陳國建

(南通供電公司，江蘇 南通 226006)

隨著地方社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，南通電網(wǎng)建設(shè)投資逐年加大，技術(shù)裝備水平也在不斷提升，承擔(dān)著電能輸送的輸電線路所占的地位尤為重要，它直接影響著電網(wǎng)的安全運(yùn)行和用戶的可靠供電。輸電線路遍布繁華城市和農(nóng)村田野，具有分散性、不確定性，它時刻面臨地域自然環(huán)境、多變自然現(xiàn)象、人為外力破壞的侵襲。近年來，突發(fā)性風(fēng)災(zāi)倒塔事故接連發(fā)生，給公司和用戶造成了經(jīng)濟(jì)損失，也給政府和企業(yè)帶來一定的社會影響。

1 南通地區(qū)輸電線路風(fēng)災(zāi)倒塔事故

1.1 風(fēng)災(zāi)倒塔事故回顧

據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2011年7月以來，南通地區(qū)發(fā)生過兩起輸電線路風(fēng)災(zāi)倒塔事故，事發(fā)當(dāng)天，氣象部門證實(shí)事故地區(qū)曾發(fā)生因強(qiáng)對流天氣引發(fā)颶風(fēng)或龍卷風(fēng)，颶風(fēng)或龍卷風(fēng)致使倒塔。

（1）2011年 7月27日18:00時，110kV園江線 41 號（ZS3A-27）、42 號（ZS3A-24）塔倒塔，事故現(xiàn)場23基低壓電桿連根拔起，1臺50kV·A的變壓器被刮倒，周邊數(shù)十間農(nóng)房被刮倒，風(fēng)災(zāi)倒塔致使江海橋變備用電源失電，數(shù)十條10kV線路斷電，如圖1所示。

（2）2011年 8月17日05:25時，110kV江山線，9號、10號（EZST1-36）塔倒塔，事故附近工廠區(qū)內(nèi)的職工宿舍刮倒，鋼結(jié)構(gòu)的活動板房被掀翻，風(fēng)災(zāi)倒塔致江山股份公司110kV變電所失電，如圖2所示。

1.2 風(fēng)災(zāi)倒塔事故現(xiàn)場診斷分析

根據(jù)現(xiàn)場的風(fēng)災(zāi)倒塔事故特征，查閱相關(guān)的數(shù)據(jù)資料，兩起倒塔事故特征如表1所示。

表1 風(fēng)災(zāi)倒塔事故分析信息

由表1分析可知，此次風(fēng)災(zāi)倒塔的為直線塔，工程設(shè)計(jì)使用條件控制在允許范圍之內(nèi)。雙回路EZST1-36鐵塔系南通電力設(shè)計(jì)院有限公司1996年開發(fā)設(shè)計(jì)塔型，工程累計(jì)使用已達(dá)四十余基；單回路ZS3A-27，ZS4A-24鐵塔系國標(biāo)77系列塔型，工程累計(jì)使用已達(dá)數(shù)百余基，以上兩塔型自投產(chǎn)以來運(yùn)行良好。

從EZST1-36倒塔特征來看，橫向線路、攔腰截斷部位極其相似，為地面以上約12 m處。分析存在2種可能：一是龍卷風(fēng)的風(fēng)力對鐵塔的破壞力存在共同之處，巨大的拉扭力沿塔身向下傳遞，在某主材節(jié)點(diǎn)或橫隔斷面應(yīng)力集中處出現(xiàn)應(yīng)力超標(biāo)時，發(fā)生初次破壞，由初次破壞附加應(yīng)力產(chǎn)生惡性循環(huán)，致使鐵塔失穩(wěn)，直至倒塔；二是龍卷風(fēng)強(qiáng)大的正面風(fēng)力對鐵塔、導(dǎo)線產(chǎn)生巨大沖擊力，而當(dāng)塔身某主材節(jié)點(diǎn)或橫隔斷面超越其穩(wěn)定極限值時，致使鐵塔失穩(wěn)，直至倒塔。

ZS3A-27，ZS4A-27風(fēng)災(zāi)倒塔特征為下橫擔(dān)以下8 m處發(fā)生折斷，亦與上述有相似之處。

2 風(fēng)災(zāi)倒塔事故原因的技術(shù)分析

2.1 自然突發(fā)性氣候及惡劣氣象引起的倒塔

南通地區(qū)地處平原，臨江靠海，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，據(jù)相關(guān)資料介紹，颶風(fēng)或龍卷風(fēng)在江蘇并不少見，平均每年江蘇地區(qū)會有二十多次的風(fēng)災(zāi)事件[1]，南通地區(qū)為颶風(fēng)或龍卷風(fēng)災(zāi)害的高風(fēng)險區(qū)和高易損區(qū)[1]。通過到南通氣象局了解獲悉，南通地區(qū)每年夏季7～9月，由于強(qiáng)烈的冷暖激烈的對流，在空曠平坦地區(qū)（如農(nóng)田、湖泊、江海）極易形成颶風(fēng)或龍卷風(fēng)，且強(qiáng)風(fēng)的形成演變很復(fù)雜。

