2. 内蒙古电力科学研究院, 呼和浩特 010020;
3. 内蒙古自治区高电压与绝缘技术企业重点实验室, 呼和浩特 010020
2. Inner Mongolia Power Research Institute, Hohhot 010020, China;
3. Inner Mongolia Enterprise Key Laboratory of High Voltage and Insulation Technology, Hohhot 010020, China
基本风速是架空输电线路设计时的重要参数之一，该参数选择合理与否直接影响输电铁塔运行安全及技术经济性。基本风速取值越高，铁塔抗风能力就越强，发生超越设计风速的概率则越低，但同时塔材用量也随之增加，工程造价相应提高。因此，线路设计时，应在满足现行设计规程要求的前提下，科学合理地选择设计基本风速，保证输电线路的安全稳定运行。
目前架空输电线路设计时，基本风速取值主要参考GB 50545—2010《110 kV~750 kV架空输电线路设计规范》典型气象区所规定的风速[1]，因缺少长周期气象统计数据，存在基本风速设计值与实际不符的情况，导致运行中由于局部地区大风天气造成了较为严重的风害故障。近年来，科研机构围绕风害机理、防风害治理[2-6]等课题开展大量研究，部分网省公司开展了风区分布特征研究，得到了区域风区分布图[7-8]，用于指导防风设计工作。蒙西地区东西跨度大，线路沿线气候环境多变，不同地区风区分布特征差异明显，因此研究蒙西地区风区分布特征，绘制风区分布图，具有重要的工程应用价值。
本文针对内蒙古电网风害故障频发问题，对蒙西地区近30年气象数据进行统计，采取极值Ⅰ型分布概率模型完成了内蒙古电网30年、50年和100年重现期最大风速计算，提出了内蒙古电网风区分级标准，完成了内蒙古电网风区分布图绘制，得到了蒙西地区基本风速分布情况。在此基础上，给出了内蒙古电网风区分布图应用原则和建议。
1 风害故障分布特征据统计，近10年（2009—2018年）内蒙古电网110 kV及以上架空输电线路共发生风害跳闸故障95次，具体分布情况如图 1所示。其中，风偏闪络占比94.7%，大风倒杆塔占比3.2%，其他故障为大风致地线脱落，占比2.1%，风害故障主要形式为风偏闪络。风偏闪络故障重合闸成功率较低，近10年统计结果显示重合成功率不足30%，严重影响电网稳定运行。
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| 图 1 近十年内蒙古电网风害故障统计 |
对内蒙古电网风害故障位置进行分析，风害故障多发地区主要为二连浩特、准格尔旗、集宁、锡林郭勒盟东北部等。上述地区地形地貌为平坦草原、丘陵地形，局部微气象、强风活动频繁，在线路抗风灾设计时应重点关注。
2 风区分布图绘制电网风区分布图以气象台站原始风速监测数据、风害故障记录、运行经验为依据进行绘制，绘制流程如图 2所示。
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| 图 2 风区分布图绘制流程 |
绘制电网风区分布图时，首先选择收集气象台站及近30~50年风速监测数据，建立原始风速数据序列，若非10 m高度、10 min时距平均风速数据，需订正为10 m高度、10 min时距标准风速。建立标准风速数据库后，选择极值Ⅰ型分布概率模型计算得到不同重现期基本风速数据库；基于设计规范、运行经验建立风区分级标准，利用GIS软件，选用合适的插值方法绘制风区分布图初稿；最后根据地区风害故障及运行经验修订得到电网风区分布图终稿。
2.1 绘图用基础数据电网风区分布图绘制用基础数据包括气象数据、地理地形资料、运行记录等。
2.1.1 气象数据内蒙古电网所辖区域（蒙西地区）共有67个国家级气象站，各站点分布建站时间均在30年以上。
本次绘图选取各站点1989年以来逐年地面上10 m高度、10 min时距平均年最大风速观测数据序列。
2.1.2 地理地形资料蒙西地区数字高程模型，格点精度100 m；蒙西地区边界图层文件。
2.1.3 运行记录蒙西地区极端气象灾害记录，内蒙古电网在运线路强风倒塔观测记录、风偏故障记录等。
