CN110135017A - 一种基于山地微地形特殊风场的输电线路风偏计算方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于山地微地形特殊风场的输电线路风偏计算方法，所述方法将山地输电线路分为沿山架设和跨山架设两种架设方式；按两种情况下不同的高度段，对获得的计算风速采用通过山地环境下的实验仿真验证过的不同的风速修正系数进行修正，获得更加贴近于实际山地环境下的风速；考虑到覆冰和山地风场效应的叠加作用，采用考证过的山地风效应和覆冰情况共同作用的覆冰重力修正系数以及覆冰体型修正系数，得到针对输电线路所在山地微地形的风偏计算方法。本发明方法适用于大部分处于典型山地微地形下的输电线路，优化风偏故障预防工作及山地输电线路设计的技术经济指标。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于山地微地形特殊风场的输电线路风偏计算方法，属电力输电线技术领域。
背景技术
输电线路因其大多架设在露天场所，极易受到强风影响。在强风的影响下，输电线路结构会承受过高的风载荷，会造成杆塔倒塌、风偏闪络等事故发生，甚至会导致整个输电系统的崩塌，威胁到电网的安全和用户供电的可靠性。
因地理原因的限制，许多输电线路难免要经过复杂的山地地形，传统的输电线路防风偏设计中风偏角的计算并没有考虑到复杂山地地形对风速的影响以及风速的脉动特性，而随着经济技术的发展和电网规模的不断扩大，传统的风偏角计算逐渐难以适应现在复杂的输电环境，使得事故的发生呈现出愈演愈烈的趋势。因此，有必要针对复杂的山地地形的风场特性及对线路的影响进行实验评估，进而提出一种针对山地微地形的输电线路风偏角计算方法，提高输电线路设计的科学性。
在传统输电线路的设计中，一般采用如下传统的风偏计算公式对输电线路的风偏进行计算：
或
其中，为设计所需要求得的风偏角，PI为悬垂绝缘子串风压，GI为悬垂绝缘子串重力，P为导线的风荷载，W1为导线自重力；lH(杆塔水平档距)，lv(杆塔垂直档距)，α(塔位高差系数)，T(导线张力)。
上式中，悬垂绝缘子串重力(GI)和导线自重力(W1)只需要按单纯的称量或者相应的标准取用即可，而传统的绝缘子串风压(PI)与传统的导线风荷载(P)则分别有如下计算公式：
式中，V为风速，AI为绝缘子串受风面积。
P＝0.625αμscβc(d+2δ)lHv2sin2θ×10-3 (4)
式中，α为电线风压不均匀系数，μsc为电线体型系数，βc为风载荷调整系数，v为风速，d为电线外径，δ为电线覆冰厚度(无覆冰时为0)，lH为杆塔水平档距，θ为风向与电线轴向间的夹角。
不难看出，绝缘子串风压(PI)与导线风荷载(P)的计算与风速和其体型有关。
发明内容
本发明的目的，就是针对山地地形下特有的风速及覆冰情况，采用经仿真实验得到的一系列风速和重力修正系数，对实际计算的导线和绝缘子的自重和风压及风载荷进行修正，提高山地地区输电线路对风偏故障的安全性；为实现该目的，提出一种基于山地微地形特殊风场的输电线路风偏计算方法。
本发明实现的技术方案如下，一种基于山地微地形特殊风场的输电线路风偏计算方法，所述方法将山地输电线路按沿山架设和跨山架设两种情况下不同的高度段，对获得的计算风速采用通过山地环境下的实验仿真验证过的不同的风速修正系数进行修正，获得实际山地环境下的风速；采用考证过的山地风效应和覆冰情况共同作用的覆冰重力修正系数以及覆冰体型修正系数，对输电线路所在山地微地形的风偏进行计算。
一种基于山地微地形特殊风场的输电线路风偏计算方法，包括如下步骤：
(1)收集整理输电线路风偏计算所需基本数据及线路所在地的气象资料。
(2)根据输电线路现场情况确定输电线路架设方式。
(3)沿山架设情况下，根据气象资料判断输电线路所在位置为迎风坡或背风坡情况，按据地面高度划分不同的高度段；跨山架设情况下，根据对不同峡谷宽度下的仿真实验结果先划分出峡谷的宽度段再根据不同的峡谷宽度段划分不同的高度段。
(4)结合气象资料判定输电线路所在区域是否有覆冰的可能性；如有覆冰，结合气象资料判定输电线路覆冰的重量和形状，并得出输电线路覆冰相应的修正系数。
(5)结合仿真结果和风洞试验结果的分析，得出的各个参数对相应变量进行修正并计算风偏角。
所述风速修正系数为：
式中，p为实验仿真中求得的风速修正系数，具体表现为沿山架设的风速修正系数和跨山架设的风速狭管修正系数；Ve是某高度仿真实验得到的山地环境下山体附近的水平风速，Vc则是同高度下仿真实验中来流的风速，k为保证系数。
所述覆冰重力修正系数为：
式中，qI为覆冰情况下的覆冰重力修正系数，M为单位长度导线自重或悬垂绝缘子自重，MI为单位长度导线上覆盖的冰自重或覆盖在悬垂绝缘子上的冰自重，k为保证系数。
