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断增长,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实际情况差异较大。设计人员在判别地形地貌、坡度、风向时,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,测算风速有哪些途径

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。风洞试验就是在风洞实验室里,制作一定缩尺比的山地沙盘模型,在风洞中进行360度风向角下任意点位处的风速量测,能够有目的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,且常规测量设备无法同步测量多个空间点位处的风速。

数值模拟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,用于等效空气气团的质量、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依赖于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,数值模拟也越来越受到推崇。

现有方法测算结果不够精确,急需更优解决方案

上述3种途径应用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,即使是针对少量重要线路段,开展所需制作的山地模型的成本和工作量,也是无法接受的。

与现场实测、风洞试验相比,数值模拟方法能够减少人力和资源的投入,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,数值模拟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,一次性进行整个线路段的流体网格划分和方程解算是不可能实现的。而分段模拟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,保守设计的成本空间将越来越小。

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、数值模拟及规范对比等工作。综合考虑各种途径的优缺点,数值模拟是解决山区输电线路设计时风速测算问题的可行途径。

针对目前的数值模拟自动化程度低、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,实现了流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值模拟的专业限制,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套计算机辅助处理算法,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度雷达图,可扫描360度风向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、且专业门槛低。即使是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断增长,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运维压力,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套支撑技术。