2.2 建立标准风速序列标准风速序列是计算基本风速的依据，标准风速序列应全部取自自动式风速仪记录资料，对早期或区域小站点非自记式的定时观测风速，需修正后采用[9]。本次风区图绘制，选用67个国家基本气象站，标准风速序列可直接选取地面上10 m高度、10 min时距平均年最大风速，无需进行高度和时距订正。
2.3 计算确定基本风速基本风速定义为当地空旷地面10 m高度、10 min时距平均年最大风速观测数据，经概率统计得出的100年（50年、30年）一遇最大值后确定的风速。基本风速是绘制风区分布图的依据。
在计算基本风速时，以各气象台站标准风速序列为样本，本文选用在降水、覆冰重现期计算领域广泛应用的极值Ⅰ型概率分布模型。
极值Ⅰ型概率分布函数为：
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(1) |
式中：F(x)—风速值x出现的概率；
u—分布的位置函数；
α—分布的尺度函数。
当观测期n→∞时，分布参数与均值μ和标准差σ的关系由式（2）、（3）确定：
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(2) |
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(3) |
当有限样本的均值x和统计样本均方差S作为μ和σ的近似估计时，取：
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(4) |
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(5) |
式中：C1—标准极值分布的方差；
C2—标准极值分布的期望值。
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(6) |
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(7) |
其中，zi—标准极值分布。
观测期为n年，zi可以按照式（8）计算：
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(8) |
对于给定的观测期n，不同观测值时参数C1和C2的值如表 1所示。
| 表 1 极值Ⅰ型分布的C1和C2值 |
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平均重现期为T的最大风速xR可按式（9）确定：
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(9) |
内蒙古电网基本风速计算选用蒙西地区各气象台站1989—2018年的标准风速序列（10 m高度、10 min时距平均年最大风速序列），因此可直接查询表 1得到C1和C2，进而由式（4）、（5）、（9）计算得到平均重现期为30年（50年、100年）的最大风速。
以乌拉盖气象站（站号50913）为例，计算不同重现期最大风速。乌拉盖气象站1989—2018年标准风速序列如表 2所示。
| 表 2 乌拉盖气象站1989—2018年标准风速序列 |
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样本数量n为30，查表可知极值Ⅰ型分布的C1为1.112 37，C2为0.536 22，样本均值为17.49，均方差S为4.13。由式（4）、（5）、（9）计算得到乌拉盖气象站平均重现期为30年、50年、100年的最大风速，如表 3所示。
| 表 3 乌拉盖气象站不同重现期最大风速 |
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内蒙古电网风区分布图为首次绘制，此前未制定风区分级标准。依据GB 50545—2010基本风速取值要求[1]，借鉴建筑行业风压分级方法[10]，结合内蒙古电网线路设计及运行经验，将风速分为14个等级，风速取值级差2 m/s，基本风速小于23.5 m/s时统一取23.5 m/s，大于45 m/s时分为2个等级，最终确定内蒙古电网风区分布图分级标准分别为23.5 m/s、25 m/s、27 m/s、29 m/s、31 m/s、33 m/s、35 m/s、37 m/s、39 m/s、41 m/s、43 m/s、45 m/s、50 m/s、＞50 m/s。