颶風(fēng)與普通的近地風(fēng)不同，前者呈現(xiàn)出中間大、兩頭小的葫蘆狀分布[2]，如圖3所示。颶風(fēng)風(fēng)速沿高度分布；龍卷風(fēng)是一種向中心方向運(yùn)動的氣流，在其所造成的破壞現(xiàn)象中可以看到非常明顯的中心旋轉(zhuǎn)的跡象[3]，如圖4所示。龍卷風(fēng)產(chǎn)生的渦流旋轉(zhuǎn)力也是巨大的，所經(jīng)地段破壞極大，依目前研究水平和技術(shù)手段無法做詳盡的解釋和預(yù)警播報，只能憑借事后現(xiàn)場破壞等級和痕跡診斷判斷。颶風(fēng)和龍卷風(fēng)在鐵塔40～60 m處風(fēng)速最大、破壞力最強(qiáng)，據(jù)資料介紹，一般颶風(fēng)或龍卷風(fēng)的最大瞬時風(fēng)速超過50 m/s，風(fēng)速極易超過線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，輸電鐵塔一旦正面遭受颶風(fēng)和龍卷風(fēng)侵襲，風(fēng)災(zāi)倒塔事故在所難免。

圖3 颶風(fēng)風(fēng)速沿高度的分布

2.2 技術(shù)研究和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)帶來風(fēng)災(zāi)倒塔的可能性

圖4 漏斗狀強(qiáng)風(fēng)渦流龍卷風(fēng)現(xiàn)象

（1）目前，我國現(xiàn)行輸電鐵塔抗風(fēng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程中，導(dǎo)線與輸電塔結(jié)構(gòu)通常是分開進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算的，導(dǎo)線的荷載當(dāng)作外力加在輸電塔上，并沒有充分考慮到塔線之間的耦合作用。據(jù)資料查閱，“輸電塔—線”體系是一種復(fù)雜的空間耦聯(lián)體系，這種耦合效應(yīng)使得輸電鐵塔的動力特性和風(fēng)振響應(yīng)十分復(fù)雜，日本對“輸電塔—線”體系的動力特性和風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行了研究，其研究成果已反映到日本輸電鐵塔抗風(fēng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程中[4]。我國沒有類似仿真模擬試驗(yàn)和設(shè)計(jì)模型的研究，研究滯后和數(shù)據(jù)缺乏則給實(shí)際應(yīng)用帶來了很大局限性和不完整性，造成了抗風(fēng)災(zāi)技術(shù)理論與設(shè)計(jì)應(yīng)用存在不對稱性的被動局面，所以國內(nèi)有關(guān)技術(shù)研究的局限性也是風(fēng)災(zāi)倒塔原因之一。

（2）2008年初，南方冰災(zāi)倒塔，國網(wǎng)公司組織專家針對性地開展了專題研究，在最新的設(shè)計(jì)規(guī)程中，補(bǔ)充設(shè)計(jì)氣象工況組合，提高了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，這在最新的鐵塔標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中得到驗(yàn)證，反映到工程應(yīng)用設(shè)計(jì)中，特別在“三跨”標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用上效果尤為明顯。

基于氣象設(shè)計(jì)風(fēng)速的重現(xiàn)期和風(fēng)速基準(zhǔn)高度，對輸電鐵塔抗風(fēng)設(shè)計(jì)影響極大。我國設(shè)計(jì)規(guī)程一直受東歐等國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的影響，考慮目前我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)政策要求，在重現(xiàn)期和風(fēng)速基準(zhǔn)高度的設(shè)定上相對鄰國（如日本）偏低，基于概率統(tǒng)計(jì)計(jì)算出的基本平均風(fēng)速也偏小，相應(yīng)鐵塔抗風(fēng)設(shè)計(jì)能力較弱。國內(nèi)外輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速基準(zhǔn)值的設(shè)定比較如表2所示?？梢钥闯觯覈钚?010年版規(guī)程的設(shè)計(jì)抗風(fēng)基本平均風(fēng)速均較日本低：110～330kV低70%、500～750kV低48%。所以輸電鐵塔抗風(fēng)設(shè)防基準(zhǔn)偏低也是風(fēng)災(zāi)倒塔原因之一。

表2 中國與日本設(shè)計(jì)風(fēng)速選定條件對照表

3 風(fēng)災(zāi)倒塔有限防范對策的研究

3.1 采用先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)

