王振國,劉 黎,周嘯宇,劉 巖,倪宏宇,李 特,潘 鋒,李丹煜
(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院,杭州 310014;2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司,杭州 310007;3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司紹興供電公司,浙江 紹興 312099;4.中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計研究院有限公司,杭州 310012;5.中國電力科學(xué)研究院有限公司,北京 100192)
架空輸電線為風(fēng)敏感結(jié)構(gòu),具有柔性大、阻尼小的特點,且點多面廣,分布范圍廣泛,易受強(qiáng)風(fēng)影響。其中強(qiáng)對流引發(fā)的雷暴大風(fēng)對輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響尤其顯著[1-4]。雷暴天氣下,云層中的水滴及冰晶下落過程中,其表面產(chǎn)生的摩擦?xí)铀闹艿目諝庀鲁?,并逐步增?qiáng)下墜力從而產(chǎn)生下降氣流,高空下降的冷氣流在到達(dá)地面時會水平展開,形成猛烈陣風(fēng)。澳大利亞對輸電桿塔倒塔事故的調(diào)查發(fā)現(xiàn),90%的倒塔事故與雷暴強(qiáng)風(fēng)有關(guān)。南非、美國、澳大利亞等國家統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),80%以上天氣因素導(dǎo)致的倒塔事故與局地雷暴強(qiáng)風(fēng)密切相關(guān)[5]。
雷暴可以分為單體雷暴、多單體雷暴、颮線及超級單體雷暴四種類型。下?lián)舯┝髯鳛槔妆┐箫L(fēng)的一種,又稱為雷暴沖擊風(fēng),是由雷暴云中局部性的強(qiáng)下沉氣流到達(dá)地面后產(chǎn)生的直線型大風(fēng),最早由氣象學(xué)家藤田哲也發(fā)現(xiàn)并命名,其典型特征為高度輻散的直線大風(fēng)或者曲線型大風(fēng),山地和丘陵地區(qū)是下?lián)舯┝鞯亩喟l(fā)區(qū)域[6-8]。區(qū)別于臺風(fēng),下?lián)舯┝鳠o固定影響區(qū)域,具有局地性、小尺度、突發(fā)性特點,現(xiàn)有的監(jiān)測預(yù)警能力無法實現(xiàn)有效預(yù)警。目前國內(nèi)的輸電線路設(shè)計規(guī)范中亦不考慮下?lián)舯┝?,線路設(shè)防水平有限[9-10]。近年來隨著全球變暖,強(qiáng)對流天氣頻發(fā),下?lián)舯┝鞯葟?qiáng)對流天氣對輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行威脅不斷加大。
目前國內(nèi)已有眾多學(xué)者關(guān)注到下?lián)舯┝鲗旊娋€路運(yùn)行的危害,并開展了相關(guān)的理論研究[8-10]。然而由于國內(nèi)對下?lián)舯┝鞯难芯科鸩捷^晚,早期輸電線路倒塔事故分析中強(qiáng)對流天氣引發(fā)的災(zāi)害大風(fēng)通常只劃分為龍卷風(fēng)和颮線風(fēng)兩類,未能進(jìn)一步有效識別下?lián)舯┝鳎虼藝鴥?nèi)少有報道下?lián)舯┝饕l(fā)輸電線路故障[11-14]。
