垭口地形对输电线路风场分布特性影响分析

董慎学,石 峰,刘 刚,王有威,徐兆国

(国网宁夏电力有限公司石嘴山供电公司,宁夏 石嘴山 753000)

0 引言

中国地形有2/3的面积属于山区,随着国家发展战略的规划和国家电网的不断完善延伸,线路走廊在复杂山区地形的分布范围也越来越广,不可避免地要在高山、峡谷、江河畔等微地形、微气象复杂的地带搭建线路[1-4],使得复杂地形下的风偏放电频发,严重危害输电线路的安全稳定[5-8]。

为了解微地形、微气象对输电线路风偏的影响,国内外学者开展了大量研究。邵瑰玮等[9]对比分析了国内输电线路风偏设计参数,修订了风速高度换算系数,风压不均匀系数和微地形影响参数,提出先统计最大风速值,再根据电压等级和地理位置确定最大风速值。李正昊等[10]在研究微地形对线路风偏的影响时,分析了山脉长度、山顶间距、山脉坡度等地貌参数对典型位置处风场特性的影响。

为了进一步探究微地形下线路不同位置的风速,楼文娟等[11]、徐海魏等[12]通过风洞试验及数值模拟研究发现：微地形下,当来流垂直山脉走向时,气流在山脊处有明显的加速效应,沿山脊布置的输电线路全档风偏响应增幅较大,跨峡谷输电线路爬坡段风偏响应增幅较大。李正良等[13]通过研究发现,复杂山体与单个山体具有完全不同的风场分布特性,并根据试验结果建立了复杂山地风场平均风速计算修正模型。

沈国辉等[14]研究了单山和双山情况下三维山丘风场分布特性,采用CFD方法分别对左右排列、前后排列和斜列情况双山水平风的加速比和分布特征进行了研究。研究表明：山体的计算模型表面粗糙度增大时,山顶上方半山高度的加速效应减弱。刘春城等[15]分析了峡谷和垭口地形条件下输电线路风偏特性,获得了山脉长度、山脉坡度、山脉间距对沿山、跨山输电线路各点平均风速的影响规律。周访滨等[16]提出了以地形位置指数、坡度、相对高程和水体距离为特征因子的组合表达输电线路微地形提取决策方案。实验结果与分析有效提取了垭口地形、高山地形、抬升地形、峡谷地形和水汽地形5类典型输电线路微地形,揭示了微地形分布与线路灾害发生的相关性。

上述研究通过风洞试验、CFD仿真等方式,重点研究了微地形区域内风场的变化特性、微地形特征提取等内容,为输电线路的设计和防风提供了大量技术参考资料[17-18]。微地形是分析尺度更小、地貌形态更复杂的区域,风场模型需考虑因素众多且复杂,输电线路的风场分布也随着山脉地形相对位置的变化而变化[19-20]。中国垭口微地形下的输电线路分布较广,线路的设计运维需根据实际地形、气象、线路走向等因素提出差异化方案[21]。

本文以中国风害较严重的宁夏石嘴山地区为研究对象,对该地区近30年的气象风速、风向进行了统计分析,总结了该地区输电线路集中区域的风场分布特性。对贺兰山东麓山风口地带进行了地理特征分析,建立了典型垭口微地形模型,并对该地区风场分布进行了流体仿真计算,研究了不同尺寸垭口山体对风速的加速效应,以及对垭口后方输电线路风场分布的影响,从而为该地区线路差异化防风措施的提出提供了技术参考。

1 石嘴山地区气象分析

石嘴山市地处内陆,属中温带干旱气候,四季分明。受地形和大气环流影响,宁夏各地年平均风速为2.0～7.0 m/s,贺兰山是宁夏年平均风速的最大中心之一,年平均风速为7.0 m/s。石嘴山市惠农区地处贺兰山和桌子山之间的咽喉狭窄地带,当风从北部开阔地区吹入时,垭口、峡谷等微地形的作用使风速加大,年平均大风日数为45.2 d(瞬时风速≥17 m/s),最多年为68 d。

