第三章设计用气象条件

第三章设计用气象条件三峡大学输电线路研究所2015.1架空输电线路设计一、主要的气象参数及其对线路的影响

第一节影响线路的主要气象参数风覆冰气温气象条件三要素3）引起架空线舞动，使架空线相间闪络、产生鞭击。1）形成风压，产生横向荷载。使架空线的应力增大，杆塔产生附加弯矩。4）引起风偏，悬垂绝缘子串偏摆，导线间及与杆塔构件间、边坡间的空气间距减小而发生闪络1、主要气象资料的搜集内容及用途见表3-1。2、注意：①气象资料应选用线路附近100km以内的气象台（站）的记录。②当此范围内的气象台（站）较少时，可以扩大搜集地区范围或向省级气象台搜集，并应加强对电业、邮电、铁路和军事部门等非专业气象单位的调查搜集工作，所得结果还应交有关气象单位鉴定。③必要时应进行实地考查，访问当地群众。④若沿线气象台（站）的记录存在很大差异且线路较长（100km以上）时，应考虑分为若干气象区段。⑤对附近已有线路的运行经验，应当给予足够的重视。二、主要气象资料的搜集内容搜集内容用途1最高气温计算架空线的最大弧垂，保证对地或跨越物具有一定的安全距离。2最低气温计算架空线可能产生的最大应力，检查架空线的上拔、悬垂绝缘子串的上扬等。3平均气温微风振序号动的防振设计条件，计算内过电压下的电气间距，耐张绝缘子串的倒挂等。4历年最低气温月的平均气温计算架空线和杆塔安装、检修的气象参数之一。5最高气温月的最高平均气温计算导线的发热和温升。6最大风速及相应月的平均气温考虑架空线和杆塔强度的基本条件，也用于检查架空线、悬垂串的风偏。7地区最多风向及其出现频率用于架空线的防振、防腐及绝缘的防污设计。8覆冰厚度架空线和杆塔强度的设计依据，计算架空线的最大弧垂，验算不均匀覆（脱）冰时架空线的不平衡张力、上下层架空线间的接近距离等。9雨天、雾凇天、雪天的持续小时数计算电晕损失的基本数据。10平均雷电日数（或小时数）防雷设计的依据。11土壤冻结深度用于杆塔基础设计。12常年洪水位及最高航行水位、相应气温用于确定跨越杆塔高度，验算交叉跨越距离。一、气象条件的重现期

1.气象条件的重现期：是指该气象条件“多少年一遇”，如年最大风速超过某一风速vR

的强风平均每

R年发生一次，则R

即为风速vR的重现期。GB50545-2010《110～750kV架空输电线路设计规范》、GB50665-2011《1000kV架空输电线路设计规范》规定了不同电压等级线路和大跨越的基本风速、设计冰厚的重现期，见下表：电压等级（kV）110～330500、7501000重现期（年）3050100第二节气象参数值的选取一、气象条件的重现期

2.基本风速：（1）10min时距平均的年最大风速为样本；

（2）采用极值Ⅰ型分布作为概率模型；

（3）统计风速的高度：一般线路取离地面10m，大跨越取离历年大风季节平均最低水位以上10m。

第二节气象参数值的选取

3.大跨越：指跨越通航大河流、湖泊或海峡等，因档距较大（在1000m以上）或杆塔较高（在100m以上），导线选型或杆塔设计需特殊考虑，且发生故障时严重影响航运或修复特别困难的耐张段。2.风速的测量方法：自记10min时距；风压板一天观测4次的2min平均。需要进行风速的次时换算。3.设计高度：导线的平均高度。110～330kV线路一般为15m;500～750kV线路一般为20m。需要进行风速的高度换算。4.最大设计风速的选取步骤：①次时换算：将v2转换成v10；②高度换算。③重现期计算：需要根据30年（或50年）一遇的重现期，经过概率计算得到最大设计风速值。

二、最大设计风速的确定1.风级的视力鉴别方法，见表3−3。0.5m/s的风速相当于几级风？5、10、15、35m/s的风速呢？风力等级名称相当风速（m/s）海面物征象陆地物征象范

