山西电网风区分布研究

赵亚宁，王欣伟

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原 030001）

0 引言

为防止山西电网输电线路发生大面积风偏跳闸事故，保障电网的安全运行，有必要依据大风对架空输电线路的影响研究风区分布，指导输电线路的规划、设计、施工、生产、运行和维护。结合山西省地形地貌、气象条件等因素，对各供电公司运维的架空输电线路风偏跳闸情况进行整理分析，为风偏分布研究提供可靠依据。

1 输电线路风偏跳闸情况分析

山西省近10年来共发生220 kV及以上输电线路数十次风闪，主干电网每年都有风闪跳闸或风闪事故发生，尤其是在连续恶劣的气象条件下曾发生几次连续多次的风闪跳闸。

统计表明，山西电网输电线路常见风偏故障有以下几种类型。

a）耐张塔跳线风偏。对于“干字型”铁塔，风偏故障绝大多数发生在中相跳线串，原因是“干字型”铁塔耐张中相跳线串，受线路横向正面风压时，绝缘子串对塔身风偏距离是安全的；顺线路正面或斜侧面方向受风压时，跳线对塔身风偏距离就严重不足，易导致放电跳闸。

b）直线杆塔导线对塔身或横担放电。此种情况经常发生在ZM1、LV1型铁塔，原因是它们的空气间隙较小，绝缘子在大风作用下风偏角大于30°时，空气间隙不能满足运行条件要求，引起线路跳闸，加上当时风速未变，所以重合成功的较少[1]。

c）导线对邻近物体（树木、边坡、建筑物、邻近杆塔）放电或是导地线间放电。由于处于大风区的输电线路挡距较大，在受到正面方向大风的影响下，向外舞动，造成对通道内其他物体放电，或是上下舞动造成导线、地线间放电。

2 山西地区风分布特征

地面风不仅受气压场分布的支配，而且在很大程度上受地形与地势的影响，山隘和海峡能改变气流运行的方向并使风力加大；而丘陵、山地因摩擦加大使风速减小；山顶和高原地区摩擦小风速加大。因此，风速和风向的时空分布较为复杂。

山西地区存在数量很多的风口区域，大同市区、朔州市区、平鲁区、右玉县、五台县、宁武县、神池县、石楼县、中阳县、古交市、平定县、蒲县，运城盐湖区、晋城的东沟及阳城等地，都是山西的风口区域。

山西省是典型的季风气候，冬夏受属性不同的气流控制，产生明显的季节风，盛行风向交替变更。由于地形起伏不平，受局地小气候影响，导致了年、季、月、日的风向紊乱，但从总体趋势看，受季风影响，冬半年偏西、偏北风居多，夏半年偏东、偏南风居多。由于地势起伏较大，低层气流活动受到较大的阻力，各地的风速要比同纬度的河北平原偏小，出现静风的机会较多，全省年平均风速为2～4 m/s。由于地形复杂，受地形影响形成多处局部微气象区，气象条件特殊，每年5月—7月是风偏故障的高发季节，应加以重视，划分风偏等级时应充分结合当地的运行经验[2]。

3 风区分布分析

风区分布研究所选用的资料是山西省109个气象站历年最大风速资料。资料时间长度为建站始至2015年的近30年气象数据。由于观测时次、仪器的改变，测站环境变化或站址迁移等原因，使记录的代表性和可比性受到影响。为使计算出来的最大风速具有科学性和合理性，统计所使用的资料必须属于同一序列，因此在使用资料之前，首先对资料进行一致性订正。

3.1 时次换算

对风区分布进行统计时，应采用10 min平均最大风速（自记风），自记风资料较短不能满足统计计算要求的风速资料时，需要进行时次换算，要将2 min平均最大风速（定时风）换算为10 min平均最大风速，以达到分析要求。

山西省自记风速达到30年以上的站点共有59个，未达到30年以上的站点为50个。目前各气象站均有自记风观测，因此利用各气象站自记风和相应时次的定时风观测记录，建立各气象站定时风和自记风的转换关系。转换关系采用线性回归，回归方程为y=ax+b（其中：y为10 min自记风序列，x为 2 min定时风序列，a、b为回归系数）。通过各自的回归方程，建立各气象站历年10 min平均最大风速序列。

3.2 高度修订

风速统计时需要离地高度为10 m处的风速，因此需将各气象站的最大风速值订正到离地10 m高处的最大风速值。换算公式为

其中，z为风速仪实际高度，m；vz为风速仪观测风速，m/s；a为空旷平坦地区粗糙度指数，取0.16。

风速的年最大值采用极值I型的概率分布，其分布函数为

F（x）=exp｛-exp[-α（x-u）]｝

其中，u为分布的位置参数，即分布的众值；α为分布的尺度参数。

当观测期n→∞时，分布参数与均值μ和标准差σ的关系式为

当有限样本的均值x和统计样本均方差s作为μ和σ的近似估计时，取

其中，C1和C2由n年观测期下的Zi确定，表1为实际观测数量值。

表1 n个观测值时参数C1和C2值

因此，重现期为T的最大风速确定为

由于基本风速取值时考虑《110～750 kV架空输电线路设计规范》中基本风速的要求，110 kV线路的基本设计风速不应小于23.5 m/s。因此，对山西基本风速不足23.5 m/s的区域，统一按23.5 m/s进行要求。