在不同的风速下输电线路覆冰可能有不同的形状，也会影响覆冰的重量，这里采用最大的覆冰重量情况下的冰自重。
风速爬坡/下坡效应则根据实验仿真得到的不同架设方式下不同山体高度中不同高度的修正风速在山体表面的竖直分量直接在计算公式中进行修正即可。
所述覆冰体型修正系数为：
式中，k为保证系数，Pie为一定截面积下的各截面覆冰形状的导线风荷载，Pi为该截面积下圆形截面覆冰形状的导线风荷载(原计算得到的覆冰情况下的风荷载)。
在山地输电线路为沿山架设情况下，所述计算风速修正的步骤如下：
(a)在输电线路为沿山架设方式下，采用相应高度段下的系数进行修正，水平方向上的风速修正方法为：
Vd＝pyVzcosθ
式中，Vd为修正后的输电线路在某高度下的水平风速分量；py则为沿山架设情况下的风速修正系数；θ为输电线路所在山体与水平方向的夹角；Vz为传统计算方法计算时得到的某一高度z下的风速：
式中，V0是在参考高度z0处的水平风速；α为地面粗糙度指数，在山地地形下为B类地貌，取0.15。
(b)在输电线路为沿山架设的情况下，还有竖直方向上的风速爬坡/下坡效应，具体修正方法为：
Vs＝pyVzsinθ
式中，Vs为沿山架设情况下修正后的输电线路在某高度段下的竖直风速分量；Vz为传统计算方法计算时得到的一定高度下的计算用风速；py则为沿山架设情况下的风速修正系数；θ为输电线路所在山体与水平方向的夹角。
(c)单位长度导线或悬垂绝缘子串所受的竖直方向风压P1，即：
P1＝S0P0
修正后的导线或绝缘子串重力为：
Ge＝G±P1
式中，Ge为修正后的绝缘子/导线自重力，当输电线路处于迎风坡时计算取减号，处于背风坡时计算取加号；G为原计算采用的导线/绝缘子串自重；P1为为单位长度导线或悬垂绝缘子串所受的竖直方向风压；其中，
P0为所得的竖直方向上的单位面积风压；ρ为空气密度；v为不同架设方式下不同高度的风速在山体表面的竖直分量；
修正后的绝缘子串重力代入到风偏计算公式的GI处；导线自重代入到传统的风偏计算公式(1)或(2)的W1处；与步骤(a)中所述水平方向上的风速修正一起，完成对沿山架设山地输电线路修正后的风偏计算。
(d)覆冰和爬坡/下坡共同作用下的导线自重为：
Gei＝qIG±P1
式中，Gei为覆冰和爬坡/下坡共同作用下的导线自重，G为原计算采用的导线自重，P1为单位长度导线或悬垂绝缘子串所受的竖直方向风压，qI为根据实际输电线路的记录分析计算所得的覆冰重力修正系数；
按修正后考虑覆冰情况的沿山架设输电线路导线自重Gei可代入到传统的风偏计算公式(1)或(2)的W1处，完成对考虑覆冰情况下山地地形下沿山布置情况导线自重的修正。
(e)对输电线路导线风载荷进行修正，即：
式中，P′为最终得到的考虑可能导线覆冰体型对导线风荷载影响的沿山架设山地输电线路导线风载荷；P是导线的风载荷；s为某种覆冰截面形状的覆冰体型修正系数，Vd是按沿山架设情况下修正过的近山体的水平方向风速分量；α为电线风压不均匀系数；μsc为电线体型系数；βc为风载荷调整系数；v为不同架设方式下不同高度的风速在山体表面的竖直分量；d为电线外径；δ为电线覆冰厚度(无覆冰时为0)；lH为杆塔水平档距；θ为风向与电线轴向间的夹角。
将修正后得到的参数代入到传统的风偏计算公式中完成风偏计算，达到考虑覆冰效果的对实际沿山架设山地输电线路的风偏计算。
所述在沿山架设的情况下，会有因山地环境带来的上升气流或下沉气流问题，可以依据沿山架设情况下的风速修正系数对导线和绝缘子的重力情况进行修正。
在山地输电线路为跨山架设情况下，所述计算风速修正的步骤如下：
(a)跨山架设情况下，来流受两侧山体的狭管效应影响并没有改变风向，所以只需直接对风速进行修正即可，即：
Vt＝pkVz
式中，Vt为跨山架设情况时某峡谷宽度下修正后的输电线路在某高度的风速；Vz为传统计算方法计算时得到的一定高度下的计算用风速；pk则为跨山架设情况时某峡谷宽度下的风速狭管修正系数。
修正后的Vt可直接代入于传统的绝缘子串风压公式(3)和传统的导线风载荷公式(4)中对应v的位置进行计算，完成对跨山架设情况时某峡谷宽度下输电线路在某高度的风偏计算修正。
(b)如果有严寒天气或者有过线路覆冰记录，在上面进行修正的基础下，还要进行导线覆冰修正；在跨山架设情况下覆冰导线自重为：
Gti＝qIG
式中，Gti为覆冰条件下的导线自重；G为原计算采用的导线自重；qI为根据实际输电线路的记录分析计算所得的覆冰重力修正系数；
修正后考虑覆冰情况的跨山架设输电线路导线自重Gti可代入到传统的风偏计算公式(1)或(2)的W1处，完成对考虑覆冰情况下山地地形下沿山布置情况导线自重的修正。