围中值一般浪高（m）最高浪高（m）海岸渔船动态0无风0～0.20.1

海面平静。

静、烟直立。1软风0.3～1.50.90.10.1

微波如鱼鳞状，没有浪花。一般渔船正好使舵。

烟能表示风向，但风向标不能转动。2轻风1.6～3.32.50.20.3

渔船张帆时可行2～。

人面感觉有风，树叶有微响，风向标能移动。3微风3.4～5.44.40.61.0

渔船感觉簸动,可随风移行5～。

树叶和微枝摇动不息，旌旗展开。4和风5.5～7.96.71.01.5

渔船满帆时,可使渔船倾斜一方。

能吹起地面尘土和纸张，树的小枝摇动。5劲风8～10.79.42.02.5

渔船收帆（即收去帆之一节）。

有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波。6强风10.8～13.812.33.04.0

渔船加倍收帆,捕渔需注意风险。

大树枝摇动，电线呼呼有声，举伞困难。7疾风13.9～17.115.54.05.5

渔船不再出港，在海者下锚。

全树摇动，大树枝弯下来，逆风步行感觉不便。8大风17.2～20.719.05.57.5

所有近海渔船都要靠港，停留不出。

可折毁树枝，人向前行感觉阻力甚大。9烈风20.8～24.422.67.010.0

汽船航行困难。

建筑物有小损，烟囱顶盖和平瓦移动。10狂风24.5～28.426.59.012.5

汽船航行颇危险。

陆上少见，见时可使树木拔出，建筑物损坏较重。11暴风28.5～32.630.611.516.0

汽船遇之极危险。

陆上很少，有则必有广泛破坏。12飓风32.7～36.934.814.0—

海浪滔天，能见度严重受到影响。

陆上绝少见，其摧毁力极大。（1）风速的次时换算

欲将定时4次2min平均风速v2换算成自记10min时距平均风速v10，需要有两种观测方法的平行测量记录，然后通过相关分析建立二者之间的回归方程式。常用的是一元线性回归方程(最小二乘法）：次时换算系数两种观测方法的第i对平行观测记录值分别为两种观测记录的平均值两种观测方法的平行观测记录的总对数

由此得到的回归方程，需经过相关检验才能应用。v10与v2相关系数ρ可按下面公式计算：地区AB应用范围华北东北西北西南四川湖北湖南广东江苏山东浙江0.8221.041.0040.7511.250.7320.681.030.780.8551.2627.823.202.576.1707.009.544.158.415.440.53北京、天津、河北、山西、河南、内蒙、关中、汉中辽宁、吉林、黑龙江陕北、甘肃、宁夏、青海、新疆、西藏用于贵州、云南限于四川湖北、江西广东、广西、福建、台湾上海、江苏山东、安徽限于浙江风速的次时换算系数

（2）风速的重现期计算设年最大风速v的概率符合极值Ⅰ型分布，即式中a—分布的尺度参数。；

b—分布的位置参数，即分布的众值。；

μ、σ—分别为随机变量v的均值和标准差。

由于搜集来的年最大风速样本是有限的，需要用有限样本的均值和标准差s作为μ和σ的近似估计。均值和标准差s为:

重现期为R年，说明大于某一风速vR

的强风的发生概率为1/R

，则有从而

式中

—修正系数，与样本中的年最大风速的个数n有关，可查表3-6

。

此时，尺度参数和位置参数分别按下二式取值nc1c2nc1c21015202530354045500.94971.020571.062831.091451.112381.128471.141321.151851.160660.49520.51820.523550.530860.536220.540340.543620.546300.54853607080901002505001000∞1.174651.185361.193851.206491.206491.242921.258801.268511.282550.552080.554770.556880.558600.560020.568780.572400.574500.57722（3）风速的高度换算1）地面粗糙度和梯度风速在大气边界层内，风速随离地面高度增加而增大。其变化规律主要取决于地面粗糙度。GB50009-2012《建筑结构荷载规范》将地面粗糙度等级划分为A、B、C、D四类。A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠等，B类指空旷田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀疏的乡镇，C类指有密集建筑群的城市市区，D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。离地面达到一定高度时，风速不再受地面粗糙度的影响，这一高度称为梯度风高度，相应风速称为梯度风速。A、B、C、D四类地面粗糙度地区的梯度高度分别为300m、350m、450m和550m。A、B、C、D四类地区的截断高度分别为5m、10m、15m和30m，此高度以下的风速与截断高度处的风速相同。2）基准风速：标准高度10m时测得的10min年最大风速。风仪高度h0不同于标准高度时，需将风仪风速vf换算为基准风速v0，计算公式为3）风速的高度换算在输电线路涉及的近地面范围内，风速的高度变化基本符合指数律，高度h的风速vh