（1）自2007年起，國網(wǎng)、省網(wǎng)典設(shè)鐵塔的內(nèi)力分析采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法（分析軟件TTA），替代系統(tǒng)原普遍采用的滿應(yīng)力計(jì)算程序，對桿件優(yōu)化更全面、更合理。通過優(yōu)化主材節(jié)間長度、坡度、平行軸、最小軸等多種布置方案，使鐵塔受力、傳力、抗力最佳，從而減小材料規(guī)格，降低風(fēng)荷載，控制耗鋼量。

① 改變塔身主材布置方式和斜材排列，減少塔材受力擋風(fēng)面，最大限度降低塔身風(fēng)載，提高抵御能力，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化結(jié)構(gòu)（一）

② 根據(jù)不同塔形、隔面大小，確定不同形式的斷面，優(yōu)化鐵塔的傳力路線，提高塔身抗扭力，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化結(jié)構(gòu)（二）

③ 調(diào)整隔面設(shè)置的位置，減小隔面構(gòu)件的規(guī)格，同時避免了塔身斜材同時受壓的發(fā)生；在截面回轉(zhuǎn)半徑相同的條件下，盡量選擇使用薄壁角鋼，以減小構(gòu)件重量。

④ 節(jié)點(diǎn)連接優(yōu)化。避免相互連接桿件夾角過小，減小負(fù)端距；節(jié)點(diǎn)連接要緊湊、剛度強(qiáng)；盡量減小桿件偏心連接和節(jié)點(diǎn)板受彎，避免應(yīng)力集中；避開對孔布置，減小桿件斷面損失；加長桿件構(gòu)造長度，減少包角鐵連接數(shù)量。

（2）采用高強(qiáng)鋼材，其強(qiáng)度和承載能力都有較大提高，Q420與Q345相比較強(qiáng)度提高23%，承載力提高18%。高強(qiáng)鋼的使用，可有效避免組合截面的出現(xiàn)，簡化了結(jié)構(gòu)構(gòu)造，減少了構(gòu)件元素數(shù)量，可有效提高鐵塔結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性和安全可靠度。

由于鐵塔上構(gòu)件多數(shù)為受壓失穩(wěn)控制，而同樣長細(xì)比λ下高強(qiáng)鋼材受壓穩(wěn)定系數(shù)要比普通鋼材低，同時，兼顧考慮到鐵塔構(gòu)件間的剛度匹配，所以只有在一定的條件下使用高強(qiáng)鋼材才有技術(shù)優(yōu)勢。以Q420角鋼為例，經(jīng)計(jì)算對比見表3，重荷載塔身主材以及多數(shù)長細(xì)比λ小于80材料均可推廣使用高強(qiáng)鋼材，因高強(qiáng)鋼材而減小塔材規(guī)格型號和鐵塔自重，對抗風(fēng)災(zāi)極為有利。

表3 不同鋼質(zhì)和長細(xì)比下承載力差異表

（3）鋼管塔與角鋼塔相比，鋼管塔構(gòu)件風(fēng)壓小、剛度大、結(jié)構(gòu)簡潔、傳力清晰，能夠充分發(fā)揮材料的承載性能，適合在荷載較大的鐵塔中采用[5]。其優(yōu)點(diǎn)為：①可以減小塔身風(fēng)壓（構(gòu)件體形系數(shù)，圓管比角鋼幾乎小一倍）；②在截面面積相等的情況下，圓管的回轉(zhuǎn)半徑比角鋼大20%左右；③提高結(jié)構(gòu)承載能力，一般來講，鋼管塔比角鋼塔用量降低10%～20%；④可減少桿件數(shù)量，縮短建塔周期，易于結(jié)構(gòu)多樣化。因此，針對設(shè)計(jì)荷載較大的工程，合理推廣使用鋼管塔，也不失為提高鐵塔抗風(fēng)災(zāi)能力的技術(shù)手段。

3.2 應(yīng)用差異化設(shè)計(jì)

（1）優(yōu)化線路路徑走向，避免在極易產(chǎn)生強(qiáng)怪風(fēng)、疾風(fēng)的高大建筑物間和狹窄的通道處架線；針對特殊區(qū)域、特殊地段和重要線路，合理規(guī)劃鐵塔呼高和檔距，控制塔形的使用條件，適當(dāng)預(yù)留設(shè)計(jì)裕度，提高塔形的抗風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；城市輸電線路可推廣采用鋼管桿，提高自然抗風(fēng)能力。