本文針對一起下?lián)舯┝鲗?dǎo)致的500 kV 輸電線路倒塔事故開展分析,結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查及桿塔力學(xué)分析,判斷此次倒塔為下?lián)舯┝鲗?dǎo)致。分析結(jié)果可為后續(xù)研究下?lián)舯┝髯饔孟碌妮旊娋€路失效機(jī)理提供參考。
2021 年5 月14 日晚,紹興地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)對流大風(fēng)天氣,22:15:06,500 kV 某線路B 相故障,0.7 s 后A 相故障,線路三相跳閘,故障測距6.5 km;5 月15 日00:15,強(qiáng)送失敗。該線路于1997年12 月投運(yùn),線路全長48.677 km,共102 基桿塔,全線單回路架設(shè),平均高程250 m,設(shè)計風(fēng)速27 m/s(離地10 m 高)。故障段導(dǎo)線采用4×LGJ-400/35,地線采用LGJ-95/55 及OPGW-120,設(shè)計風(fēng)速27 m/s,設(shè)計覆冰厚度10 mm,與現(xiàn)行風(fēng)區(qū)圖、冰區(qū)圖匹配。采用的桿塔設(shè)計風(fēng)速、導(dǎo)地線與工程使用一致,設(shè)計水平檔距、垂直檔距、轉(zhuǎn)角度數(shù)與工程實際使用情況如表1 所示。對14—19 號桿塔在27 m/s 風(fēng)速下按工程實際使用條件進(jìn)行校驗,各桿件均不超載,滿足規(guī)范要求。
表1 桿塔設(shè)計條件及使用條件
對線路受損情況進(jìn)行檢查巡視發(fā)現(xiàn),故障線路14—19 號共6 基塔受損,其中:14 號、17 號、19 號塔塔身上部扭曲受損;16 號塔受損最嚴(yán)重,主材完全變形傾倒;15 號、18 號塔橫擔(dān)受損,基礎(chǔ)無異常;受損線路14 號、15 號、17 號、18 號、19 號塔周圍植被無明顯損傷,與該線路平行架設(shè)、中心距離60 m 的某500 kV 線路未發(fā)現(xiàn)損傷情況;緊鄰16 號塔附近有大量的樹木傾倒,樹木大面積折損或連根拔起;17 號塔附近存在樹木倒伏情況。具體受損情況如圖1—圖5 所示。
圖1 14 號塔、15 號塔受損情況
圖2 16 號塔塔身受損情況
圖3 17 號塔塔身及附近植被受損情況
圖4 18 號塔塔身受損情況
圖5 19 號塔塔身受損情況
故障桿塔所屬耐張段為11—40 號段,耐張段長度14.871 km,屬于超長耐張段。故障區(qū)段,最大檔距段為18—19 號檔,檔距984 m,其次為16—17 號檔,檔距637 m;最大高程差檔距段為16—17 號檔,高程差67 m。導(dǎo)線風(fēng)荷載較大檔段為16—17 號檔與18—19 號檔。
氣象監(jiān)測顯示,14 日浙北地區(qū)和浙中的西部地區(qū)午后到夜里出現(xiàn)8~10 級局地11~12 級雷雨大風(fēng)、強(qiáng)雷電、短時暴雨等強(qiáng)對流天氣。氣象雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6 所示,可以看出22:10—22:20有強(qiáng)回波移動至故障區(qū)域,最大強(qiáng)度達(dá)到61 dB,說明故障區(qū)段存在強(qiáng)對流天氣,具備引發(fā)局部大風(fēng)氣象條件。故障區(qū)段所在的柯橋區(qū)監(jiān)測到風(fēng)速33.7 m/s(12 級),監(jiān)測點位于距離故障區(qū)段16.5 km 的平原地區(qū)。線路故障區(qū)段沿山脊走線,基本走向為東北—西南走向,位于浙中延綿山區(qū),周圍植被茂盛。故障桿塔多位于迎風(fēng)面的最高點,除14 號桿塔外,其他桿塔附近地形多以山頂、山梁為主,強(qiáng)對流天氣過程中,山頂風(fēng)場加速效應(yīng)明顯。