可用下面公式计算：其中z为粗糙度指数，β为修正系数，二者与地面粗糙度等级有关。

风速高度变化系数：

根据《建筑结构荷载规范》折算的z、列于表3−7中。

粗糙度等级ABCDz

0.120.150.220.31.13311.0000.73760.5119风仪高度换算为标准高度的基准风速公式，实际是B类地面粗糙度等级的风速高度换算公式。

表3−7粗糙度指数z和修正系数β架空输电线路的最大设计风速，应按基本风速和线路的设计高度确定。线路的设计高度应为架空线的平均高度。设计初期无具体数据时，对110kV~330kV线路，下导线的平均高度一般可取15m；500kV~750kV线路，下导线的平均高度一般可取20m；1000kV导线的平均高度一般可取30m；大跨越除外。其他工况的风速，无需进行高度换算。

5．基本风速的一般规定

110～330kV输电线路的基本风速，不应低于23.5m/s。500～1000kV输电线路的基本风速，不应低于27m/s。必要时还宜按稀有风速条件进行验算。山区输电线路的基本风速，宜采用统计分析和对比观测等方法，由邻近地区气象台站的气象资料推算，并应结合实际运行经验确定。当无可靠资料，应比附近平原地区的统计值提高10%。

大跨越基本风速：如无可靠资料，宜将附近陆上输电线路的风速统计值，换算到跨越处历年大风季节平均最低水位以上10m处，并增加10%，考虑水面影响再增加10%后选用。大跨越的基本风速，不应低于相连接的陆上输电线路的基本风速。【例3−2】某地区1905～1957年之间48年（中间缺5年）的20m高度自记10min年最大风速值如表3−8所示，试求该地区设计高度15m处30年、50年重现期的最大设计风速，地面粗糙度等级按B类考虑。

（2）进行重现期的概率计算。风速个数为n=48，查表3−7并进行线性插值，得到修正系数C1、C2：【解】（1）计算样本中的48个年最大风速的均值和标准差（m/s）（m/s）分布的尺度参数a和位置参数b为（m/s）重现期R=30年20m高度的年最大风速为（m/s）重现期R=50年20m高度的年最大风速为（m/s）（3）进行高度换算。理应先将20m风仪高度处的风速换算为10m标准高度处的基准风速，再将基准风速换算为15m设计高度处的风速，但由于B类地区二者的换算公式相同，因此可直接将风仪高度风速换算为设计高度风速。根据式（3−12），风速高度变化系数为所以15m设计高度处30年、50年重现期的最大设计风速分别为（m/s）

（m/s）三、覆冰厚度的选取

覆冰是一定气象条件下架空线和绝缘子串上出现的冰、霜、雨淞和积雪的通称。覆冰的形成：一般多在气温-10℃～0℃、风速5～15m/s、湿度约80%以上时发生。架空线覆冰还与地形、地势条件很有关系。平原上的突出高地、暴露的丘陵、高海拔地区以及迎风山坡等处，覆冰情况相对比较严重。空气中的“过冷却”水滴及湿雪下落过程中碰到温度低于0℃的架空线后，会在架空线表面冻结成冰。

理想覆冰：架空线上的实际覆冰具有不同的断面形状，厚度不均匀。为便于设计计算，需将实际覆冰折算成具有相同圆环形断面、厚度均匀的理想覆冰。架空线的覆冰厚度指的就是这种理想覆冰的厚度。

1.椭圆法

首先测量实际覆冰断面的长径D和短径B，如图。以长、短径作椭圆，将此椭圆的面积近似作为实际覆冰的断面积，令其等于理想覆冰的断面积，从而求出理想覆冰厚度b。

设架空线的半径为r（无冰时），覆冰厚度为ｂ，根椐折算前后覆冰断面积相等，有所以2．测总重法测量架空线覆冰后单位长度的总重量，减去架空线未覆冰时单位长度的重量后，令其与单位长度圆环形断面的计算重量相等，即可算得覆冰厚度b。因为架空线的单位长度自重架空线覆冰后的单位长度总重架空线半径所以覆冰比重，对雨淞γ=0.9

