国家电网报:设计输电线路时, 如何更精确测算风速?

發布時間: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

風是導致輸電線路振動的主要因素。不同的風速會使輸電線路産生不同形式的振動,對輸電線路造成不同程度的危害。在輸電線路設計之初,對線路所在區域風速的測算就顯得尤爲关键。而隨著我國電力需求的不斷增長,建在山區的輸電線路工程將越來越多,風速的測算就更爲關鍵。

和建築、橋梁一樣,輸電線路設計中關于風速的測算在國內外都有相關規範。但是由于山區地形複雜多變,規範中給出的設計風速修正系數計算公式或修正方法频繁與實際情況差異較大。設計人員在判別地形地貌、坡度、風向時,容易受個人主觀因素影響。這频繁會造成設計風速取值不准確,會帶來潛在的斷線、跳閘,甚至斷杆、倒塔風險,或者大大降低線路的經濟性。有沒有一種客觀、量化的方法,使山區輸電線路設計中的風速測算有據可依?

設計輸電線路時,測算風速有哪些途徑

要解決設計山區輸電線路時對風速測算不准的問題,有3條途徑,分別是現場實測、風洞試驗和數值仿真。

現場實測是獲取山區風場修正系數最爲准確的方法。設計人員需求在山區不同位置布設風速監測設備,獲取這一地形條件下的真實風速修正系數。但現場實測成本高、周期長,實測周期內較難采集到風速超過20米/秒的樣本。在受季風影響顯著的地區,設計人員也難以獲得足夠的某些風向角下的實測數據,不利于全面掌握風速變化規律。

與現場實測相比,風洞試驗成本適中、周期較短。風洞試驗就是在風洞實驗室裏,制作一定縮尺比的山地沙盤模型,在風洞中進行360度風向角下任意點位處的風速量測,能夠有目的地探索研讨風速沿空間分布的規律,彌補現場實測對規律性研讨的不足。但風洞試驗也有局限性。受限于風洞斷面尺寸,山地模型的縮尺比普通在1:500以上。地表以上10米(縮尺後只有2厘米)高度處的設計風速容易受到模型表面摩擦的影響,且常規測量設備無法同步測量多個空間點位處的風速。

數值模擬方法是利用計算機求解流體動力學方程,了解風流過山地後受到的擾動等影響。仿真分析時,設計人員需求根據數據建立地表曲面模型,也就是告知相關軟件風是在什麽樣的固體邊界表面流動的;還要在這個固體邊界表面建立數以百萬計的連續空間多面體,用于等效空氣氣團的質量、勢能和動能(即流體動力學中所說的流體網格)。通過這種數值化處理,人們看不見的風就能在計算機中變成數以千萬計的數值方程。這些方程的求解精度很大程度上依賴于流體網格的尺寸大小。網格尺寸越小、數量越多,求解精度越高。近年來,隨著計算機技術和數值算法的飛速發展,計算機所能支持的流體網格數量越來越多,求解精度也不斷提升,數值模擬也越來越受到推崇。

現有方法測算結果不夠精確,急需更優解決方案

上述3種途徑應用于山區輸電線路設計中的風速測算時,又都存在著一些問題。和橋梁、建築相比,輸電線路綿延裏程漫長,有數量衆多的山區塔位需求確定風速,開展現場實測顯然是不現實的。風洞試驗投入的成本較高,即使是針對少量关键線路段,開展所需制作的山地模型的成本和工作量,也是無法接受的。

與現場實測、風洞試驗相比,數值模擬方法能夠減少人力和資源的投入,節約成本,易于開展山地風場整體和局部的規律性分析。在橋梁、建築等點狀分布的小區域分析中,數值模擬方法已具備一定精度的流體網格劃分及數值方程解算能力。但對綿延裏程漫長的輸電線路,一次性進行整個線路段的流體網格劃分和方程解算是不可能實現的。而分段模擬的自動化程度又很低,需耗費大量人力爲山地曲面建模並劃分空間多面體,人工成本過高。

上述問題的存在,導致山區輸電線路設計中的風速測算只能采取比較籠統的處理方法,即在臨近平原地區氣象台站的設計風速基礎上提高10%。然而,這種做法多數情況下不夠經濟。隨著輸配電價改革的逐步深入,對輸電線路建設成本的控制會越來越嚴格,保守設計的成本空間將越來越小。

在這種背景下,只能通過更爲精准的差異化設計,來降低本身成本,適應市場變化。特殊情況下,設計風速提高10%的安全裕度仍然不足,有可能帶來一定的安全隱患。例如,山區線路段風偏跳閘次數明顯高于平原,倒塔斷杆事故也偶有發生。風速測算還有沒有更優的解決方案?

自適應模擬技術:讓風速測算有據可依

中國電力科學研讨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。

針對目前的數值模擬自動化程度低、專業限制性強等問題,金龙在线娱乐研發了基于流體網格智能生成的自適應模擬方法,提高了山區高差較大區域內流體網格與地表曲面的契合程度,實現了流體網格數量與數值仿真求解精度的合理平衡配置,並通過人機交互控制降低了數值模擬的專業限制,使設計人員掌握山區輸電線路風場仿真分析不再遙遠。

金龙在线娱乐還編制了一套計算機輔助處理算法,幫助設計人員分析預設塔位處的風速數據,形成預設塔位處風速修正系數360度雷達圖,可掃描360度風向角度下的最大設計風速,提醒設計人員可能存在風險的設計塔位和荷載工況。

該方法具有自動化程度高、地表模型分辨率高、計算求解穩定、人機交互功能全面等特點。經驗證,自適應模擬所得仿真分析結果與實測數據吻合較好、且專業門檻低。即使是沒有相關專業背景的技術人員,也能在短期培訓後,熟練地掌握操作流程,自主完成山區地形選取、流場網格劃分、流體動力計算、仿真結果查詢、設計風速修正等工作。

隨著山區輸電線路裏程的不斷增長,不管是出于降低成本提高企業競爭力的目的,還是爲了降低山區輸電線路的安全風險和運維壓力,更准確地測算風速都十分必要。因此,自適應模擬技術有望成爲山區輸電線路設計的配套支撐技術。

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