内蒙古电网风区分布图绘制及应用原则

安凯月，赵建坤，赵建利，徐大鹏，燕宝峰

（1.内蒙古电力信息通信中心，呼和浩特 010020；2.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；3.内蒙古自治区高电压与绝缘技术企业重点实验室，呼和浩特 010020）

0 引言

基本风速是架空输电线路设计时的重要参数之一，该参数选择合理与否直接影响输电铁塔运行安全及技术经济性。基本风速取值越高，铁塔抗风能力就越强，发生超越设计风速的概率则越低，但同时塔材用量也随之增加，工程造价相应提高。因此，线路设计时，应在满足现行设计规程要求的前提下，科学合理地选择设计基本风速，保证输电线路的安全稳定运行。

目前架空输电线路设计时，基本风速取值主要参考GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空输电线路设计规范》典型气象区所规定的风速[1]，因缺少长周期气象统计数据，存在基本风速设计值与实际不符的情况，导致运行中由于局部地区大风天气造成了较为严重的风害故障。近年来，科研机构围绕风害机理、防风害治理[2-6]等课题开展大量研究，部分网省公司开展了风区分布特征研究，得到了区域风区分布图[7-8]，用于指导防风设计工作。蒙西地区东西跨度大，线路沿线气候环境多变，不同地区风区分布特征差异明显，因此研究蒙西地区风区分布特征，绘制风区分布图，具有重要的工程应用价值。

本文针对内蒙古电网风害故障频发问题，对蒙西地区近30年气象数据进行统计，采取极值Ⅰ型分布概率模型完成了内蒙古电网30年、50年和100年重现期最大风速计算，提出了内蒙古电网风区分级标准，完成了内蒙古电网风区分布图绘制，得到了蒙西地区基本风速分布情况。在此基础上，给出了内蒙古电网风区分布图应用原则和建议。

1 风害故障分布特征

据统计，近10 年（2009—2018 年）内蒙古电网110 kV 及以上架空输电线路共发生风害跳闸故障95次，具体分布情况如图1所示。其中，风偏闪络占比94.7%，大风倒杆塔占比3.2%，其他故障为大风致地线脱落，占比2.1%，风害故障主要形式为风偏闪络。风偏闪络故障重合闸成功率较低，近10年统计结果显示重合成功率不足30%，严重影响电网稳定运行。

图1 近十年内蒙古电网风害故障统计

对内蒙古电网风害故障位置进行分析，风害故障多发地区主要为二连浩特、准格尔旗、集宁、锡林郭勒盟东北部等。上述地区地形地貌为平坦草原、丘陵地形，局部微气象、强风活动频繁，在线路抗风灾设计时应重点关注。

2 风区分布图绘制

电网风区分布图以气象台站原始风速监测数据、风害故障记录、运行经验为依据进行绘制，绘制流程如图2所示。

图2 风区分布图绘制流程

绘制电网风区分布图时，首先选择收集气象台站及近30～50 年风速监测数据，建立原始风速数据序列，若非10 m高度、10 min时距平均风速数据，需订正为10 m高度、10 min时距标准风速。建立标准风速数据库后，选择极值Ⅰ型分布概率模型计算得到不同重现期基本风速数据库；基于设计规范、运行经验建立风区分级标准，利用GIS软件，选用合适的插值方法绘制风区分布图初稿；最后根据地区风害故障及运行经验修订得到电网风区分布图终稿。