(c)根据输电线路所在峡谷输电线路导线覆冰形状的记录，采用本发明中求得的相应覆冰截面类型的输电导线的覆冰体型修正系数s，在对导线风载荷公式基础上，对输电线路导线风载荷进行修正，即：
式中，s为某种覆冰截面形状的覆冰体型修正系数；Vt是按跨山架设情况下修正过风速；μsc为电线体型系数；βc为风载荷调整系数；lH为杆塔水平档距，θ为风向与电线轴向间的夹角；P′t为最终得到的考虑可能导线覆冰体型对导线风荷载影响的跨山架设山地输电线路导线风载荷。
将修正后得到的此参数代入到传统的风偏计算公式中完成风偏计算，对实际跨山架设山地输电线路的风偏计算。
所述跨山架设的情况下，将先确定峡谷的宽度来决定狭管效应的效果，并按此效果的变化情况来划分出不同的峡谷宽度段，以不同的峡谷宽度段进行实验仿真，并按照实验仿真的结果采用该峡谷宽度下的风速狭管修正系数对计算风速进行修正。
所述山地环境下的实验仿真方法如下：
按照典型的山体建立按比例缩小的模型，将稳定的、模拟一个地区的最大风速施加在已经建立好的山体模型上；针对沿山架设的输电线路架设方式，风向将会垂直于山体一侧，仿真软件按照程序计算出山体上的水平风速分布，风洞试验通过放置在山体模型附近的风速传感器来确定，所有结果包含山体的迎风坡和背风坡；因同高度下迎风坡与背风坡的风速分布截然不同，需要先区分出迎风坡和背风坡情形，再依照该分布与施加的风速，绘制水平方向上的风速加速比曲线；仿真实验建立100米-300米高度下的数个山体模型进行并求取该山体下迎风坡和背风坡情况下各高度的风速加速比曲线；依据这些曲线来将输电线路架设的高度进行分段；按曲线规律分段，在区分为迎风坡或背风坡情形下为绝对高度或者相对于山体高度的百分数，并确定在迎风坡或背风坡情形下相应高度分段下的风速加速比，也就是针对沿山架设情况下的风速修正系数。
在跨山架设的情况下，建立两个与沿山架设情况相同的山体模型并列，制造出一个固定宽度的峡谷，峡谷情况下由于风向与沿山架设不同，只需获取山体峡谷一侧数据，不需要不接触峡谷侧山体数据；按照所得曲线先将峡谷宽度进行分段，再对在不同峡谷宽度段情况下的山体高度进行分段，实际应用中两侧山体高度不一致时取较低山体高度，高度分段各个峡谷宽度并不一定统一，且高度分段可能为绝对高度或者相对于山体高度的百分数；再确定该情况下的风速加速比，即风速狭管修正系数。
覆冰情况下，覆在导线和绝缘子上的冰重量一般都会有相应的规范或者实地的数据进行取用，直接确定覆冰情况下的覆冰重力修正系数；往往在风速较大区域，覆冰气象下受到较大风速的影响，覆盖在导线上的冰层的截面形状并非传统计算时的圆形，而这种截面积的覆冰会影响导线的受风面积，进而影响导线的风载荷；仿真搜集所有主要的导线覆冰截面形状，包括D型，新月型，进行建模；并将传统的圆形截面建模，将风场施加在建立的模型上，将得到的各个截面形状的风载荷与圆截面形状的风载荷进行比较，从而得到各种导线覆冰面积下的导线覆冰体型修正系数。
本发明的有益效果是，本发明对山地输电线路架设情况、所处位置和气象情况进行了细致划分，解决了大部分输电线路在山地架设所遇到的情况，从而提高了输电线路设计时对风偏故障预防工作的科学性和有效性，保障了输电线路在山地环境下的正常运行。
本发明方法适用于大部分处于典型山地微地形下的输电线路，优化风偏故障预防工作及山地输电线路设计的技术经济指标。
附图说明
图1为山地条件下输电线路风偏角计算流程图；
图2为输电线路沿山架设示意图；
图3为输电线路跨山架设示意图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如图1所示的山地条件下输电线路风偏角计算流程，该流程适用于大部分山地地形下的输电线路风偏角计算。
本实施例计算山地环境下的输电线路风偏角的步骤如下：
1)收集整理输电线路风偏所需基本数据(包含杆塔高差、导线重力、悬垂绝缘子串相关数据等)及线路所在地的地理气象数据(包括附近气象记录点记录的平均历年最大风速)。
2)跟据线路走向等输电线路所在地的现场情况来确认输电线路在该山地的架设方式为沿山架设还是为跨山架设。
3)在沿山架设的情况下，根据已有气象资料确定输电线路处于迎风坡还是背风坡，如果因为风向的变化性两种情况都有则按影响最大的迎风坡计算。
4)在沿山架设的情况下按山体据地面高度划分不同的高度段，跨山架设的情况下根据对不同峡谷宽度下的仿真实验结果先划分出峡谷的宽度段(指一定范围内的峡谷宽度，只指输电线路所在峡谷的宽度，而非输电线路在峡谷中的位置)再根据不同的峡谷宽度段划分不同的高度段(此高度为跨越峡谷的那段输电线路所在高度)。并依据仿真结果(结合风洞试验结果)引入相应的横向风速修正系数及爬坡/下坡修正系数(沿山架设)或风速狭管修正系数(跨山架设)。