圖6 故障區(qū)域雷達(dá)回波監(jiān)測
雷暴大風(fēng)按其形式可以分為直線風(fēng)和龍卷風(fēng)。其中直線風(fēng)指造成風(fēng)災(zāi)且移動路徑為直線的地表風(fēng),與移動路徑為曲線的龍卷風(fēng)相區(qū)別[1]。災(zāi)損現(xiàn)場16 號、17 號塔附近樹木就地折斷倒伏,并無移位現(xiàn)象,災(zāi)損點間無連續(xù)通道,不符合龍卷風(fēng)造成的災(zāi)損特點,排除強(qiáng)對流引發(fā)龍卷風(fēng)災(zāi)害的可能性。本次大風(fēng)天氣受災(zāi)點的分布范圍較小,并且較為分散,災(zāi)損點樹木倒向具有明顯輻散特點(圖7、圖8)。結(jié)合故障點樹木零星折斷等跡象,高度符合強(qiáng)對流天氣中的下?lián)舯┝饕l(fā)災(zāi)害空間分布不連續(xù)、多尺度和強(qiáng)災(zāi)害時空尺度小等顯著特征,判斷為強(qiáng)對流天氣引發(fā)下?lián)舯┝鳎聯(lián)舯┝饕l(fā)的強(qiáng)風(fēng)疊加主導(dǎo)風(fēng)引發(fā)此次大風(fēng)災(zāi)害。16 號塔附近出現(xiàn)較大硬木樹干折斷,如圖9所示。參考?xì)庀驟F 等級對風(fēng)災(zāi)的定級標(biāo)準(zhǔn),此次下?lián)舯┝鲝?qiáng)度最強(qiáng)達(dá)EF2 級,現(xiàn)場瞬時風(fēng)速可能已超過50 m/s[15-16]。
圖7 16 號塔附近樹木倒伏情況
圖8 故障區(qū)段樹木受損區(qū)域
圖9 16 號塔附近出現(xiàn)較大硬木樹干折斷
1)同通道某500 kV 線路風(fēng)偏跳閘
與倒塔線路同通道的某500 kV 線路17 號塔于22:15:05:186 發(fā)生風(fēng)偏跳閘,跳閘時間比倒塔線路跳閘時間提前1 s,且發(fā)生風(fēng)偏跳閘的17 號桿塔位于倒塔線路16 號桿塔西側(cè),距離約為92 m,說明兩條線路均是在由西向東大風(fēng)作用下發(fā)生的懸垂串風(fēng)偏對塔身放電閃絡(luò)。發(fā)生風(fēng)偏跳閘的17 號塔距離倒塔線路16 號塔約92 m,未受到下?lián)舯┝饔绊?,故未發(fā)生線路本體受損。經(jīng)計算,發(fā)生風(fēng)偏跳閘線路17 號塔發(fā)生兩相風(fēng)偏的風(fēng)速至少為28.7 m/s,倒塔線路16 號塔發(fā)生兩相風(fēng)偏的風(fēng)速至少為28.2 m/s,說明倒塔故障發(fā)生時存在自西向東、風(fēng)速至少為28 m/s 的大風(fēng)。
2)倒塔線路跳閘
根據(jù)氣象臺站信息,故障區(qū)域14 日夜間主導(dǎo)風(fēng)向為西風(fēng),在故障發(fā)生時間段氣象站記錄到最大風(fēng)速,說明故障時刻在由西向東大風(fēng)作用下,倒塔線路發(fā)生B 相、A 相相繼風(fēng)偏跳閘。在風(fēng)偏跳閘停運(yùn)后,22:15:10—22:15:14 之間倒塔線路16 號塔北側(cè)發(fā)生下?lián)舯┝?,給倒塔線路16 號塔帶來了更大的疊加風(fēng)荷載,導(dǎo)致16 號塔嚴(yán)重受損。16 號塔附近受下?lián)舯┝鳑_擊后的風(fēng)向如圖10 所示。
圖10 16 號塔附近受下?lián)舯┝鳑_擊后的風(fēng)向