轻冰区：≤10mm。中冰区：＜20mm。重冰区：＞20mm（易取20mm、30mm、40mm、50mm）。必要时，宜按稀有覆冰条件进行验算。除无冰区段外，大跨越设计冰厚宜较附近一般线路增厚5mm。设计地线支架时，地线的设计冰厚应比导线增厚5mm。

覆冰区的分区：同一线路通过地区的覆冰情况不同时，可考虑分不同的区段，采用不同的覆冰厚度。四、气温的选取架空输电线路设计用气温值，应符合下面的规定：（1）最高气温一般为40℃，不考虑个别高于或低于该气温的记录。（2）最低气温应偏低地取5的倍数。例如统计得到的最低气温为-8℃时，应取为-10℃。（3）年平均气温，在3～17℃之间时取与此数邻近的5的倍数值，小于3℃或大于17℃时分别按年平均气温减少3℃和5℃后，再取与此数相邻的5的倍数值。（4）基本风速的月平均气温，应偏低地取5的倍数值。一、对架空输电线路的要求（1）在大风、覆冰和最低气温下仍能正常运行。（2）在长期的运行中，架空线应具有足够的耐振性能。（3）在正常运行情况下，任何季节（最大风速、最厚覆冰、最高气温）架空线对地、杆塔或其它物体均有足够的安全距离。（4）在稀有气象验算条件下，不发生杆塔倾覆和断线。（5）在安装施工过程中，不发生人身、设备损坏事故。（6）在断线事故情况下，不倒杆，事故不扩大；第三节设计用气象条件的组合注意：（1）线路设计应保证对输电线路的上述要求。（2）设计时并不能将三要素出现的最不利情况进行简单叠加。必须根椐经验在数理统计分析基础上合理地组合设计用气象条件。1.线路正常运行情况下（1）基本风速：最大设计风速，无冰，相应的月平均气温。（2）最低气温：最低气温，无冰，无风。（3）覆冰有风（最厚覆冰）：最厚覆冰，相应风速，气温−5℃。主要用于计算架空线和杆塔的强度或刚度，校验工作电压下的电气间距。该气象组合主要用于架空线强度设计、上拔校验。该气象组合是架空线和杆塔强度、刚度的设计依据，也是风偏后边导线对地和凸出物电气间距的校验条件（4）覆冰无风（最大垂直比载）：最厚覆冰，无风，气温−5℃。（5）最高气温：最高气温，无冰，无风。该气象组合是对地和跨越物电气间距的校验条件。该气象组合是对地和跨越物电气间距的校验条件，也是计算导线发热的条件。二、各种气象条件的组合（三要素）2．线路耐振计算用气象组合线路设计中，应保证架空线具有足够的耐振能力。架空线的应力越高，振动越显严重，因此应将架空线的使用应力控制在一定的限度内。由于线路微风振动一年四季中经常发生，故控制其年平均运行应力的气象组合为：无风、无冰、年平均气温。3．雷电过电压气象组合（外过电压）（1）外过有风：温度15℃，相应风速（最大设计风速小于35m/s，取10m/s；不小于35m/s，取10m/s），无冰。该气象组合主要用于校验悬垂串风偏后的电气间距。（2）外过无风：温度15℃，无风，无冰。该气象组合主要用于验算架空地线对档距中央导线的保护。雷电过电压是指雷电的作用在导线上产生的过电压，也称外过电压。为了保证雷电活动期间线路不发生闪络，要求塔头尺寸应能保证导线风偏后对杆塔构件的电气距离，档距中央应保证导线与架空地线的间距大于规定值。15℃是雷电活动日气温，所以组合气象条件为：4．操作过电压气象组合（内过电压）操作过电压是由于大型设备和系统的接切在导线上产生的过电压，也称内过电压。内过电压气象组合为：年均气温、无冰、0.5倍的最大设计风速（不低于15m/s）。该气象组合主要用于校验悬垂串风偏后的电气间距。

5．线路断线事故情况下的气象组合断线事故一般系外力所致，与气象条件无明显的规律联系。计算断线情况的目的：校验杆塔强度，校验绝缘子和金具强度，校验转动横担、释放型线夹是否动作，校验邻档断线时跨越档的电气距离等。（1）无冰区：无风、无冰、气温−5℃。有冰区：无风、有冰、气温−5℃。

（2）校验邻档断线：无