5)按照已有的气象资料确定输电线路所在地区是否存在覆冰现象，如果有，则在已有数据上引入覆冰导线重力修正系数和覆冰导线体型修正系数(按风向看可能不为圆形覆冰截面)。
6)将引入的系数加入到原风偏计算公式的相应数据中对原公式进行修正后计算输电线路的风偏角。
山地环境下的风场较平坦地形下更为复杂，平坦地形下的风速在遇到山地地形时，会因为与山地地形相遇而在局部产生加速效应，使得山地地形下的风速较同海拔下风速更大，同时由于地形抬升的影响，沿山上升的气流还会对导线产生向上的托力，使得风偏现象更容易发生。同时在相近的两山之间的峡谷中，纵向而来的强风会因为两山的作用产生狭管效应，使得两山贴近峡谷的部分和峡谷中一部分平地的风获得更大的速度，影响输电线路的实际风偏。针对这种情况，会依据输电线路在山地环境下的走向可以划分为沿山架设和跨山架设两种情况。如图2所示为输电线路沿山架设示意图，输电线路可以架设在包括山顶至山脚的任何高度内，来流方向取实际来流方向在图中来流方向的分量，山体形状包括但不限于图中的余弦型山体；实际输电线路风偏计算中如果有类似架设情况可将本发明的沿山架设风偏角计算方法作为参考。沿山架设是输电线路沿着山体走势架设，架设位置位于山脚至山顶(或山脊)的某一位置，风来流方向为横向垂直于山体方向(此方向的风对输电线路风偏影响最大，若其他方向来风则只需计算横向的风速分量即可)。
如图3所示为输电线路跨山架设示意图，跨山架设是输电线路横向垂直于山体架设，并跨过该山体与相邻山体的峡谷相连的那段输电线路，风来流方向与山体走势一致(有其他方向来风与沿山架设方式同理处理)。输电线路可以架设峡谷两侧山体包括山顶至山脚的任何高度内，来流方向取实际来流方向在图中来流方向的分量，山体形状包括但不限于图中的余弦型山体；实际输电线路风偏计算中如果有类似架设情况可将本发明的跨山架设风偏角计算方法作为参考。
以我国某省输电线路的统计数据为例，某省绝大部分杆塔都分布在高度低于300米的地区中，且所有杆塔的平均高度大约在100米至150米之间。同时根据以往的实验仿真以及实地测量，100米至300米高度下各高度山体对风的作用变化不大，可以采用统一的系数对计算公式进行修正。
本实施例所提出的风偏角计算方法适用于高度在100米至300米山地的输电线路，即大部分山地输电线路。
在划分架设情况后，按照线路所在的海拔高度划分为不同的高度段，按照两种情况下不同的高度段对前一步获得的计算风速，采用通过实验仿真验证过的不同的风速修正系数进行修正，获得更加贴近于实际山地环境下的风速。
在沿山架设的情况下，会有因山地环境带来的上升气流或下沉气流问题，可以依据沿山架设情况下的风速修正系数对导线和绝缘子的重力情况进行修正。
在跨山架设情况下，将先确定峡谷的宽度来决定狭管效应的效果，并按此效果的变化情况来划分出不同的峡谷宽度段，以不同的峡谷宽度段进行实验仿真，并按照实验仿真的结果采用该峡谷宽度下的风速狭管修正系数对计算风速进行修正。
部分输电线路所在的区域可能会有高寒气象出现使得输电线路有覆冰的可能性，而山地的特殊情况可能放大覆冰造成的影响。参考输电线路所在的山地地区的气象信息后若有输电线路线路覆冰的可能时，要考虑到覆冰和山地风场效应的叠加作用，在强风情况下，导线覆冰除了使导线重量增加，还会由于风的作用使覆冰导线的形状不再为原导线的圆形，从而加大导线的风载荷。因此在有高寒山地的情况下，应采用考证过的山地风效应和覆冰情况共同作用的覆冰重力修正系数以及覆冰体型修正系数。综合以上步骤，最终可以得到针对输电线路所在山地地形的风偏角计算方法。
本实施例针对山地环境下的实验仿真方法如下：
按照最普遍的典型的山体建立模型(按比例缩小)，并将稳定风(模拟一个地区的最大风速)施加在已经建立好的山体模型上。针对沿山架设的输电线路架设方式，风向将会垂直于山体一侧，仿真软件会按照程序计算出山体上的水平风速分布(风洞试验将通过放置在山体模型附近的风速传感器来确定，所有结果包含山体的迎风坡和背风坡)，因同高度下迎风坡与背风坡的风速分布截然不同，需要先区分出迎风坡和背风坡情形，再依照该分布与施加的风速，绘制水平方向上的风速加速比曲线。仿真实验将会建立100米-300米高度下的数个山体模型进行并求取该山体下迎风坡和背风坡情况下各高度的风速加速比曲线，依据这些曲线来将输电线路架设的高度进行分段(按曲线规律分段，在区分为迎风坡或背风坡情形下可能为绝对高度或者相对于山体高度的百分数)，并确定在迎风坡或背风坡情形下相应高度分段下的风速加速比，也就是本实施例针对沿山架设情况下的风速修正系数。
