鄧　杰，陳　霖，朱志杰，李升健，安　義

（1.國網(wǎng)江西省電力有限公司，江西　南昌 330077；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096）

0　引言

2018年3月某日，受短時(shí)強(qiáng)對(duì)流及雷雨大風(fēng)等惡劣天氣影響，江西公司部分地區(qū)配電設(shè)施受損停運(yùn)，給公司配電網(wǎng)造成重大損失。本文對(duì)某公司一起強(qiáng)風(fēng)天氣下10 kV線路桿塔串倒原因進(jìn)行分析，找出了該線路桿塔存在的設(shè)計(jì)與工藝缺陷，提出了相應(yīng)的整改建議。

1　基本情況

3月某日下午，某地區(qū)平均風(fēng)速達(dá)到8級(jí)（20 m/s）以上，局部地區(qū)風(fēng)速達(dá)到11級(jí)（32 m/s）以上，某10 kV線路發(fā)生30基斷桿倒桿，斷桿地帶地勢平坦，電桿高于周圍建筑物。

如圖1所示，某10 kV線路為同桿四回出線，斷桿倒桿發(fā)生在3號(hào)桿至35號(hào)桿之間，檔距為50 m~60 m，導(dǎo)線采用JKLYJ-10/240絕緣導(dǎo)線，18號(hào)桿為直線鋼管塔，20號(hào)、35號(hào)桿為耐張鋼管塔，其余電桿均為Ф190×18×M×G型組裝桿（非預(yù)應(yīng)力），3號(hào)桿至35號(hào)桿之間共29基組裝桿發(fā)生斷桿，35號(hào)耐張鋼管塔倒塔（電纜下地），3號(hào)桿至35號(hào)桿未發(fā)生斷線。

圖1　某10 kV線路桿塔分布示意圖

29基組裝桿均從鋼圈與主鋼筋處斷裂，上下鋼圈焊接處未斷裂，斷裂電桿（含35號(hào)耐張鋼管塔）均倒向馬路外側(cè)，桿頭方向均朝電源側(cè)，斷桿具體情況如表1所示：

表1　斷桿情況統(tǒng)計(jì)

2　倒桿過程分析

根據(jù)該線路設(shè)備情況及故障時(shí)的氣候條件，本文建立了該線路桿塔受力情況的理論計(jì)算模型，即計(jì)及導(dǎo)線承受水平應(yīng)力和桿塔風(fēng)載荷計(jì)算出該線路耐張鋼管塔和組裝桿彎矩，通過計(jì)算結(jié)果對(duì)現(xiàn)場倒桿情況進(jìn)行分析。

2.1　導(dǎo)線水平應(yīng)力計(jì)算

3月某日，某10 kV線路在無冰強(qiáng)風(fēng)中運(yùn)行，風(fēng)速達(dá)到32 m/s及以上，涉及斷桿桿塔所承受彎矩只需考慮風(fēng)壓比載和自重比載。

風(fēng)速作用于架空導(dǎo)線或桿塔上，會(huì)產(chǎn)生水平方向的荷載，風(fēng)速越大，風(fēng)壓越大，相應(yīng)地風(fēng)載也就越大，風(fēng)壓的大小一般與風(fēng)速的平方成正比，水平風(fēng)荷載使架空導(dǎo)線的應(yīng)力增大，桿塔會(huì)產(chǎn)生附加彎矩，根據(jù)流體力學(xué)中的伯努利方程[1]，理論風(fēng)壓為：

式中：Wv為風(fēng)速為v時(shí)的理論風(fēng)壓，N/m2或Pa；v為風(fēng)速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3。

為便于分析，一般情況下可采用氣溫15℃、絕對(duì)干燥時(shí)的空氣密度ρ=1.225 5 kg/m3。此時(shí)的理論風(fēng)壓Wv計(jì)算式為：

考慮導(dǎo)線沒有覆冰，架空線的迎風(fēng)面積形狀（體型）對(duì)空氣流動(dòng)的影響，以及風(fēng)向與線路走向間存在一定的角度，無冰時(shí)的導(dǎo)線風(fēng)壓比載γ1如公式3所示：

式中：αf為風(fēng)速不均勻系數(shù)，對(duì)于10 kV線路而言，取0.85；c為風(fēng)載體型系數(shù)，對(duì)于240 mm2的絕緣導(dǎo)線考慮為1.15；d為架空導(dǎo)線外徑，mm；Wv為風(fēng)速為v時(shí)的理論風(fēng)壓，N/m2；A為架空導(dǎo)線截面積，mm2；θ為風(fēng)向與線路方向的夾角。

除了風(fēng)速作用于架空導(dǎo)線或桿塔上會(huì)對(duì)桿塔產(chǎn)生水平方向的荷載之外，導(dǎo)線本身自重比載也會(huì)對(duì)桿塔產(chǎn)生水平方向作用力，自重比載是架空線自身的質(zhì)量引起的比載，其大小可認(rèn)為不受氣象條件變化的影響。自重比載γ2由式4計(jì)算：