3)跨越220 kV 某同塔雙回線跳閘
與倒塔線路交叉跨越的某220 kV 同塔雙回線路分別于22:15:21,22:15:22 發(fā)生故障跳閘,兩回線路故障時間比倒塔線路跳閘時間晚約15 s。巡視發(fā)現(xiàn)倒塔線路17—18 號檔掉落導(dǎo)線導(dǎo)致其跨越的220 kV 某同塔雙回線發(fā)生故障停運(yùn)(圖11),故判斷倒塔線路受損時間可能發(fā)生在22:15:10—22:15:14 之間,并在7~10 s 時間內(nèi)引起17 號、18號塔受損,導(dǎo)線掉落,引起下方的220 kV 同塔雙回某線路發(fā)生接地故障跳閘。全部線路受損時序如圖12 所示。
圖11 倒塔線路掉落導(dǎo)線導(dǎo)致跨越的220 kV 某線停運(yùn)
圖12 線路受損過程時序圖
結(jié)合故障現(xiàn)場查勘,倒塔線路的14 號、17號、19 號3 基塔塔身上部彎曲受損,16 號塔受損最嚴(yán)重(從塔腿底部傾倒),15 號、18 號塔橫擔(dān)受損,以上桿塔基礎(chǔ)均未受損。各受損桿塔彎折及受損方向如圖13 所示,全部朝東南方向,基本與16 號塔一致。結(jié)合各塔抗風(fēng)能力仿真計算和現(xiàn)場實際損毀情況,判斷16 號塔為本次事故首基受損桿塔。
圖13 倒塔線路桿塔彎折及受損方向
倒塔線路的具體受損過程如下:
1)在倒塔線路16 號塔小號側(cè):16 號塔受風(fēng)力作用側(cè)向倒伏,由于導(dǎo)地線未斷,鄰近的15號直轉(zhuǎn)塔受側(cè)向風(fēng)荷載、側(cè)向拉力和縱向不平衡張力差共同作用,導(dǎo)致局部塔頭向內(nèi)角側(cè)拉出;14 號塔由于距離15 號塔較近(檔距120 m),承受側(cè)向風(fēng)荷載和側(cè)向拉力,導(dǎo)致塔身部折斷;13 號塔承受的傳導(dǎo)側(cè)向拉力減弱,且縱向不平衡張力也未超設(shè)計條件,因此未受損。
2)在倒塔線路16 號塔大號側(cè):16 號塔受風(fēng)力作用側(cè)向倒伏,17 號塔受側(cè)向拉力和風(fēng)力同時作用,塔身上部側(cè)向倒伏。由于17 號塔受損,導(dǎo)致17—18 號檔張力釋放,18 號塔受側(cè)向拉力和縱向不平衡張力作用,導(dǎo)致18 號塔頭往偏大號方向側(cè)向傾倒;18 號塔塔頭傾倒后導(dǎo)致18—19號檔張力釋放,19 號塔縱向不平衡張力超設(shè)計條件,19 號塔塔頭往大號側(cè)傾倒;20 號塔縱向不平衡張力未超設(shè)計條件,故未受損。
按常規(guī)桿塔設(shè)計方法對受損桿塔區(qū)段進(jìn)行設(shè)計校驗(考慮荷載分項系數(shù)),結(jié)果如表2 所示:16 號塔受損風(fēng)速臨界值最小,為33 m/s,其抗風(fēng)能力相對較弱;15 號塔受損風(fēng)速臨界值最大,為42 m/s;14 號、17 號、18 號、19 號塔受損風(fēng)速均大于33 m/s。
表2 桿塔受損風(fēng)速(離地10 m 高,10 min 平均值)
為進(jìn)一步明確16 號塔倒塔原因,對16 號塔結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行仿真模擬,若垂直倒塔線路方向風(fēng)速按28.2 m/s(發(fā)生兩相風(fēng)偏時的風(fēng)速)考慮,當(dāng)順線路方向自北向南給16 號塔身疊加33 m/s 風(fēng)速(故障區(qū)域?qū)崪y最大風(fēng)速)時,該工況下該塔應(yīng)力比超限部位為2 號腿底部兩節(jié)主材,此時該兩節(jié)主材應(yīng)力比達(dá)到1.02~1.03。