在跨山架设的情况下，将会建立两个与沿山架设情况相同的山体模型并列，制造出一个固定宽度的峡谷，仿真实验将会使用不同高度(100米-300米)的山体并取用不同的峡谷宽度进行，取得在不同山体下不同的峡谷宽度和高度的风速加速比曲线(峡谷情况下由于风向与沿山架设不同，只需获取山体峡谷一侧数据，不需要不接触峡谷侧山体数据)，按照所得曲线先将峡谷宽度进行分段(指一定范围内的峡谷宽度，只指输电线路所在峡谷的宽度，而非输电线路在峡谷中的位置)，再对在不同峡谷宽度段情况下的山体高度进行分段(实际应用中两侧山体高度不一致时取较低山体高度，高度分段各个峡谷宽度并不一定统一，且高度分段可能为绝对高度或者相对于山体高度的百分数)，再确定该情况下的风速加速比，即风速狭管修正系数。
对于以上风速修正系数的确定，是按照风速加速比数值相近的高度或宽度划分，再将这一段内的风速加速比统一为一个数值确定而来，具有一定的精确性。
覆冰情况下覆在导线和绝缘子上的冰重量一般都会有相应的规范或者实地的数据进行取用，可以直接确定覆冰情况下的覆冰重力修正系数。往往在风速较大区域，覆冰气象下受到较大风速的影响，覆盖在导线上的冰层的截面形状并非传统计算时的圆形，而这种截面积的覆冰会影响导线的受风面积，进而影响导线的风载荷。因此，仿真将会搜集所有主要的导线覆冰截面形状(D型，新月型等)进行建模，并将传统的圆形截面建模，将风场施加在建立的模型上，将得到的各个截面形状的风载荷与圆截面形状的风载荷进行比较，从而得到各种导线覆冰面积下的导线覆冰体型修正系数。
本实施例中，所有风速修正系数(包含狭管修正系数)都经由实验仿真所得在相应高度下山地区域表面风速与该高度下来流风速的比值乘以一个保证系数求得(适当放大山地条件下对风速的放大效果来保证实际运用中供电的安全性，减少故障的发生)，见下式：
式中，p为实验仿真中求得的风速修正系数，具体表现为沿山架设的风速修正系数和跨山架设的风速狭管修正系数。Ve是某高度仿真实验得到的山地环境下山体附近的水平风速，Vc则是同高度下仿真实验中来流的风速，k为保证系数。在不同的高度和不同的架设情况下都将得到不同的p值，本实施例中将会按不同的架设方式，将这些不同高度下的p值进行归纳，划分为部分统一的p值来对应不同的高度分段，制作为表格便于应用到实际的设计中，考虑到实际中风的大小方向的不确定性，应采用垂直于输电线路方向的最大风速分量进行计算。
在本实施例中，也有对输电线路在山地区域中所受到的垂直方向的力作用，具体表现为风速爬坡/下坡效应及覆冰状态下的覆冰重力修正系数。在覆冰状态下根据实际输电线路的记录分析所得的围绕导线的覆冰质量与导线相加和原导线自重的比值乘以一个保证系数(理由同风速修正系数)得到覆冰重力修正系数，即：
式中，qI为覆冰情况下的覆冰重力修正系数，M为单位长度导线自重或悬垂绝缘子自重，MI为单位长度导线上覆盖的冰自重或覆盖在悬垂绝缘子上的冰自重，k为保证系数。在不同的风速下输电线路覆冰可能有不同的形状，也会影响覆冰的重量，这里采用最大的覆冰重量情况下的冰自重。
而风速爬坡/下坡效应则根据实验仿真得到的不同架设方式下不同山体高度中不同高度的修正风速在山体表面的竖直分量直接在计算公式中进行修正即可。
此外，在寒冷天气时，由于山地地形的影响产生风速加速作用，较大的风速使得导线覆冰的形状会变得更加不规则，呈现出类似于新月型等形状，除了增大导线自重外，还会使导线的受风面积发生改变，对导线的风载荷产生一定的影响，本实施例中具体表现为覆冰体型系数。在实际设计中，为了求得输电线路覆冰的厚度δ,会以实际测量覆冰的形状的面积作为覆冰的截面积(覆冰形状认定为圆形)，并换算出相应的等效厚度作为输电线路覆冰的厚度δ来进行导线风荷载计算，与实际中覆冰产生的效果有所出入。为修正偏差，本实施例将所有覆冰形状下的导线与于其相同截面积下的圆形截面覆冰形状的风荷载进行仿真，得到输电导线的覆冰体型修正系数s(按不同导线覆冰截面会有一组或多组系数)，即：
式中k为保证系数，Pie为一定截面积下的各截面覆冰形状的导线风荷载(D型，新月型等，不同的覆冰形状下Pie不同，再实验仿真得出的结果中会分别列出以备根据不同情况取用)，Pi为该截面积下圆形截面覆冰形状的导线风荷载(原计算得到的覆冰情况下的风荷载)。
本实施例在实际使用中，根据实际输电线路所在山地情况，先判断输电线路为沿山架设还是跨山架设方式，然后按以下方法进行修正：
本实施例主要对风偏计算公式中的风偏角φ、悬垂绝缘子风串压P1、悬垂绝缘子串重力G1、导线的风载荷P、导线的自重力W1进行修正。
传统的风偏计算采用的一定高度下的风速计算方法如下：
式中Vz是在高度Z处的水平风速，V0是在高度Z0处的水平风速，α为地面粗糙度指数，在山地地形下为B类地貌，取0.15。
在沿山架设方式下，本实施例按照输电线路所在地与当地的气象信息分析输电线路所在地为迎风坡还是背风坡，以及输电线路所处地的山体高度，以及输电线路所在该山体的哪个高度段(风速修正系数在迎风坡和背风坡情况下划分的高度段可能不一致，确定系数相对应的高度段即可)，并采用相应高度段下的系数进行修正，水平方向上的风速修正方法为：
