可能產(chǎn)生的最大應(yīng)力，檢查架空線的上拔、懸垂絕緣子串的上揚等。3平均氣溫微風(fēng)振序號動的防振設(shè)計條件，計算內(nèi)過電壓下的電氣間距，耐張絕緣子串的倒掛等。4歷年最低氣溫月的平均氣溫計算架空線和桿塔安裝、檢修的氣象參數(shù)之一。5最高氣溫月的最高平均氣溫計算導(dǎo)線的發(fā)熱和溫升。6最大風(fēng)速及相應(yīng)月的平均氣溫考慮架空線和桿塔強度的基本條件，也用于檢查架空線、懸垂串的風(fēng)偏。7地區(qū)最多風(fēng)向及其出現(xiàn)頻率用于架空線的防振、防腐及絕緣的防污設(shè)計。8覆冰厚度架空線和桿塔強度的設(shè)計依據(jù)，計算架空線的最大弧垂，驗算不均勻覆（脫）冰時架空線的不平衡張力、上下層架空線間的接近距離等。9雨天、霧凇天、雪天的持續(xù)小時數(shù)計算電暈損失的基本數(shù)據(jù)。10平均雷電日數(shù)（或小時數(shù)）防雷設(shè)計的依據(jù)。11土壤凍結(jié)深度用于桿塔基礎(chǔ)設(shè)計。12常年洪水位及最高航行水位、相應(yīng)氣溫用于確定跨越桿塔高度，驗算交叉跨越距離。一、氣象條件的重現(xiàn)期

1.氣象條件的重現(xiàn)期：是指該氣象條件“多少年一遇”，如年最大風(fēng)速超過某一風(fēng)速vR

的強風(fēng)平均每

R年發(fā)生一次，則R

即為風(fēng)速vR的重現(xiàn)期。GB50545-2010《110～750kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》、GB50665-2011《1000kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》規(guī)定了不同電壓等級線路和大跨越的基本風(fēng)速、設(shè)計冰厚的重現(xiàn)期，見下表：電壓等級（kV）110～330500、7501000重現(xiàn)期（年）3050100第二節(jié)氣象參數(shù)值的選取一、氣象條件的重現(xiàn)期

2.基本風(fēng)速：（1）10min時距平均的年最大風(fēng)速為樣本；

（2）采用極值Ⅰ型分布作為概率模型；

（3）統(tǒng)計風(fēng)速的高度：一般線路取離地面10m，大跨越取離歷年大風(fēng)季節(jié)平均最低水位以上10m。

第二節(jié)氣象參數(shù)值的選取

3.大跨越：指跨越通航大河流、湖泊或海峽等，因檔距較大（在1000m以上）或桿塔較高（在100m以上），導(dǎo)線選型或桿塔設(shè)計需特殊考慮，且發(fā)生故障時嚴重影響航運或修復(fù)特別困難的耐張段。2.風(fēng)速的測量方法：自記10min時距；風(fēng)壓板一天觀測4次的2min平均。需要進行風(fēng)速的次時換算。3.設(shè)計高度：導(dǎo)線的平均高度。110～330kV線路一般為15m;500～750kV線路一般為20m。需要進行風(fēng)速的高度換算。4.最大設(shè)計風(fēng)速的選取步驟：①次時換算：將v2轉(zhuǎn)換成v10；②高度換算。③重現(xiàn)期計算：需要根據(jù)30年（或50年）一遇的重現(xiàn)期，經(jīng)過概率計算得到最大設(shè)計風(fēng)速值。

二、最大設(shè)計風(fēng)速的確定1.風(fēng)級的視力鑒別方法，見表3?3。0.5m/s的風(fēng)速相當于幾級風(fēng)？5、10、15、35m/s的風(fēng)速呢？風(fēng)力等級名稱相當風(fēng)速（m/s）海面物征象陸地物征象范