依据上文计算得到的各站点不同重现期基本风速，按照风区分级标准，采用插值效果较好的克里金插值法[11-13]，绘制完成内蒙古电网风区分布图（30年、50年、100年一遇）初稿。考虑内蒙古电网近10年风害故障记录，综合考虑局部微气象、微地形条件，对局部分区等级进行修正，最终得到内蒙古电网风区分布图。
2.5 风区分布情况内蒙古电网局部风区分布图（30年、50年、100年一遇）如图 3—图 5所示[14]。
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| 图 3 内蒙古电网局部风区分布图（30年一遇） |
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| 图 4 内蒙古电网局部风区分布图（50年一遇） |
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| 图 5 内蒙古电网局部风区分布图（100年一遇） |
由图 3可知，内蒙古电网30年一遇风区级别大部分为23.5 m/s和25 m/s，少部分为27 m/s、29 m/s。整体来看，呼包鄂、乌拉特中旗、锡林郭勒盟中部地区处于23.5 m/s风区，阿拉善盟、乌拉特后旗、达茂旗、锡林郭勒盟西北部地区处于25 m/s、27 m/s、29 m/s风区，29 m/s风区主要集中在二连浩特、达茂旗、苏尼特左旗等地区，该区域处于大青山脉北部，地形地貌为平坦开阔草原。
由图 4可知，内蒙古电网50年一遇风区级别大部分为23.5 m/s、25 m/s和27 m/s，少部分为29 m/s、31 m/s。整体来看，呼包鄂、乌兰察布、乌拉特中旗处于23.5 m/s风区，阿拉善盟、锡林郭勒盟大部分地区处于25 m/s、27 m/s风区，乌拉特后旗、达茂旗、锡林郭勒盟西北部等局部地区处于29 m/s、31 m/s风区，高等级风区与30年一遇等级较高地区基本一致。
由图 5可知，内蒙古电网100年一遇风区级别大部分为23.5 m/s、27 m/s和29 m/s，少部分为25 m/s、31 m/s和33 m/s。整体来看，呼包鄂、乌兰察布部分地区处于23.5 m/s风区，阿拉善盟、锡林郭勒盟大部分地区处于27 m/s、29 m/s风区，乌拉特后旗、达茂旗、锡林郭勒盟西北部等局部地区处于31 m/s、33 m/s风区，高等级风区与30年、50年一遇等级较高地区基本一致。
从全网风区分布特征来看，30年、50年、100年一遇风区分布趋势基本一致，高等级风区主要集中在二连浩特、苏尼特左旗、达茂旗、乌拉特后旗等地区。风区分布与蒙西地区地形地貌具有较为明显的相关性，高等级风区多处为山脉北部、地形平坦地区。
3 风区分布图应用原则及建议风区分布图主要用于指导架空输电线路设计、改造过程中基础风速选取。
蒙西地区东西跨度大，地形地貌多样，对风速影响较为复杂。微地形、微气象对设计风速影响较大，而风区分布图绘制过程中无法完全考虑所有微地形、微气象区，因此，在设计阶段应对微地形、微气象区设计风速选取按相关规范要求进行修正。
风区分布图绘制主要基于气象站点监测数据插值而成，气象站点多建设在旗县乡镇，而架空输电线路多位于山区、人烟稀少地区，因此在实际应用风区分布图时，应根据地形、极端气候特点进行适当修正。对于内蒙古电网而言，应用建议如下。
（1）110 kV、220 kV架空线路设计基本风速重现期取30年，基本风速取值不小于23.5 m/s；500 kV架空线路设计基本风速重现期取50年，基本风速取值不小于27 m/s。
（2）若架空线路横跨河谷且谷口迎主导风向，风速取值可适当增大5%；当气流由开阔地区进入狭窄地区时，风速取值可适当增大10%；对于突出开阔的山顶，因缺少山脉阻挡，风速取值可适当增大10%。
（3）对于倒塔断线故障区域、极端气象灾害区域风速取值可适当增大10%。
4 结语本文统计分析了内蒙古电网风害故障类型及地形分布特征，对蒙西地区67个气象站点近30年气象数据进行统计，完成了内蒙古电网30年、50年和100年重现期最大风速计算，提出了内蒙古电网风区分级标准，绘制完成了内蒙古电网风区分布图。在此基础上，给出了内蒙古电网风区分布图应用原则及建议，可为内蒙古电网架空线路防风害设计、改造提供技术支撑。
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