Vd＝pyVzcosθ
其中Vd为修正后的输电线路在某高度段下的水平风速分量，Vz为传统计算方法计算时得到的一定高度下的计算用风速，py则为沿山架设情况下的风速修正系数，θ为输电线路所在山体与水平方向的夹角。修正后的Vd可直接代入于传统的绝缘子串风压计算公式(3)和传统的导线风载荷计算公式(4)中对应v的位置进行计算。
在沿山架设的情况下，还会有竖直方向上的风速爬坡/下坡效应。具体修正方法为：
根据本实施例中对水平方向上的风速修正情况，可以得到山地地形下输电线路在山体某高度段下竖直方向下的风速分量：
Vs＝pyVz sinθ
式中Vs为沿山架设情况下修正后的输电线路在某高度段下的竖直风速分量，Vz为传统计算方法计算时得到的一定高度下的计算用风速，py则为沿山架设情况下的风速修正系数，θ为输电线路所在山体与水平方向的夹角。
根据理论风压公式：
其中P0为所得的竖直方向上的单位面积风压，ρ为空气密度，v为不同架设方式下不同高度的风速在山体表面的竖直分量。将得到的Vs带入到上式v的位置，得到竖直方向上的单位面积风压P0，再将P0乘以单位长度导线的面积或悬垂绝缘子串受风面积S0(绝缘子串和导线的水平截面，参考相应的规范或具体的技术参数文件可直接获得)得到的单位长度导线或悬垂绝缘子串所受的竖直方向风压P1，即：
P1＝S0P0
修正后的导线或绝缘子串的重力为：
Ge＝G±P1
Ge即为按本实施例修正后的绝缘子/导线自重力，当输电线路处于迎风坡时计算取减号，处于背风坡时计算取加号，G为原计算采用的导线/绝缘子串自重。修正后的绝缘子串重力代入到传统的风偏计算公式(1)、(2)式的GI处，导线自重代入到传统的风偏计算公式(1)、(2)式的W1处，与上文水平方向上的风速修正一起，完成对沿山架设山地输电线路(无覆冰情况)修正后的风偏计算。
根据输电线线路所在地的气象信息或其他附近输电线路的情况记录，如果有严寒天气或者有过线路覆冰记录，在按照上文进行修正的基础下，还要进行导线覆冰修正(无覆冰情况或极寒天气则不需覆冰修正，按上文修正方法计算即可)。在沿山架设的风速爬坡/下坡效应修正的基础上，要再加上导线上覆盖的冰层重量，在覆冰和爬坡/下坡共同作用下的导线自重为：
Gei＝qIG±P1
式中Gei为覆冰和爬坡/下坡共同作用下的导线自重，G为原计算采用的导线自重，P1为单位长度导线或悬垂绝缘子串所受的竖直方向风压，qI为根据实际输电线路的记录分析计算所得的覆冰重力修正系数。按此方法修正后的考虑覆冰情况的沿山架设输电线路导线自重Gei可代入到传统的风偏计算公式(1)、(2)式的W1处，完成对考虑覆冰情况下山地地形下沿山布置情况导线自重的修正。
同时，根据输电线路所在地附近输电线路导线覆冰形状的记录(如果没有可以参考类似风速强风且有极寒地区输电线路覆冰形状的记录)，根据这些记录采用本发明中求得的相应覆冰截面类型的输电导线的覆冰体型修正系数s，在导线风载荷计算公式(4)式的基础上(在完成了上文中对风速v的修正后)，对输电线路导线风载荷进行修正，即：
s为某种覆冰截面形状的覆冰体型修正系数，Vd是按沿山架设情况下修正过的近山体的水平方向风速分量，其他参数和传统的导线风载荷计算公式(4)式相同，P′为最终得到的考虑可能导线覆冰体型对导线风荷载影响的沿山架设山地输电线路导线风载荷，将修正后得到的此参数代入到传统的风偏计算公式(1)、(2)中完成风偏计算，达到考虑覆冰效果的对实际沿山架设山地输电线路的风偏计算。
跨山架设的情况下，先根据输电线路所在的峡谷地区实际峡谷宽度决定输电线路所在地峡谷属于本实施例中的哪个峡谷宽度分段中，再按照输电线路所处在的两侧山体的高度位置决定输电线路属于本实施例中跨山架设的哪个高度分段中，跨山架设情况下本实施例中来流受两侧山体的狭管效应影响并没有改变风向，所以只需直接对风速进行修正即可(也没有爬坡/下坡效应)，即：
Vt＝pkVz
式中Vt为跨山架设情况时某峡谷宽度下修正后的输电线路在某高度的风速，Vz为传统计算方法计算时得到的一定高度下的计算用风速，pk则为跨山架设情况时某峡谷宽度下的风速狭管修正系数，修正后的Vt可直接代入于传统的绝缘子串风压计算公式(3)和传统的导线风载荷计算公式(4)中对应v的位置进行计算，完成对跨山架设情况时某峡谷宽度下输电线路在某高度的风偏计算修正(无覆冰情况下)。
根据峡谷所在地的气象信息或其他附近输电线路的情况记录，如果有严寒天气或者有过线路覆冰记录，在按照上面进行修正的基础下，还要进行导线覆冰修正。
在跨山架设情况下覆冰导线自重为：
Gti＝qIG
