基于低溫、暴風雪、冰凍、凝凍突襲輸電線路引發事故的分析

[摘要]當覆冰線路的直徑超過40～60mm(湖南)或500mm(貴州)，比成人的手臂還粗，超過或遠遠超過線路15～30mm的設計值的要求導致220kV/500kV輸電線路鐵塔倒塔，故障停運，造成特大自然災害性事故，致使國家電網公司和南方電網公司所屬輸電線路遭受重創，嚴重威脅電網安全運行。文章從輸電線路的基礎、鐵塔、金具、導線的振動和舞動、巡檢新技術、檢修、外力破壞、線路管理等方面進行分析，力求對線路覆冰倒塔事故作一個較好的解釋。

[關鍵詞]暴雪凝凍；超設計值；輸電線路；振動舞動；鐵塔倒塔；電網安全

1、引言

風雪交加襲神洲抗災搶險保供電，新年伊始，氣溫驟降，大雪漫天。我國南方地區出現50年一遇的嚴重雨雪冰凍災害天氣，尤其是貴州、湖南、湖北、廣東、廣西、江西等地區電網遭到嚴重毀壞，事故頻發，造成大面積停電，嚴重影響了國民經濟的正常運行和人民群眾的生產生活。這是一次和大自然抗爭的無硝煙戰爭。在黨中央和國務院的統一部署下，在中央領導同志的親切關懷下，各級地方黨委、政府及電力監管機構和各電力企業(國家電網公司頒發公司令(2008)第1號)全力以赴，全體動員，克服重重困難，組織除雪除冰，奮力搶修受損設施。尤其是人民解放軍的積極支援，在極短的時間內盡快地恢復了大部分地區的供電，減少了災害造成的不利影響，保障了居民生活、醫院、學校、鐵路(牽引變電站)、交通、廣播電視、金融系統等涉及公眾利益和重要用戶的用電需求，增強了人民群眾戰勝雨雪冰凍災害的堅強信心。

2008年1月12日開始貴州陸續出現暴雪天氣，18日以后，全省87個縣有76個出現凝凍并由東向西延伸發展成為近53年來最嚴重的凝凍，至25日貴州電網遭受到雪凝災害破壞的電力線路已達到2803條，其中500kV/220kV/110kV/35kV/10kV線路11/28/125/34/2297條。

2008年1月13日以來，湖南遭遇30年一遇到的嚴寒天氣，受雨雪、霜、凍三種災害氣象夾擊，線路覆冰層堅硬如鋼鐵，光滑如玻璃。冰凍導致500kV/220kV/110kV線路跳閘55/163/2000條次，500kV/220kV/11OkV/35 kV線路倒塔89/108/55/200基(桿)，9座220kV變電站全停。

華中地區的河南、湖南、湖北、江西、四川、重慶(直轄市)電網及華東地區的浙江、安徽電網共發生500kV/220kV線路倒塔114/1154基。

2008年1月22日安徽大別山區普降大雪，氣溫突降。積極雪達到60-70cm。三峽電力大動脈——500kV宜華直流輸電線路安徽金寨張沖段****號塔位覆冰嚴重，導致相近4座500kV鐵塔損毀嚴重，緊急停運。

2008年1月26日13時，因線路覆冰太厚、鐵塔不堪重負，華電長沙電廠一沙坪變電站500kV線路3基鐵塔突然坍塌，致使正在線路上除冰搶險的湖南送變電建設公司的三名員工從50多米的高空墜地，以身殉職。在此我們表示沉痛的哀悼和崇高的敬意。

在主網受到嚴重破壞的同時，湖南(其他省份同樣)農村配網設備同樣遭受重創，至1月26日全省lOkV線路倒桿6837基，斷線5652處，斷線長度1400km，損壞配電變壓器457臺，7850個村組4034個臺區停電。

由于我國能源資源與用電負荷的分布極不均衡，以煤、水電為主的電源結構在很長時期內難以改變，電力跨區域大規模輸送必然選擇超(特)高壓輸電因為其具有輸電容量大、送電距離長、線路損耗低、工程投資省、走廊利用率高和聯網能力強等優越性，是滿足我國經濟快速發展對電力需求迅速增長的必然選擇。目前的省級聯網方式仍將繼續下去。

2、基礎設計選型優化原則的確定

2.1基礎和上部結構的強度配合

輸電線路是由地基、基礎、桿塔、絕緣子和導地線組成的系統，其安全可靠性屬于概率理論中串聯事件，系統安全程度將取決于概率較低的部分。

在我國，110～500kV輸電線路設計中考慮的故障順序一般是：

(1)直線塔；(2)直線塔基礎；(3)懸垂絕緣子金具串；(4)轉角塔；(5)轉角塔基礎；(6)終端塔；(7)終端塔基礎；(8)導地線；(9)耐張絕緣子金具串。以上各組成部分之間的故障順序通過了相應的專業設計規范的安全系數或分項系數特性。

目前按我國規范設計計算得到的各類基礎安全度是桿塔部分的1.2倍。

2.2基于可靠度理論的桿塔基礎設計

據統計分析我國50多年來電網運行情況發現，基礎出現事故概率小于桿塔倒塔概率?；A出現事故的主要原因集中于地質資料不正確、施工方法不當和外界環境變化等因素。

目前，輸電線路桿塔基礎已采用以概率理論為基礎的極限狀態設計方法，用可靠度指標度量基礎與地基的安全性，在規定的各種荷載獨立和組合作用以及各種變形要求的限值條件下，滿足線路各項安全性要求?；A穩定和承載力采用荷載設計值計算，地基不均勻沉降、基礎位移動等采用荷載標準值計算。