圍中值一般浪高（m）最高浪高（m）海岸漁船動態(tài)0無風(fēng)0～0.20.1

海面平靜。

靜、煙直立。1軟風(fēng)0.3～1.50.90.10.1

微波如魚鱗狀，沒有浪花。一般漁船正好使舵。

煙能表示風(fēng)向，但風(fēng)向標不能轉(zhuǎn)動。2輕風(fēng)1.6～3.32.50.20.3

漁船張帆時可行2～。

人面感覺有風(fēng)，樹葉有微響，風(fēng)向標能移動。3微風(fēng)3.4～5.44.40.61.0

漁船感覺簸動,可隨風(fēng)移行5～。

樹葉和微枝搖動不息，旌旗展開。4和風(fēng)5.5～7.96.71.01.5

漁船滿帆時,可使?jié)O船傾斜一方。

能吹起地面塵土和紙張，樹的小枝搖動。5勁風(fēng)8～10.79.42.02.5

漁船收帆（即收去帆之一節(jié)）。

有葉的小樹搖擺，內(nèi)陸的水面有小波。6強風(fēng)10.8～13.812.33.04.0

漁船加倍收帆,捕漁需注意風(fēng)險。

大樹枝搖動，電線呼呼有聲，舉傘困難。7疾風(fēng)13.9～17.115.54.05.5

漁船不再出港，在海者下錨。

全樹搖動，大樹枝彎下來，逆風(fēng)步行感覺不便。8大風(fēng)17.2～20.719.05.57.5

所有近海漁船都要靠港，停留不出。

可折毀樹枝，人向前行感覺阻力甚大。9烈風(fēng)20.8～24.422.67.010.0

汽船航行困難。

建筑物有小損，煙囪頂蓋和平瓦移動。10狂風(fēng)24.5～28.426.59.012.5

汽船航行頗危險。

陸上少見，見時可使樹木拔出，建筑物損壞較重。11暴風(fēng)28.5～32.630.611.516.0

汽船遇之極危險。

陸上很少，有則必有廣泛破壞。12颶風(fēng)32.7～36.934.814.0—

海浪滔天，能見度嚴重受到影響。

陸上絕少見，其摧毀力極大。（1）風(fēng)速的次時換算

欲將定時4次2min平均風(fēng)速v2換算成自記10min時距平均風(fēng)速v10，需要有兩種觀測方法的平行測量記錄，然后通過相關(guān)分析建立二者之間的回歸方程式。常用的是一元線性回歸方程(最小二乘法）：次時換算系數(shù)兩種觀測方法的第i對平行觀測記錄值分別為兩種觀測記錄的平均值兩種觀測方法的平行觀測記錄的總對數(shù)

由此得到的回歸方程，需經(jīng)過相關(guān)檢驗才能應(yīng)用。v10與v2相關(guān)系數(shù)ρ可按下面公式計算：地區(qū)AB應(yīng)用范圍華北東北西北西南四川湖北湖南廣東江蘇山東浙江0.8221.041.0040.7511.250.7320.681.030.780.8551.2627.823.202.576.1707.009.544.158.415.440.53北京、天津、河北、山西、河南、內(nèi)蒙、關(guān)中、漢中遼寧、吉林、黑龍江陜北、甘肅、寧夏、青海、新疆、西藏用于貴州、云南限于四川湖北、江西廣東、廣西、福建、臺灣上海、江蘇山東、安徽限于浙江風(fēng)速的次時換算系數(shù)

（2）風(fēng)速的重現(xiàn)期計算設(shè)年最大風(fēng)速v的概率符合極值Ⅰ型分布，即式中a—分布的尺度參數(shù)。；

b—分布的位置參數(shù)，即分布的眾值。；

μ、σ—分別為隨機變量v的均值和標準差。

由于搜集來的年最大風(fēng)速樣本是有限的，需要用有限樣本的均值和標準差s作為μ和σ的近似估計。均值和標準差s為:

重現(xiàn)期為R年，說明大于某一風(fēng)速vR

的強風(fēng)的發(fā)生概率為1/R

，則有從而

式中

—修正系數(shù)，與樣本中的年最大風(fēng)速的個數(shù)n有關(guān)，可查表3-6

。

此時，尺度參數(shù)和位置參數(shù)分別按下二式取值nc1c2nc1c21015202530354045500.94971.020571.062831.091451.112381.128471.141321.151851.160660.49520.51820.523550.530860.536220.540340.543620.546300.54853607080901002505001000∞1.174651.185361.193851.206491.206491.242921.258801.268511.282550.552080.554770.556880.558600.560020.568780.572400.574500.57722（3）風(fēng)速的高度換算1）地面粗糙度和梯度風(fēng)速在大氣邊界層內(nèi)，風(fēng)速隨離地面高度增加而增大。其變化規(guī)律主要取決于地面粗糙度。GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》將地面粗糙度等級劃分為A、B、C、D四類。A類指近海海面、海島、海岸、湖岸及沙漠等，B類指空曠田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，C類指有密集建筑群的城市市區(qū)，D類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。離地面達到一定高度時，風(fēng)速不再受地面粗糙度的影響，這一高度稱為梯度風(fēng)高度，相應(yīng)風(fēng)速稱為梯度風(fēng)速。A、B、C、D四類地面粗糙度地區(qū)的梯度高度分別為300m、350m、450m和550m。A、B、C、D四類地區(qū)的截斷高度分別為5m、10m、15m和30m，此高度以下的風(fēng)速與截斷高度處的風(fēng)速相同。2）基準風(fēng)速：標準高度10m時測得的10min年最大風(fēng)速。風(fēng)儀高度h0不同于標準高度時，需將風(fēng)儀風(fēng)速vf換算為基準風(fēng)速v0，計算公式為3）風(fēng)速的高度換算在輸電線路涉及的近地面范圍內(nèi)，風(fēng)速的高度變化基本符合指數(shù)律，高度h的風(fēng)速vh

可用下面公式計算：其中z為粗糙度指數(shù)，β為修正系數(shù)，二者與地面粗糙度等級有關(guān)。

風(fēng)速高度變化系數(shù)：

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》折算的z、列于表3?7中。

粗糙度等級ABCDz

0.120.150.220.31.13311.0000.73760.5119風(fēng)儀高度換算為標準高度的基準風(fēng)速公式，實際是B類地面粗糙度等級的風(fēng)速高度換算公式。

表3?7粗糙度指數(shù)z和修正系數(shù)β架空輸電線路的最大設(shè)計風(fēng)速，應(yīng)按基本風(fēng)速和線路的設(shè)計高度確定。線路的設(shè)計高度應(yīng)為架空線的平均高度。設(shè)計初期無具體數(shù)據(jù)時，對110kV~330kV線路，下導(dǎo)線的平均高度一般可取15m；500kV~750kV線路，下導(dǎo)線的平均高度一般可取20m；1000kV導(dǎo)線的平均高度一般可取30m；大跨越除外。其他工況的風(fēng)速，無需進行高度換算。

5．基本風(fēng)速的一般規(guī)定

110～330kV輸電線路的基本風(fēng)速，不應(yīng)低于23.5m/s。500～1000kV輸電線路的基本風(fēng)速，不應(yīng)低于27m/s。必要時還宜按稀有風(fēng)速條件進行驗算。山區(qū)輸電線路的基本風(fēng)速，宜采用統(tǒng)計分析和對比觀測等方法，由鄰近地區(qū)氣象臺站的氣象資料推算，并應(yīng)結(jié)合實際運行經(jīng)驗確定。當無可靠資料，應(yīng)比附近平原地區(qū)的統(tǒng)計值提高10%。

大跨越基本風(fēng)速：如無可靠資料，宜將附近陸上輸電線路的風(fēng)速統(tǒng)計值，換算到跨越處歷年大風(fēng)季節(jié)平均最低水位以上10m處，并增加10%，考慮水面影響再增加10%后選用。大跨越的基本風(fēng)速，不應(yīng)低于相連接的陸上輸電線路的基本風(fēng)速?！纠??2】某地區(qū)1905～1957年之間48年（中間缺5年）的20m高度自記10min年最大風(fēng)速值如表3?8所示，試求該地區(qū)設(shè)計高度15m處30年、50年重現(xiàn)期的最大設(shè)計風(fēng)速，地面粗糙度等級按B類考慮。