式中Gti为覆冰条件下的导线自重，G为原计算采用的导线自重，qI为根据实际输电线路的记录分析计算所得的覆冰重力修正系数。按此方法修正后的考虑覆冰情况的跨山架设输电线路导线自重Gti可代入到传统的风偏计算公式(1)、(2)式的W1处，完成对考虑覆冰情况下山地地形下沿山布置情况导线自重的修正。
同时，根据输电线路所在峡谷附近输电线路导线覆冰形状的记录(如果没有可以参考类似风速强风且有极寒地区输电线路覆冰形状的记录)，根据这些记录采用本发明中求得的相应覆冰截面类型的输电导线的覆冰体型修正系数s，在传统的导线风载荷计算公式(4)式的基础上(在完成了对风速v的修正后)，对输电线路导线风载荷进行修正，即：
s为某种覆冰截面形状的覆冰体型修正系数，Vt是按跨山架设情况下修正过风速，其他参数和传统的导线风载荷计算公式(4)式相同，P′t为最终得到的考虑可能导线覆冰体型对导线风荷载影响的跨山架设山地输电线路导线风载荷，将修正后得到的此参数代入到传统的风偏计算公式(1)、(2)中完成风偏计算，实现考虑覆冰效果的对实际跨山架设山地输电线路的风偏计算。
Claims (10)
1.一种基于山地微地形特殊风场的输电线路风偏计算方法，其特征在于，所述方法将山地输电线路按沿山架设和跨山架设两种情况下不同的高度段，对获得的计算风速采用通过山地环境下的实验仿真验证过的不同的风速修正系数进行修正，获得实际山地环境下的风速；采用考证过的山地风效应和覆冰情况共同作用的覆冰重力修正系数以及覆冰体型修正系数，对输电线路所在山地微地形的风偏进行计算。
2.根据权利要求1所述的一种基于山地微地形特殊风场的输电线路风偏计算方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)收集整理输电线路风偏计算所需基本数据及线路所在地的气象资料；
(2)根据输电线路现场情况确定输电线路架设方式；
(3)沿山架设情况下，根据气象资料判断输电线路所在位置为迎风坡或背风坡情况，按据地面高度划分不同的高度段；跨山架设情况下，根据对不同峡谷宽度下的仿真实验结果先划分出峡谷的宽度段再根据不同的峡谷宽度段划分不同的高度段；
(4)结合气象资料判定输电线路所在区域是否有覆冰的可能性；如有覆冰，结合气象资料判定输电线路覆冰的重量和形状，并得出输电线路覆冰相应的修正系数；
(5)结合仿真结果和风洞试验结果的分析，得出的各个参数对相应变量进行修正并计算风偏角。
3.根据权利要求1所述的一种基于山地微地形特殊风场的输电线路风偏计算方法，其特征在于，所述风速修正系数为：
式中，p为实验仿真中求得的风速修正系数；Ve是某高度仿真实验得到的山地环境下山体的水平风速，Vc则是同高度下仿真实验中来流的风速，k为保证系数。
4.根据权利要求1所述的一种基于山地微地形特殊风场的输电线路风偏计算方法，其特征在于，所述覆冰重力修正系数为：
式中，qI为覆冰情况下的覆冰重力修正系数，M为单位长度导线自重或悬垂绝缘子自重，MI为单位长度导线上覆盖的冰自重或覆盖在悬垂绝缘子上的冰自重，k为保证系数。
5.根据权利要求1所述的一种基于山地微地形特殊风场的输电线路风偏计算方法，其特征在于，所述覆冰体型修正系数为：
式中，k为保证系数，Pie为一定截面积下的各截面覆冰形状的导线风荷载，Pi为该截面积下圆形截面覆冰形状的导线风荷载。
6.根据权利要求1所述的一种基于山地微地形特殊风场的输电线路风偏计算方法，其特征在于，在山地输电线路为沿山架设情况下，所述计算风速修正的步骤如下：
(a)在输电线路为沿山架设方式下，采用相应高度段下的系数进行修正，水平方向上的风速修正方法为：
Vd＝pyVzcosθ
式中，Vd为修正后的输电线路在某高度下的水平风速分量；py则为沿山架设情况下的风速修正系数；θ为输电线路所在山体与水平方向的夹角；Vz为传统计算方法计算时得到的某一高度z下的风速：
式中，V0是在参考高度z0处的水平风速，α为地面粗糙度指数，在山地地形下为B类地貌，取0.15；
(b)在输电线路为沿山架设的情况下，还有竖直方向上的风速爬坡/下坡效应，具体修正方法为：
Vs＝pyVzsinθ
式中，Vs为沿山架设情况下修正后的输电线路在某高度段下的竖直风速分量；
(c)单位长度导线或悬垂绝缘子串所受的竖直方向风压P1，即：
P1＝S0P0
其中，S0为悬垂绝缘子串受风面积；
修正后的导线或绝缘子串重力为：
Ge＝G±P1
式中，Ge为修正后的绝缘子/导线自重力，当输电线路处于迎风坡时计算取减号，处于背风坡时计算取加号；G为原计算采用的导线/绝缘子串自重；
式中，P0为所得的竖直方向上的单位面积风压；ρ为空气密度；v为不同架设方式下不同高度的风速在山体表面的竖直分量；
修正后的绝缘子串重力代入到传统的风偏计算公式；导线自重代入到传统的风偏计算公式；与步骤(a)中所述水平方向上的风速修正一起，完成对沿山架设山地输电线路修正后的风偏计算；