（2）根據(jù)地形、地物等條件合理地確定獨(dú)立耐張段方案，可采用 “耐一直一直一耐”、“耐一直一耐”、“耐一直一直一直一耐”或“耐一耐”方案，且直線塔不應(yīng)超過3基，有效釋放相鄰耐張段風(fēng)災(zāi)倒塔事故的不平衡力，減小風(fēng)災(zāi)倒塔的影響范圍；對于運(yùn)行搶修特別困難的局部區(qū)段線路，采取適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施。

（3）輸電線路設(shè)計(jì)重現(xiàn)期由30年一遇提高到50年一遇，風(fēng)速值提高約5%，風(fēng)壓值提高了11%左右，線路對桿塔的抗風(fēng)能力提高了很多，但不會造成工程量較大的增加[5]，因此通過差異化設(shè)計(jì)，提高線路抗風(fēng)災(zāi)能力，必要時還可按稀有風(fēng)速條件進(jìn)行驗(yàn)算。

3.3 加強(qiáng)綜合管理

（1）鐵塔原材料的采購、制造工藝、加工質(zhì)量等對鐵塔抗擊風(fēng)災(zāi)的作用不可忽視。增加材質(zhì)分析測試樣本數(shù)，監(jiān)控塔材材質(zhì)化學(xué)、物理分析測試參數(shù)達(dá)標(biāo)；按照國網(wǎng)招標(biāo)要求，將塔材負(fù)公差嚴(yán)格控制在國標(biāo)的50%以內(nèi)，同時提高塔材加工精度標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)控塔材防腐工藝和熱鍍鋅質(zhì)量。

（2）加強(qiáng)現(xiàn)場施工技術(shù)質(zhì)量管理，加大對加工監(jiān)造、出廠驗(yàn)收和現(xiàn)場驗(yàn)貨的技術(shù)管控；施工中極力避免人為造成的塔材變形，以及因緊固不到位引起的塔形超標(biāo)；加強(qiáng)鐵塔組立整體撓度，以及結(jié)點(diǎn)處彎曲度的檢查，確保鐵塔整體受力均勻，減少因人為產(chǎn)生鐵塔附加荷載。

（3）加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)管理，有效開展常規(guī)巡視和季節(jié)性特殊巡視工作，及時消除鐵塔安全隱患。由于輸電線路直線塔承受導(dǎo)線和塔身的風(fēng)載，在所受風(fēng)力大小和方向不定所產(chǎn)生震動的情況下，鐵塔難免出現(xiàn)共振，經(jīng)過一段時間運(yùn)行，出現(xiàn)螺栓松動現(xiàn)象，如不及時復(fù)緊，直接影響鐵塔的抗風(fēng)抵御能力，因此，開展周期性螺栓緊固和復(fù)檢，以及臺風(fēng)來臨前的鐵塔臨時補(bǔ)強(qiáng)顯得極其重要。

3.4 構(gòu)建合作機(jī)制

（1）密切關(guān)注有關(guān)“輸電塔—線”耦聯(lián)體系前沿技術(shù)的研究，跟蹤收集國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用成果，加強(qiáng)與電力建設(shè)研究機(jī)構(gòu)、區(qū)域電力設(shè)計(jì)單位的學(xué)習(xí)交流，不斷提高輸電鐵塔抗風(fēng)災(zāi)技術(shù)理論和經(jīng)驗(yàn)方法的積累。

（2）加強(qiáng)與地方氣象部門合作，科學(xué)應(yīng)用有關(guān)惡劣氣象（如颶風(fēng)、龍卷風(fēng)）的研究成果，采用先進(jìn)可靠的新技術(shù)和新裝備，不斷提高輸電線路風(fēng)災(zāi)防御能力；完善極端氣候?yàn)?zāi)害后的快速恢復(fù)和重建機(jī)制，加大對線路倒塔災(zāi)后恢復(fù)重建的技術(shù)研究，提高與電力用戶、政府的協(xié)調(diào)處置能力，為快速恢復(fù)供電提供支撐。

4 結(jié)束語

因自然惡劣氣象固有的突發(fā)性和不確定性，強(qiáng)怪風(fēng)和龍卷風(fēng)出現(xiàn)的頻率不斷增加，輸電線路一旦遭受其正面侵襲，風(fēng)災(zāi)倒塔無法避免。面對新問題、新考驗(yàn)，積極主動加大對輸電線路風(fēng)災(zāi)倒塔技術(shù)的研究，通過科技攻關(guān)，不斷探索與創(chuàng)新，結(jié)合實(shí)際，因地制宜，不斷提高設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行的技術(shù)應(yīng)用水平，在一定范圍內(nèi)有效抵御風(fēng)災(zāi)倒塔的發(fā)生，盡力降低風(fēng)災(zāi)倒塔帶來的損失，為構(gòu)建安全可靠和諧的供用電環(huán)境提供保障。

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