（2）進行重現(xiàn)期的概率計算。風(fēng)速個數(shù)為n=48，查表3?7并進行線性插值，得到修正系數(shù)C1、C2：【解】（1）計算樣本中的48個年最大風(fēng)速的均值和標準差（m/s）（m/s）分布的尺度參數(shù)a和位置參數(shù)b為（m/s）重現(xiàn)期R=30年20m高度的年最大風(fēng)速為（m/s）重現(xiàn)期R=50年20m高度的年最大風(fēng)速為（m/s）（3）進行高度換算。理應(yīng)先將20m風(fēng)儀高度處的風(fēng)速換算為10m標準高度處的基準風(fēng)速，再將基準風(fēng)速換算為15m設(shè)計高度處的風(fēng)速，但由于B類地區(qū)二者的換算公式相同，因此可直接將風(fēng)儀高度風(fēng)速換算為設(shè)計高度風(fēng)速。根據(jù)式（3?12），風(fēng)速高度變化系數(shù)為所以15m設(shè)計高度處30年、50年重現(xiàn)期的最大設(shè)計風(fēng)速分別為（m/s）

（m/s）三、覆冰厚度的選取

覆冰是一定氣象條件下架空線和絕緣子串上出現(xiàn)的冰、霜、雨淞和積雪的通稱。覆冰的形成：一般多在氣溫-10℃～0℃、風(fēng)速5～15m/s、濕度約80%以上時發(fā)生。架空線覆冰還與地形、地勢條件很有關(guān)系。平原上的突出高地、暴露的丘陵、高海拔地區(qū)以及迎風(fēng)山坡等處，覆冰情況相對比較嚴重。空氣中的“過冷卻”水滴及濕雪下落過程中碰到溫度低于0℃的架空線后，會在架空線表面凍結(jié)成冰。

理想覆冰：架空線上的實際覆冰具有不同的斷面形狀，厚度不均勻。為便于設(shè)計計算，需將實際覆冰折算成具有相同圓環(huán)形斷面、厚度均勻的理想覆冰。架空線的覆冰厚度指的就是這種理想覆冰的厚度。

1.橢圓法

首先測量實際覆冰斷面的長徑D和短徑B，如圖。以長、短徑作橢圓，將此橢圓的面積近似作為實際覆冰的斷面積，令其等于理想覆冰的斷面積，從而求出理想覆冰厚度b。

設(shè)架空線的半徑為r（無冰時），覆冰厚度為ｂ，根椐折算前后覆冰斷面積相等，有所以2．測總重法測量架空線覆冰后單位長度的總重量，減去架空線未覆冰時單位長度的重量后，令其與單位長度圓環(huán)形斷面的計算重量相等，即可算得覆冰厚度b。因為架空線的單位長度自重架空線覆冰后的單位長度總重架空線半徑所以覆冰比重，對雨淞γ=0.9

輕冰區(qū)：≤10mm。中冰區(qū)：＜20mm。重冰區(qū)：＞20mm（易取20mm、30mm、40mm、50mm）。必要時，宜按稀有覆冰條件進行驗算。除無冰區(qū)段外，大跨越設(shè)計冰厚宜較附近一般線路增厚5mm。設(shè)計地線支架時，地線的設(shè)計冰厚應(yīng)比導(dǎo)線增厚5mm。