(d)覆冰和爬坡/下坡共同作用下的导线自重为：
Gei＝qIG±P1
式中，Gei为覆冰和爬坡/下坡共同作用下的导线自重，qI为根据实际输电线路的记录分析计算所得的覆冰重力修正系数；
按修正后考虑覆冰情况的沿山架设输电线路导线自重Gei代入到传统的风偏计算公式进行计算；
(e)对输电线路导线风载荷进行修正，即：
式中，P′为最终得到的考虑可能导线覆冰体型对导线风荷载影响的沿山架设山地输电线路导线风载荷；P是导线的风载荷；s为某种覆冰截面形状的覆冰体型修正系数，Vd是按沿山架设情况下修正过的近山体的水平方向风速分量；μsc为电线体型系数；βc为风载荷调整系数；d为电线外径；δ为电线覆冰厚度，无覆冰时为0；lH为杆塔水平档距。
7.根据权利要求1所述的一种基于山地微地形特殊风场的输电线路风偏计算方法，其特征在于，在山地输电线路为跨山架设情况下，所述计算风速修正的步骤如下：
(a)跨山架设情况下，直接对风速进行修正即可，即：
Vt＝pkVz
式中，Vt为跨山架设情况时某峡谷宽度下修正后的输电线路在某高度的风速；Vz为传统计算方法计算时得到的一定高度下的计算用风速；pk则为跨山架设情况时某峡谷宽度下的风速狭管修正系数；
修正后的Vt直接代入传统的绝缘子串风压公式和传统的导线风载荷公式进行计算；
(b)如果有严寒天气或者有过线路覆冰记录，在上面进行修正的基础下，还要进行导线覆冰修正；在跨山架设情况下覆冰导线自重为：
Gti＝qIG
式中，Gti为覆冰条件下的导线自重；G为原计算采用的导线自重；qI为根据实际输电线路的记录分析计算所得的覆冰重力修正系数；
修正后将覆冰情况的跨山架设输电线路导线自重Gti代入到传统的风偏计算公式进行计算；
(c)根据输电线路所在峡谷输电线路导线覆冰形状的记录，采用本发明中求得的相应覆冰截面类型的输电导线的覆冰体型修正系数s，在对导线风载荷公式基础上，对输电线路导线风载荷进行修正，即：
式中，μsc为电线体型系数；βc为风载荷调整系数；lH为杆塔水平档距，θ为风向与电线轴向间的夹角；P′t为最终得到的考虑可能导线覆冰体型对导线风荷载影响的跨山架设山地输电线路导线风载荷；
将修正后得到的参数代入到传统的风偏计算公式中完成风偏计算，对实际跨山架设山地输电线路的风偏计算。
8.根据权利要求1所述的一种基于山地微地形特殊风场的输电线路风偏计算方法，其特征在于，所述山地环境下的实验仿真方法如下：
按照典型的山体建立按比例缩小的模型，将稳定的、模拟一个地区的最大风速施加在已经建立好的山体模型上；针对沿山架设的输电线路架设方式，风向垂直于山体一侧，仿真软件按照程序计算出山体上的水平风速分布，风洞试验通过放置在山体模型附近的风速传感器来确定，所有结果包含山体的迎风坡和背风坡；先区分出迎风坡和背风坡情形，再依照该分布与施加的风速，绘制水平方向上的风速加速比曲线；仿真实验建立100米-300米高度下的数个山体模型进行并求取该山体下迎风坡和背风坡情况下各高度的风速加速比曲线；依据这些曲线来将输电线路架设的高度进行分段；按曲线规律分段，在区分为迎风坡或背风坡情形下为绝对高度或者相对于山体高度的百分数，并确定在迎风坡或背风坡情形下相应高度分段下的风速加速比；
在跨山架设的情况下，建立两个与沿山架设情况相同的山体模型并列，制造出一个固定宽度的峡谷，峡谷情况下由于风向与沿山架设不同，只需获取山体峡谷一侧数据；按照所得曲线先将峡谷宽度进行分段，再对在不同峡谷宽度段情况下的山体高度进行分段；再确定该情况下的风速加速比；
覆冰情况下，覆在导线和绝缘子上的冰重量有相应的规范或者实地的数据进行取用，直接确定覆冰情况下的覆冰重力修正系数；在风速较大区域，覆冰气象下受到风速的影响，覆盖在导线上的冰层的截面形状；仿真搜集所有导线覆冰截面形状，包括D型，新月型，进行建模；并将传统的圆形截面建模，将风场施加在建立的模型上，将得到的各个截面形状的风载荷与圆截面形状的风载荷进行比较，从而得到各种导线覆冰面积下的导线覆冰体型修正系数。
9.根据权利要求6所述的一种基于山地微地形特殊风场的输电线路风偏计算方法，其特征在于，所述在沿山架设的情况下，依据沿山架设情况下的风速修正系数对导线和绝缘子的重力情况进行修正。
10.根据权利要求7所述的一种基于山地微地形特殊风场的输电线路风偏计算方法，其特征在于，所述跨山架设的情况下，将先确定峡谷的宽度来决定狭管效应的效果，并按此效果的变化情况来划分出不同的峡谷宽度段，以不同的峡谷宽度段进行实验仿真，并按照实验仿真的结果采用该峡谷宽度下的风速狭管修正系数对计算风速进行修正。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190816 |