由西向東的橫向風(fēng)和由北向南的下?lián)舯┝鞔箫L(fēng)都會使2 號腿主材受壓,對其形成了受壓內(nèi)力的疊加,成為4 根主材中壓力最大的一根。根據(jù)計算結(jié)果,底部兩節(jié)主材的應(yīng)力顯著大于其余段主材的應(yīng)力,并已超限。因此在西側(cè)橫向風(fēng)和下?lián)麸L(fēng)作用下,2 號腿底部兩節(jié)主材會首先達(dá)到承載力極限,形成失穩(wěn)破壞。
當(dāng)2 號腿底部主材失穩(wěn)后,失穩(wěn)主材將成為無效構(gòu)件,鐵塔內(nèi)力分布如圖14 所示。2 號腿主材從上至下將基本失去承擔(dān)受壓的能力,大部分壓力將轉(zhuǎn)由1 號腿主材承受,1 號腿底部主材很快也會因內(nèi)力超限而失穩(wěn)破壞。從2 號腿主材失穩(wěn)退出工作到內(nèi)力重分布導(dǎo)致1 號腿主材失穩(wěn),整個過程是在很短時間內(nèi)完成的,因此倒塌模式上接近于1 號、2 號腿主材同時失穩(wěn)破壞。計算模擬結(jié)果顯示鐵塔整體以向側(cè)面傾覆為主,并未表現(xiàn)出明顯的前后方向傾覆。結(jié)合氣象過程分析和仿真分析,判斷16 號塔嚴(yán)重受損是在由西向東的主導(dǎo)風(fēng)疊加瞬時下?lián)舯┝鞔箫L(fēng)共同作用下引發(fā)。仿真得到16 號塔倒塔時鄰近15 號塔和17號塔的不平衡張力分別為267 kN 和223 kN,均超過桿塔塔頭屈服強(qiáng)度,導(dǎo)致15 號塔和17 號塔受損。與此同時,13 號塔和20 號塔不平衡張力分別為58 kN 和73 kN,小于桿塔塔頭設(shè)計應(yīng)力值,未發(fā)生桿塔受損。
圖14 16 號塔2 號腿失穩(wěn)后軸力云圖
本文針對一起下?lián)舯┝鲗?dǎo)致的倒塔事故進(jìn)行了分析。在下?lián)舯┝髯饔孟?,由北向南的下?lián)舯┝鞔箫L(fēng)與由西向東的主導(dǎo)大風(fēng)風(fēng)荷載共同疊加在倒塔線路16 號塔上,超過塔材承受極限而導(dǎo)致桿塔嚴(yán)重受損。16 號塔受損后,受側(cè)向風(fēng)荷載、側(cè)向拉力和縱向不平衡張力差及風(fēng)力共同作用,引起14—19 號塔受損。同通道某500 kV 線路在由西向東主導(dǎo)大風(fēng)作用下發(fā)生了懸垂串風(fēng)偏對塔身放電閃絡(luò),但由于發(fā)生風(fēng)偏跳閘桿塔距離下?lián)舯┝鬏^遠(yuǎn),未受到下?lián)舯┝饔绊?,因此未發(fā)生線路本體受損。
為提升輸電線路抵御下?lián)舯┝鞯确堑湫蛷?qiáng)對流大風(fēng)能力,一是提高輸電線路防風(fēng)設(shè)計水平。收集和分析輸電線路附近氣象臺站監(jiān)測數(shù)據(jù)及歷史風(fēng)害故障數(shù)據(jù),開展輸電線路風(fēng)險評估,針對風(fēng)害高發(fā)區(qū)域,考慮下?lián)舯┝鞯葹?zāi)害大風(fēng)的影響,適當(dāng)提高設(shè)計水平。二是提升電網(wǎng)強(qiáng)對流大風(fēng)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力。針對下?lián)舯┝鞯葟?qiáng)對流大風(fēng)具有時間和空間尺度小、突變性強(qiáng)的特點,綜合利用衛(wèi)星、雷達(dá)等多源數(shù)據(jù),建立災(zāi)害預(yù)警機(jī)制,提前采取有效應(yīng)對措施。