3.3 运行经验修正后的风区分布

结合多年风偏杆塔附近气象台站数据和运行经验，对故障杆塔区域进行调整，得到最终山西电网风区分布划分。

北部主要风区：朔州右玉县，两侧地势较高，中间较低；大同市区，东侧地势平坦，西侧地势渐起；忻州神池县和朔州市区，位于管岑山和芦芽山交汇处；忻州繁峙县与五台县，位于五台山；忻州岢岚县。

中部主要风区：太原古交市，位于汾河水库下游，两侧山势较高；阳泉平定县，东部海拔较低，西面临山，地势起伏较大；吕梁交口县，位于吕梁山中，海拔高度在2 000 m左右；吕梁中阳县北部，北部、东部、南部被吕梁山包围，西部地势渐渐走低。

南部主要风区：临汾蒲县，东、北部为吕梁山，南部为火焰山，西部地势渐趋平缓；晋城阳城县，沁河流经此处，海拔高度0～1 000 m，地势起伏较大；运城市东部，位于中天山南麓；晋城市。

山西电网风区分布（30年一遇）：风速23.5 m/s区域占83.436%，风速25 m/s区域占11.703%，风速27 m/s区域占 3.34%，风速 29 m/s区域占0.930%，风速31 m/s区域占0.543%，风速33 m/s区域占0.049%。

山西电网风区分布（50年一遇）：风速23.5 m/s区域占70.731%，风速25 m/s区域占19.287%，风速27 m/s区域占 6.962%，风速 29 m/s区域占2.041%，风速31 m/s区域占0.912%，风速33 m/s区域占0.068%。

山西电网风区分布（100年一遇）：风速23.5 m/s区域占38.469%，风速25 m/s区域占32.730%，风速27 m/s区域占 21.861%，风速 29 m/s区域占4.211%，风速31 m/s区域占2.003%，风速33 m/s区域占0.726%。

4 输电线路防风偏措施

根据山西电网风区分布，输电线路运维单位可以采取多种措施提前预防，提升输电线路防风偏的本质安全水平。

4.1 一般原则

a）输电线路新建和改扩建时，其绝缘配置的改造和调整，应依据所在地的风区分布进行适当选择；尤其对局地微气象区、强风（风速大于30 m/s）区等特殊区域处的新建线路，要细致调查设计；对微气象区特征明显，飑线风频发地带，应考虑最不利的气象条件组合，设计时留有适当的裕度[3]。

b）对特殊区域输电线路应按风区分布设计所要求的绝缘子配置进行调整，受各种条件限制不能调整的应有明确的防风偏措施，可采取缩小挡距或增加绝缘小横担的方式。

c）线路走向和路径应合理选择，尽量避免挡距大、高差大、临挡挡距相差悬殊等情况；通过山岭地带沿背风坡走线时，应采取相应防风偏措施；山区线路设计应差异化选择，考虑常规线路和紧凑型线路相结合，不宜单独选用紧凑型线路设计，避免给今后运行留下隐患。

4.2 技术措施

a）平行线路设计时，相邻线路应开展风偏校核，并不得小于导线的最大弧垂；同塔多回路如果采用差绝缘配置，上风侧应为绝缘子串相对较短的一侧；耐张杆塔跳线串采用复合绝缘子配置时，应综合考虑线路的防风偏性能。

b）线路设计时，应避免在面向导线侧的杆塔上安装脚钉（即使脚钉方向平行于导线），同时在悬垂线夹附近导线上也应尽量避免安装其他突出物（如防震锤）。

c）易产生强风的微地形或特殊气象区，不应用易发生风偏的“猫头型”塔（导线三角排列）和各塔型的1系列塔。

d）跳线设计中要有严格的控制条件，施工时在满足设计条件下尽量缩短耐张塔引流线长度，绕跳线采用硬跳线或增加跳线串绝缘子并加挂悬重锤。

4.3 运行线路防范措施 [4]

a）运维中应重视微地形区、微气象区域，为便于掌握实际气象条件，在典型风口、频繁发生风偏的区域可安装风速、风向等在线监测装置进行相应记录。对强风多发地带，直线塔的三相导线均应采用V型串悬挂，对直线塔悬垂绝缘子串加装重锤，对大于10°的耐张塔外角应挂装跳线串，必要时可加挂重锤。

b）运维单位负责对输电线路所有杆塔进行风偏校验，涉及复杂线段、杆塔应请设计部门协助校验，编制风偏校验报告，对不满足要求的提出防风偏改造措施及落实时间，经有关部门审查后尽快实施。

c）恶劣天气、大负荷期间应安排特巡，对线路两侧特别是挡距中央、弛度最低点与附近异物（悬崖、山坡、树木、建筑物等）的距离进行测量，按最高气温情况下的最大弧垂及最大风偏进行计算，不满足运行要求的，要及时采取措施。

d）开展强风后输电线路连接金具隐性缺陷检查，对发生变形、裂纹的，及时进行更换。防污闪改造更换复合绝缘子时，应先进行风偏校验，不满足要求的应采取加装重锤等防风偏措施。

5 结束语

综上所述，山西电网的风区分布适用于山西电网110～1 000 kV输电设备的新建、扩建、改建，110 kV以下输电设备也可参照执行。

随着大环境和局部气象的变化，输电线路所处风区环境也相应变化，应注重输电线路风偏有关资料的收集、分析，及时更新完善风区分布，进行相应的局部调整和修订工作，确保风区与实际运行情况保持一致。