国家电网报设计输电线路时 如何更精确测算风速

发布时间2019-08-06

8月6日国家电网报刊发中国电科院专家撰写的科普报道设计输电线路时 如何更精确测算风速全文如下

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设计输电线路时 如何更精确测算风速

张宏杰 杨风利 韩军科 黄国

风是导致输电线路振动的主要因素不同的风速会使输电线路产生不同形式的振动对输电线路造成不同程度的危害在输电线路设计之初对线路所在区域风速的测算就显得尤为重要而随着我国电力需求的不?#26174;?#38271;建在山区的输电线路工程将越来越多风速的测算就更为关键

和建筑桥梁一样输电线路设计中关于风速的测算在国内外都有相关规范但是由于山区地形复杂多变规范中给出的设计风速修正系数计算公式或修正方法往往与?#23548;是?#20917;差异较大设计人员在判别地形地貌坡?#21462;?#39118;向时容易受个人主观因素影响这往往会造成设计风速取值不准确会带来潜在的断线跳闸甚至断杆倒塔风险或者大大降低线路的经济性有没有一种客观量化的方法使山区输电线路设计中的风速测算有据可依

设计输电线路时测算风速?#24515;?#20123;途径

要解决设计山区输电线路时对风速测算不准的问题有3条途径分别是现场实测风洞试验和数值仿真

现场实测是获取山区风场修正系数最为准确的方法设计人员需要在山区不同位置布设风速监测设备获取这一地形条件下的真实风速修正系数但现场实测成本高周期长实测周期内较难采集到风速超过20米/秒的样本在受季风影响显著的地区设计人员也难以获得足够的某些风向角下的实测数据不利于全面掌握风速变化规律

与现场实测相比风洞试验成本适中周期较短风洞试验就是在风?#35789;?#39564;?#20381;P?#21046;作一定缩尺比的山地沙盘模型在风洞中进行360?#30830;?#21521;角下?#25105;?#28857;位处的风速量测能够?#24515;?#30340;地探索研究风速沿空间分布的规律弥补现场实测对规律性研究的不足但风洞试验也有局限性受限于风洞断面尺寸山地模型的缩尺比一般在1:500以上地表以上10米缩尺后只有2厘米高度处的设计风速容易受到模型表面摩擦的影响?#39029;?#35268;测量设备无法同步测量多个空间点位处的风速

数?#30340;?#25311;方法是利用计算机求解流体动力学方程了解风流过山地后受到的扰动等影响仿真分析时设计人员需要根据数据建立地表曲面模型也就是告知相关软件风是在什么样的固体边界表面流动的还要在这个固体边界表面建立数以百万计的连续空间多面体用于等效?#25484;?#27668;团的质量势能和动能即流体动力学中所说的流体网格通过这种数值化处理人们看不见的风就能在计算机中变成数以千万计的数值方程这些方程的求解精度很大程度上?#35272;?#20110;流体网格的尺寸大小网格尺寸越小数量越多求解精度越高近年来随着计算机技术和数值算法的飞速发展计算机所能支持的流体网格数量越来越多求解精度也不断提升数?#30340;?#25311;也越来越受到推崇

现有方法测算结果不够精确急需更优解决方案

上述3种途?#38431;?#29992;于山区输电线路设计中的风速测算时又都存在着一些问题和桥梁建筑相比输电线路绵延里程漫长有数量众多的山区塔位需要确定风速开展现场实测显然是不现实的风洞试验投入的成本较高?#35789;?#26159;针对少量重要线路?#21361;?#24320;展所需制作的山地模型的成本和工作量也是无法?#37038;?#30340;

与现场实测风洞试验相比数?#30340;?#25311;方法能够减少人力和?#35797;?#30340;投入节约成本易于开展山地风场整体和局部的规律性分析在桥梁建筑等点状分布的小区域分析中数?#30340;?#25311;方法已具备一定精度的流体网格划分及数值方程解算能力但对绵延里程漫长的输电线路一次?#36234;?#34892;整个线路段的流体网格划分和方程解算是不可能实现的而分?#25991;?#25311;的自动化程度又很低需耗费大量人力为山地曲面建模并划分空间多面体人工成本过高

上述问题的存在导致山区输电线路设计中的风速测算只能采取比较笼统的处理方法即在临近平原地区气象台站的设计风速基础上提高10%然而这种做法多数情况下不够经济随着输配电价改革的逐步深入对输电线路建设成本的控制会越来越严格保守设计的成?#31350;?#38388;将越来越小

在这种背景下只能通过更为精准的差异化设计来降低自身成本适应市场变化特殊情况下设计风速提高10%的安全裕度仍然不足有可能带来一定的安全隐患例如山区线路段风偏跳闸次数明显高于平原倒塔断杆事故也偶有发生风速测算还有没有更优的解决方案

自适应模拟技术让风速测算有据可依

中国电力科学研究院在国家电网有限公司多个科技项目的支持下开展了山区风场相关的现场实测风洞试验数?#30340;?#25311;及规范对比等工作综合考虑各种途径的优缺点数?#30340;?#25311;是解决山区输电线路设计时风速测算问题的可行途径

针对目前的数?#30340;?#25311;自动化程度低专业限制性强等问题中国电科院研发了基于流体网格智能生成的自适应模拟方法提高了山区高差较大区域内流体网格与地表曲面的契合程度实?#33267;?#27969;体网格数量与数值仿真求解精度的合理平衡配置并通过人机交互控制降低了数?#30340;?#25311;的专业限制使设计人员掌握山区输电线路风场仿真分析不再遥远

中国电科院还编制了一?#20934;?#31639;机辅助处理算法帮助设计人员分析预设塔位处的风速数据形成预设塔位处风速修正系数360度?#29366;?#22270;可扫描360?#30830;?#21521;角度下的最大设计风速提醒设计人员可能存在风险的设计塔位和荷载工况

该方法具有自动化程度高地表模型分辨率高计算求解稳定人机交互功能全面等特点经验证自适应模拟所得仿真分析结果与实测数据吻合较好且专业?#20598;?#20302;?#35789;?#26159;没有相关专业背景的技术人员也能在短期培训后熟练地掌握操作流程自主完成山区地形选取流场网格划分流体动力计算仿真结果查询设计风速修正等工作

随着山区输电线路里程的不?#26174;?#38271;不管是出于降低成本提高企业竞争力的目的还是为了降低山区输电线路的安全风险和?#23435;?#21387;力更准确地测算风速都十分必要因此自适应模拟技术有望成为山区输电线路设计的配?#23383;?#25745;技术

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