2.1 绘图用基础数据

电网风区分布图绘制用基础数据包括气象数据、地理地形资料、运行记录等。

2.1.1 气象数据

内蒙古电网所辖区域（蒙西地区）共有67 个国家级气象站，各站点分布建站时间均在30年以上。

本次绘图选取各站点1989 年以来逐年地面上10 m高度、10 min时距平均年最大风速观测数据序列。

2.1.2 地理地形资料

蒙西地区数字高程模型，格点精度100 m；蒙西地区边界图层文件。

2.1.3 运行记录

蒙西地区极端气象灾害记录，内蒙古电网在运线路强风倒塔观测记录、风偏故障记录等。

2.2 建立标准风速序列

标准风速序列是计算基本风速的依据，标准风速序列应全部取自自动式风速仪记录资料，对早期或区域小站点非自记式的定时观测风速，需修正后采用[9]。本次风区图绘制，选用67 个国家基本气象站，标准风速序列可直接选取地面上10 m 高度、10 min 时距平均年最大风速，无需进行高度和时距订正。

2.3 计算确定基本风速

基本风速定义为当地空旷地面10 m高度、10 min时距平均年最大风速观测数据，经概率统计得出的100 年（50 年、30 年）一遇最大值后确定的风速。基本风速是绘制风区分布图的依据。

在计算基本风速时，以各气象台站标准风速序列为样本，本文选用在降水、覆冰重现期计算领域广泛应用的极值Ⅰ型概率分布模型。

极值Ⅰ型概率分布函数为：

式中：F( x )—风速值x 出现的概率；

u—分布的位置函数；

α—分布的尺度函数。

当观测期n→∞时，分布参数与均值μ和标准差σ的关系由式（2）、（3）确定：

当有限样本的均值xˉ和统计样本均方差S作为μ和σ的近似估计时，取：

式中：C1—标准极值分布的方差；C2—标准极值分布的期望值。

其中，zi—标准极值分布。

观测期为n年，zi可以按照式（8）计算：

对于给定的观测期n，不同观测值时参数C1和C2的值如表1所示。

表1 极值Ⅰ型分布的C1和C2值

平均重现期为T 的最大风速xR可按式（9）确定：

内蒙古电网基本风速计算选用蒙西地区各气象台站1989—2018 年的标准风速序列（10 m 高度、10 min时距平均年最大风速序列），因此可直接查询表1得到C1和C2，进而由式（4）、（5）、（9）计算得到平均重现期为30年（50年、100年）的最大风速。

以乌拉盖气象站（站号50913）为例，计算不同重现期最大风速。乌拉盖气象站1989—2018 年标准风速序列如表2所示。

表2 乌拉盖气象站1989—2018年标准风速序列 m/s

样本数量n 为30，查表可知极值Ⅰ型分布的C1为1.112 37，C2为0.536 22，样本均值为17.49，均方差S 为4.13。由式（4）、（5）、（9）计算得到乌拉盖气象站平均重现期为30年、50年、100年的最大风速，如表3所示。

表3 乌拉盖气象站不同重现期最大风速 m/s

2.4 绘制风区分布图

内蒙古电网风区分布图为首次绘制，此前未制定风区分级标准。依据GB 50545—2010 基本风速取值要求[1]，借鉴建筑行业风压分级方法[10]，结合内蒙古电网线路设计及运行经验，将风速分为14个等级，风速取值级差2 m/s，基本风速小于23.5 m/s时统一取23.5 m/s，大于45 m/s 时分为2 个等级，最终确定内蒙古电网风区分布图分级标准分别为23.5 m/s、25 m/s、27 m/s、29 m/s、31 m/s、33 m/s、35 m/s、37 m/s、39 m/s、41 m/s、43 m/s、45 m/s、50 m/s、＞50 m/s。

依据上文计算得到的各站点不同重现期基本风速，按照风区分级标准，采用插值效果较好的克里金插值法[11-13]，绘制完成内蒙古电网风区分布图（30年、50年、100年一遇）初稿。考虑内蒙古电网近10 年风害故障记录，综合考虑局部微气象、微地形条件，对局部分区等级进行修正，最终得到内蒙古电网风区分布图。