统计石嘴山地区近30年的年大风日数,如图1所示。2001～2010年石嘴山地区年大风日数较多,而近10年虽然大风日数减少,但平均风速和极大风速增大,增大了风害故障发生概率,例如,2021年11月,在石嘴山东北部地区输电线路沿线监测到了自1960年以来的最大风速39.4 m/s。

图1 石嘴山地区近30年大风日数统计

根据数据统计,石嘴山最大风速春、秋季均在NW风向,夏季在E风向,冬季在WNW风向;次最大风速春季在WNW风向,夏季在ESE风向,秋季在N风向,冬季在NW风向。

位于贺兰山风口沿线的输电线路多为西南-东北走向,当遭遇西北风时,风力作用几乎与输电线路呈90°夹角,当风速接近或超过输电线路设计风速时,极大可能发生风偏放电甚至倒塌故障。

2 石嘴山地区风场流体仿真

2.1 石嘴山沿贺兰山地理环境分析

石嘴山地区的输电线路风害主要集中在贺兰山东麓山风口地带。主要地形如图2所示,山地中存在诸多垭口型微地形,垭口山体东侧即为输电线路。

由于地形及大气环流因素,大风主要集中在贺兰山沿线附近。从宁夏各地具体大风日数来看,当风从西北开阔地区吹入时,微地形的作用使风速加大,使得该地区的大风日较多。

图2 石嘴山地区输电线路周边地理环境

2.2 垭口微地形参数化模型

以图2输电线路典型故障点P所处位置为例,故障点和西侧垭口型山体的海拔高差范围为400～510 m,垭口两侧山体的平均长度为1 730 m,山顶相距670 m,垭口山体距离故障线路直线距离为1 480 m。利用AUTOCAD建立微地形模型,并用Workbench中的meshing划分网格。其中计算域高度为6倍模型高度,计算域长度：山前取3倍模型长度,山后取5倍模型长度,宽度为3倍模型迎风宽度。计算域采用自动网格剖分。计算域模型及网格划分如图3所示。

图3 垭口微地形模型及参数

2.3 入口边界条件

入口剖面包括平均风剖面和湍流风剖面,平均风剖面的计算公式[22]为：

(1)

式中：Uz为离地高度z处的平均风速;Ur为参考高度zr处的平均风速;α为地面粗糙度指数。采用Realizablek-湍流模型,壁面函数选用考虑压力梯度的非平衡壁面函数。计算域入口定义为速度入口;两侧和顶部对称边界;平地及山体表面为固定壁面。湍流动能k和耗散率s为：

kz=0.3(Iz×Uz)2

(2)

(3)

式中：k=0.42;Cμ=0.09;Iz为z高度处湍流度;Lu为湍流积分尺度,其计算式公式为：

(4)

(5)

2.4 风场仿真计算

假设初始风速为30 m/s,经过1∶1模型仿真计算后得到了故障点P西侧的垭口山体的风速分布如图4所示。可以看到：风在跨越垭口型微地形时,在山顶处或山谷处,风速受垭口型微地形影响很大。① 相对于初始速度,风速在垭口地形处明显增大,尤其是2个山体之间,最大风速达到46.48 m/s,增长了近55%。② 在2个山体顶部,最大风速达到39.41 m/s,增长了31.4%。③ 风速沿着山体向两侧逐渐减小,趋近于初始风速。

图4 垭口山体截面风速分布

2.5 垭口中心线风速变化

如图5所示,固定高度,沿着两山中部提取风速大小,可得到不同高度风速值。当高度从20 m 增大到400 m时,最大风速逐渐减小(垭口中央位置),但经过垭口后的风速逐渐增大。根据上述相对地理位置分析,目标输电线路位于垭口地形下游1.48 km处,正好处于风速的加速区内,提取故障位置点20 m高处的风速大小为30.26 m/s,相对于同尺度其他位置增大了0.8 %。

图5 两山中心线沿风向的风速变化

3 垭口地形参数的影响

该地区还有许多其他类似的垭口山体,为全面分析垭口微地形对该地区风场的影响,以上述线路风害故障P点西侧的垭口型山体为模板,改变地形参数,分析不同地形参数下风场的变化。