式中：q為架空線的單位長度質(zhì)量，kg/km；A為架空線的截面積，mm2；g為重力加速度，g=9.8 m/s2。

由此可得，無冰有風(fēng)時(shí)的綜合比載γ3是架空線自重比載γ2和無冰時(shí)的導(dǎo)線風(fēng)壓比載γ1的矢量和，即：

根據(jù)公式5求出導(dǎo)線無冰有風(fēng)時(shí)的綜合比載，應(yīng)用架空線路弧垂公式，即可求出無冰有風(fēng)時(shí)水平應(yīng)力：

其中：fm為導(dǎo)線最低點(diǎn)弧垂，m；γ為導(dǎo)線綜合比載MPa/m；l為導(dǎo)線檔距，m；σ0為導(dǎo)線水平應(yīng)力，N/mm2。

2.2　桿塔風(fēng)荷載計(jì)算

電桿的彎矩校驗(yàn)按首先對(duì)作用在電桿上的水平荷載計(jì)算。

1）一根導(dǎo)線上的風(fēng)荷載P1：

式中：c為風(fēng)載體型系數(shù)，對(duì)于240 mm2的絕緣導(dǎo)線考慮為1.1；Wv為風(fēng)速為v時(shí)的理論風(fēng)壓，N/m2；S為導(dǎo)線的截面積，mm2；L為水平檔距，m。

2）電桿上的風(fēng)荷載P2：

式中：Wv為風(fēng)速為v時(shí)的理論風(fēng)壓，N/m2；H為電桿地面上部高度，m；D1為電桿梢徑，m；D2為電桿根部直徑，m。

2.3　35號(hào)耐張鋼管塔彎矩計(jì)算

考慮風(fēng)壓比載和自重比載時(shí)，導(dǎo)線型號(hào)為JKLYJ-10/240，導(dǎo)線單位質(zhì)量為0.948 kg/m，截面積為244.39 mm2，直徑為26.8 mm，不均勻系數(shù)0.85，風(fēng)載體型系數(shù)1.15，風(fēng)向與導(dǎo)線夾角90℃，檔距50 m，根據(jù)公式（6）可求出風(fēng)速為20、25、30、35 m/s時(shí)單根導(dǎo)線水平應(yīng)力及導(dǎo)線對(duì)桿塔水平作用力如表2所示。

表2　不同風(fēng)速時(shí)導(dǎo)線水平應(yīng)力

35號(hào)耐張鋼管塔型號(hào)為GN39-16，桿高16 m，根部直徑為890 mm，頂部為390 mm，根據(jù)公式7、8求出風(fēng)速為20、25、30、35 m/s時(shí)電桿上風(fēng)荷載，如表3所示。

表3　不同風(fēng)速時(shí)耐張鋼管塔風(fēng)荷載

考慮12根導(dǎo)線對(duì)桿塔產(chǎn)生的水平應(yīng)力和電桿風(fēng)荷載，則鋼管塔所受彎矩如表4所示。

表4　不同風(fēng)速時(shí)耐張鋼管塔彎矩

3月某日所處線路通道風(fēng)速達(dá)到35m/s，鋼管塔彎矩1 524.10 kN·m，無風(fēng)時(shí)鋼管塔彎矩677.76 kN·m，有風(fēng)是無風(fēng)時(shí)鋼管塔彎矩的2.4倍，鋼管塔根部彎曲標(biāo)準(zhǔn)值1 572.25 kN·m，有風(fēng)時(shí)鋼管塔所受彎矩是標(biāo)準(zhǔn)值0.97倍，有風(fēng)時(shí)鋼管塔所受彎矩未達(dá)到彎曲標(biāo)準(zhǔn)值，進(jìn)而對(duì)鋼管塔根部焊接部分進(jìn)行檢查。

圖2　35號(hào)耐張鋼管塔現(xiàn)場檢查情況

如圖2所示，35號(hào)鋼管桿采用灌注樁基礎(chǔ)，地腳螺栓與基礎(chǔ)連接牢固，鋼管桿法蘭盤與鋼管桿底部焊接不實(shí)，部分焊接部分未焊透情況，焊接部位存在夾渣及表面氣孔等缺陷，焊接后鋼管塔根部彎矩未達(dá)到額定標(biāo)準(zhǔn)值，在強(qiáng)風(fēng)作用下首先發(fā)生倒桿。

2.4　組裝桿彎矩計(jì)算

考慮35號(hào)耐張鋼管桿倒桿后，繼而引發(fā)直線組裝桿串倒，直線組裝桿承受不平衡張力，只受一側(cè)導(dǎo)線水平力，考慮組裝桿為Ф190×18×M×G，采用焊接方式，桿高18 m，底部直徑為470 mm，頂部為190 mm，則風(fēng)速為20、25、30、35 m/s時(shí)電桿上風(fēng)壓產(chǎn)生的水平作用力如表5所示：