2.5 风区分布情况

内蒙古电网局部风区分布图（30 年、50 年、100年一遇）如图3—图5所示[14]。

图3 内蒙古电网局部风区分布图（30年一遇）

图4 内蒙古电网局部风区分布图（50年一遇）

图5 内蒙古电网局部风区分布图（100年一遇）

由图3 可知，内蒙古电网30 年一遇风区级别大部分为23.5 m/s 和25 m/s，少部分为27 m/s、29 m/s。整体来看，呼包鄂、乌拉特中旗、锡林郭勒盟中部地区处于23.5 m/s 风区，阿拉善盟、乌拉特后旗、达茂旗、锡林郭勒盟西北部地区处于25 m/s、27 m/s、29 m/s风区，29 m/s风区主要集中在二连浩特、达茂旗、苏尼特左旗等地区，该区域处于大青山脉北部，地形地貌为平坦开阔草原。

由图4 可知，内蒙古电网50 年一遇风区级别大部分为23.5 m/s、25 m/s 和27 m/s，少部分为29 m/s、31 m/s。整体来看，呼包鄂、乌兰察布、乌拉特中旗处于23.5 m/s风区，阿拉善盟、锡林郭勒盟大部分地区处于25 m/s、27 m/s风区，乌拉特后旗、达茂旗、锡林郭勒盟西北部等局部地区处于29 m/s、31 m/s 风区，高等级风区与30 年一遇等级较高地区基本一致。

由图5 可知，内蒙古电网100 年一遇风区级别大部分为23.5 m/s、27 m/s和29 m/s，少部分为25 m/s、31 m/s和33 m/s。整体来看，呼包鄂、乌兰察布部分地区处于23.5 m/s风区，阿拉善盟、锡林郭勒盟大部分地区处于27 m/s、29 m/s 风区，乌拉特后旗、达茂旗、锡林郭勒盟西北部等局部地区处于31 m/s、33 m/s 风区，高等级风区与30 年、50 年一遇等级较高地区基本一致。

从全网风区分布特征来看，30 年、50 年、100 年一遇风区分布趋势基本一致，高等级风区主要集中在二连浩特、苏尼特左旗、达茂旗、乌拉特后旗等地区。风区分布与蒙西地区地形地貌具有较为明显的相关性，高等级风区多处为山脉北部、地形平坦地区。

3 风区分布图应用原则及建议

风区分布图主要用于指导架空输电线路设计、改造过程中基础风速选取。

蒙西地区东西跨度大，地形地貌多样，对风速影响较为复杂。微地形、微气象对设计风速影响较大，而风区分布图绘制过程中无法完全考虑所有微地形、微气象区，因此，在设计阶段应对微地形、微气象区设计风速选取按相关规范要求进行修正。

风区分布图绘制主要基于气象站点监测数据插值而成，气象站点多建设在旗县乡镇，而架空输电线路多位于山区、人烟稀少地区，因此在实际应用风区分布图时，应根据地形、极端气候特点进行适当修正。对于内蒙古电网而言，应用建议如下。

（1）110 kV、220 kV 架空线路设计基本风速重现期取30年，基本风速取值不小于23.5 m/s；500 kV架空线路设计基本风速重现期取50年，基本风速取值不小于27 m/s。

（2）若架空线路横跨河谷且谷口迎主导风向，风速取值可适当增大5%；当气流由开阔地区进入狭窄地区时，风速取值可适当增大10%；对于突出开阔的山顶，因缺少山脉阻挡，风速取值可适当增大10%。

（3）对于倒塔断线故障区域、极端气象灾害区域风速取值可适当增大10%。

4 结语

本文统计分析了内蒙古电网风害故障类型及地形分布特征，对蒙西地区67 个气象站点近30 年气象数据进行统计，完成了内蒙古电网30 年、50 年和100 年重现期最大风速计算，提出了内蒙古电网风区分级标准，绘制完成了内蒙古电网风区分布图。在此基础上，给出了内蒙古电网风区分布图应用原则及建议，可为内蒙古电网架空线路防风害设计、改造提供技术支撑。