3.1 山体间距的影响

设定基本参数为表1中Case 1～Case 4,初始风速为30 m/s,在山体其他参数不变条件下,改变山顶间距d为600 m、800 m和1 500 m(相对于实际情况,d=1 000 m),得到计算结果如图6所示,可以看到,山顶和垭口上端的最大风速发生改变。

若dD时,垭口上端的最大风速逐渐减小,直至小于山顶最大风速,具体变化如图7所示。

表1 不同参数的垭口地形

图6 不同山体间距风场分布

图7 山顶及垭口中心最大风速对比

以垭口中心线沿着风速方向提取风速值,绘制结果如图8所示,可以发现：① 在不考虑不同高度风速本身差异的条件下,在垭口处,距离地面越低,风速越大,而在风跨过垭口后,距离地面越高,风速越大;② 垭口处最大风速随着山顶间距的增大而减小,但跨过垭口后的风速却随着山顶间距的增大而增大。以本文故障线路为例,故障线路处于垭口型山体后方1.4 km处,提取该处20 m高的风速,得到结果如图9所示。随着山体间距的增大,垭口后方的风速会有一定提升,其原因主要是山体的遮挡作用。当山体间距较小时,遮挡作用更为明显,风跨过垭口后降低,而后有一个加速过程,当垭口两端山体间距较大,风在跨过垭口时,加速作用占据主导,导致后端(故障位置处)的风速增加。

图8 垭口中心线沿着风向的风速变化

图9 垭口后方输电线路位置处的风速

3.2 山体长度和山体直径的影响

如图10所示,对比了2种山体长度垭口型地形中心线沿风向的风速变化,可以发现：2种山体垭口中心线的风速在20 m高度最大风速值近似相等,而区别主要体现在2点：① 在迎风侧,L=2 500 m垭口山体风速的上升速度慢于L=1 700 m垭口山体风速。② 当风跨过垭口山体后,前者风速下降幅度略大于后者。

按照Case 5给定的参数,改变山顶的高度,增大h值到600 m,得到图11所示结果,可以看到：① 相对于Case 3,距地不同高度的垭口上方最大风速值均有所增大,最大增大了15%(z=20 m);② 相对于Case 3,当山体高度h增加后,风跨越垭口后的衰减趋势增加,距离地面越高,风速衰减越少。③ 在远离垭口后,距地不同高度的风重新加速,距离地面越低,加速过程越早。

图10 不同山体长度下垭口中心线沿风向的风速对比

图11 垭口中心线沿风向的风速变化(Case 5,h=600 m)

4 结论

针对风害集中的宁夏石嘴山地区气象及地理环境进行了调研,并对该地区垭口微地形特征下的风场分布进行了仿真计算研究,结果表明：

1) 宁夏石嘴山地区沿贺兰山东麓山风口地带,输电线路西侧存在大量垭口微地形特征山体,对该地区风场分布起着主导作用,造成该地区线路风害事故频发。

2) 风在经过垭口山体后,风速变化可分为3个特征区域,包括风进入垭口至垭口中心位置之间的加速区、垭口中心至垭口出口一定范围内的减速区和垭口后方的加速区。

3) 在垭口加速区内,垭口上方的最大风速相对初始风速增长可达55%,垭口山顶相对最大风速增长可达31.4%。

4) 垭口山顶间距d小于山体直径D时,垭口中心上端的最大风速大于山顶的最大风速,随着山顶间距d逐渐增大接近D,垭口中心上方风速达到最大值;当d>D时,垭口上端的最大风速逐渐减小,直至小于山顶最大风速。

5) 对比不同长度垭口型山体风速,在垭口后方减速区内,长山体较短山体风速下降幅度略高。垭口山体高度增加后,山体对风的遮挡作用占据主导地位,减速区风速大幅降低。

6) 垭口山体后方的减速区及加速区内,风速普遍高于同尺度其他地区风速,针对该地区内的输电线路,应当着重加强防风措施。