表5　不同風(fēng)速時(shí)組裝桿風(fēng)荷載

考慮12根導(dǎo)線對(duì)桿塔產(chǎn)生的水平應(yīng)力和電桿風(fēng)荷載，則組裝桿所受彎矩如表6所示：

表6　不同風(fēng)速時(shí)組裝桿彎矩

在耐張鋼管塔倒塔后，直線桿受承受的彎矩急劇增加，在風(fēng)速35 m/s時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直線裝桿標(biāo)準(zhǔn)值（91.5 kN·m），在受力薄弱處首先發(fā)生斷桿，如圖3所示，組裝桿均從鋼圈與電桿主鋼筋處斷裂，上下鋼圈焊接未發(fā)生斷裂。對(duì)鋼圈與電桿主鋼筋處斷裂處進(jìn)行檢查，電桿主鋼筋與鋼圈存在焊接不牢或沒有焊接的情況，根據(jù)《環(huán)形混凝土電桿》（2014版）標(biāo)準(zhǔn)要求，縱向受力鋼筋與連接件的連接，普通鋼筋應(yīng)采用焊接方式[2]。

圖3　組裝桿現(xiàn)場檢查情況

2.5桿塔串倒原因

35號(hào)耐張鋼管桿在風(fēng)速35 m/s的情況下，35號(hào)耐張鋼管桿實(shí)際彎矩是無風(fēng)工況下的所承受彎矩的2.4倍，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)彎矩值的90%，在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)彎矩值范圍內(nèi)，因鋼管桿法蘭盤與鋼管桿底部焊接存在缺陷導(dǎo)致實(shí)際承受彎矩小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)彎矩值，出現(xiàn)鋼管桿倒桿，而鋼管桿地腳螺栓與基礎(chǔ)連接牢固，未在連接處出現(xiàn)斷裂，鋼管桿倒桿后，直線組裝桿因一側(cè)受力所承受水平力大幅增加，達(dá)到直線組裝桿標(biāo)準(zhǔn)彎矩15倍以上，導(dǎo)致從組裝桿受力薄弱處首先發(fā)生斷桿，鋼圈與電桿主鋼筋處焊接處因存在缺陷導(dǎo)致斷裂，從而引起直線組裝桿串倒。

3　結(jié)論

1）組裝桿不滿足典型設(shè)計(jì)要求。根據(jù)國網(wǎng)配電網(wǎng)工程典型設(shè)計(jì)（2016版）要求[3]，對(duì)于同桿4回出線，B類氣象區(qū)電桿應(yīng)采用Ф230×18×N×G（非預(yù)應(yīng)力）或者是Ф230×18×O×BY（部分預(yù)應(yīng)力），而某10kV線路電桿采用Ф190×18×M×G（非預(yù)應(yīng)力）電桿，不滿足典型設(shè)計(jì)要求；同一馬路相鄰10 kV線路雙回出線，導(dǎo)線采用JKLYJ-10/240絕緣導(dǎo)線，電桿采用Ф190×15×M×G（非預(yù)應(yīng)力）電桿，滿足典型設(shè)計(jì)雙回出線電桿型號(hào)要求，相應(yīng)線路未發(fā)生串倒事件。

2）桿塔生產(chǎn)工藝存在缺陷。從鋼管桿、直線組裝桿斷裂部位來看，均存在不同程度的焊接缺陷，連接處存在未焊透、夾渣的情況，此類缺陷屬于設(shè)備出廠前缺陷，而施工過程中，直線組裝桿鋼板圈焊接處、鋼管桿地腳螺栓與基礎(chǔ)連接牢固，未在強(qiáng)風(fēng)情況下出現(xiàn)斷裂，未反映出出廠后施工工藝缺陷。

4　建議

1）建議新建與改造線路嚴(yán)格按照典設(shè)要求設(shè)計(jì)。對(duì)不滿足典型設(shè)計(jì)要求，建議要根據(jù)氣象條件重新校核。

2）建議開展線路差異化抗風(fēng)改造。一是排查已發(fā)生過強(qiáng)風(fēng)天氣倒桿斷桿區(qū)段，建立強(qiáng)風(fēng)天氣倒桿斷桿區(qū)段明細(xì)；二是對(duì)發(fā)生過強(qiáng)風(fēng)天氣倒桿斷桿區(qū)段應(yīng)通過打防風(fēng)拉、縮小耐張段等措施提高配電線路抗風(fēng)水平。

3）提升配電線路工程驗(yàn)收水平。一是加強(qiáng)電桿質(zhì)量抽檢水平，加大關(guān)鍵項(xiàng)目檢測力度，二是加強(qiáng)線路工程現(xiàn)場驗(yàn)收水平，特別是桿塔加工及現(xiàn)場安裝工藝的檢查。