覆冰區(qū)的分區(qū)：同一線路通過地區(qū)的覆冰情況不同時，可考慮分不同的區(qū)段，采用不同的覆冰厚度。四、氣溫的選取架空輸電線路設(shè)計用氣溫值，應(yīng)符合下面的規(guī)定：（1）最高氣溫一般為40℃，不考慮個別高于或低于該氣溫的記錄。（2）最低氣溫應(yīng)偏低地取5的倍數(shù)。例如統(tǒng)計得到的最低氣溫為-8℃時，應(yīng)取為-10℃。（3）年平均氣溫，在3～17℃之間時取與此數(shù)鄰近的5的倍數(shù)值，小于3℃或大于17℃時分別按年平均氣溫減少3℃和5℃后，再取與此數(shù)相鄰的5的倍數(shù)值。（4）基本風(fēng)速的月平均氣溫，應(yīng)偏低地取5的倍數(shù)值。一、對架空輸電線路的要求（1）在大風(fēng)、覆冰和最低氣溫下仍能正常運行。（2）在長期的運行中，架空線應(yīng)具有足夠的耐振性能。（3）在正常運行情況下，任何季節(jié)（最大風(fēng)速、最厚覆冰、最高氣溫）架空線對地、桿塔或其它物體均有足夠的安全距離。（4）在稀有氣象驗算條件下，不發(fā)生桿塔傾覆和斷線。（5）在安裝施工過程中，不發(fā)生人身、設(shè)備損壞事故。（6）在斷線事故情況下，不倒桿，事故不擴大；第三節(jié)設(shè)計用氣象條件的組合注意：（1）線路設(shè)計應(yīng)保證對輸電線路的上述要求。（2）設(shè)計時并不能將三要素出現(xiàn)的最不利情況進行簡單疊加。必須根椐經(jīng)驗在數(shù)理統(tǒng)計分析基礎(chǔ)上合理地組合設(shè)計用氣象條件。1.線路正常運行情況下（1）基本風(fēng)速：最大設(shè)計風(fēng)速，無冰，相應(yīng)的月平均氣溫。（2）最低氣溫：最低氣溫，無冰，無風(fēng)。（3）覆冰有風(fēng)（最厚覆冰）：最厚覆冰，相應(yīng)風(fēng)速，氣溫?5℃。主要用于計算架空線和桿塔的強度或剛度，校驗工作電壓下的電氣間距。該氣象組合主要用于架空線強度設(shè)計、上拔校驗。該氣象組合是架空線和桿塔強度、剛度的設(shè)計依據(jù)，也是風(fēng)偏后邊導(dǎo)線對地和凸出物電氣間距的校驗條件（4）覆冰無風(fēng)（最大垂直比載）：最厚覆冰，無風(fēng)，氣溫?5℃。（5）最高氣溫：最高氣溫，無冰，無風(fēng)。該氣象組合是對地和跨越物電氣間距的校驗條件。該氣象組合是對地和跨越物電氣間距的校驗條件，也是計算導(dǎo)線發(fā)熱的條件。二、各種氣象條件的組合（三要素）2．線路耐振計算用氣象組合線路設(shè)計中，應(yīng)保證架空線具有足夠的耐振能力。架空線的應(yīng)力越高，振動越顯嚴重，因此應(yīng)將架空線的使用應(yīng)力控制在一定的限度內(nèi)。由于線路微風(fēng)振動一年四季中經(jīng)常發(fā)生，故控制其年平均運行應(yīng)力的氣象組合為：無風(fēng)、無冰、年平均氣溫。3．雷電過電壓氣象組合（外過電壓）（1）外過有風(fēng)：溫度15℃，相應(yīng)風(fēng)速（最大設(shè)計風(fēng)速小于35m/s，取10m/s；不小于35m/s，取10m/s），無冰。該氣象組合主要用于校驗懸垂串風(fēng)偏后的電氣間距。（2）外過無風(fēng)：溫度15℃，無風(fēng)，無冰。該氣象組合主要用于驗算架空地線對檔距中央導(dǎo)線的保護。雷電過電壓是指雷電的作用在導(dǎo)線上產(chǎn)生的過電壓，也稱外過電壓。為了保證雷電活動期間線路不發(fā)生閃絡(luò)，要求塔頭尺寸應(yīng)能保證導(dǎo)線風(fēng)偏后對桿塔構(gòu)件的電氣距離，檔距中央應(yīng)保證導(dǎo)線與架空地線的間距大于規(guī)定值。15℃是雷電活動日氣溫，所以組合氣象條件為：4．操作過電壓氣象組合（內(nèi)過電壓）操作過電壓是由于大型設(shè)備和系統(tǒng)的接切在導(dǎo)線上產(chǎn)生的過電壓，也稱內(nèi)過電壓。內(nèi)過電壓氣象組合為：年均氣溫、無冰、0.5倍的最大設(shè)計風(fēng)速（不低于15m/s）。該氣象組合主要用于校驗懸垂串風(fēng)偏后的電氣間距。

5．線路斷線事故情況下的氣象組合斷線事故一般系外力所致，與氣象條件無明顯的規(guī)律聯(lián)系。計算斷線情況的目的：校驗桿塔強度，校驗絕緣子和金具強度，校驗轉(zhuǎn)動橫擔、釋放型線夾是否動作，校驗鄰檔斷線時跨越檔的電氣距離等。（1）無冰區(qū)：無風(fēng)、無冰、氣溫?5℃。有冰區(qū)：無風(fēng)、有冰、氣溫?5℃。

（2）校驗鄰檔斷線：無