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;錚?#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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