基礎上拔和傾覆荷載穩定性計算：基礎荷載設計值×基礎附加分項系數應小等于基礎承載力計算函數。

基礎承受下壓荷載時，基礎底面處的壓應力應滿足：基底平均壓力設計值應小等于軸心荷載，基底最大壓力設計值應小等于偏心荷載。

2.3基礎選型原則與要求

輸電線路距離長，跨越區域廣，沿徒地形與地質條件復雜，地基性質差異性大。每種桿塔基礎形式都有自身的特點和優勢，可應用于超(特)高壓線路工程的基礎形式也是多種多樣。經濟性、環境保護是超(特)高壓桿塔基礎設計中需自始至終加以考慮的因素。除此之外還需考慮地質條件、荷載特性、地基和基礎承載、施工方法等多種因素。對不良地基可采用特殊的基礎形式和地基處理方案。為充分發揮每種基礎形式的優點，確定基礎方案時應遵循以下原則：

(1)選用合理的基礎結構形式，改善基礎受力狀態。

(2)充分發揮地基自身承載特性，因地制宜采用原狀態基礎。

(3)注意環境保護和可持續發展戰略。

2.4基礎形式及其工程技術方案簡介

(1)在無地下水的硬塑、可塑性黏土地質條件和強風化地基巖中采用直柱全(半)掏挖、斜柱全掏挖原狀態基礎是一種既經濟又安全的方法。

(2)超(特)高壓桿塔基礎可采用斜插式基礎。

(3)在微風化和中等風化的巖石地基可因地制宜采用錨柱基礎(支錨式和群錨式)和嵌固式基礎。

另外還有灌注樁基礎，斜坡地形全方位鐵塔長短腿和不等高基礎，煤礦采用影響區桿塔基礎等。

2.5桿塔基礎水土保持問題

(1)基面排水通暢良好有利于基面挖方邊坡及基礎保護范圍外臨空面的土體穩定。

(2)護坡通常是沿著塔位周圍自然邊坡或基面挖方后的緩坡面采用砌塊石貼于坡面的原狀土上，并用水泥沙漿砌筑、勾縫。

(3)塔基基面保護和人工植被可保護基面及邊坡。

3、超(特)高壓輸電鐵塔

3.1超(特)高壓輸電鐵塔風震動荷載

超(特)高壓輸電桿塔高度增加，結構柔度增大，脈動風引起的振動效應增強，需要在結構設計中合理考慮風振動力荷載，增強結構的抗風能力。

目前桿塔結構設計引入風荷載調整系數(即風振系數)來對此動力效應加以考慮，但系數的選取應能滿足超(特)高壓輸電桿塔對結構安全性和經濟性的要求。

風荷載為輸電桿塔的主要可變荷載，它可看作由遠離結構自振頻率、屬靜力性質的平均風和與結構自振頻率較為接近、具有動力和隨機性質的脈動風兩部分組成。其中自振頻率會使結構產生受迫振動。

輸電桿塔屬于高聳結構，自振頻率較低與脈動風頻率接近，容易發生共振，產生大位移，對結構造成破壞，因而需要在結構設計中考慮風荷載的動力效應，增強結構的抗風能力。

3.2輸電線路增容改造中鐵塔結構安全評定

鐵塔安全性評定是輸電線路的重要環節，鐵塔構件銹蝕是鐵塔損傷的主要形式之一，往往導致其材料性能劣化和強度降低，從而影響鐵塔結構的承載能力，影響結構安全性。

鐵塔構件銹蝕往往導致構件材料力學性能和構件強度的降低，影響鐵塔結構的承載能力，威脅輸電線路的安全穩定運行。分析鐵塔銹蝕構件材料力學性能和不同銹蝕程度的關系，提出了鐵塔安全性評定準則和相應的處理及對策和措施。

3.3銹蝕鐵塔安全性評定

按照構件在鐵塔結構中所起的作用，鐵塔構件可分為主材、斜材和輔材三類。評定主要是主材和斜材，輔材應考慮其構件連接完整性。

我國輸電線路鐵塔結構常用的鋼材為Q235、Q345、Q390，現行設計標準以材料屈服強度為標準強度，結構應力小于設計強度時結構安全，當構件截面銹蝕使得構件應力達到材料屈服強度時構件發生屈服破壞、結構強度失效，處于不安全狀態。

銹蝕鐵塔的安全評定準則和處理對策和措施如下：

(1)一級構件，無損傷，為完好構件，無需處理。

(2)二級構件，截面損失率小于10％，需采取必要的加固修復措施。

(3)三級構件，截面損失率大于10％，為危險構件，建議拆除更換。

3.4鐵塔耐張線夾鋼錨拉出故障及處理

220kV鐵塔雙分裂導線在正常運行情況下突然滑出，導線弧垂大幅度下降，嚴重危及電網的安全運行，后經停電搶修恢復送電。確認故障原因為：耐張線夾壓接施工工藝不符合有關施工工藝規程中的規定，鋁管負一模壓接位置出現較大偏差，鋼錨與耐張線夾鋁管沒有連為一體，在導線長期荷載和微震動作用下，造成導線鋼芯斷裂，導致耐張線夾鋼錨拉出。

3.5超(特)高壓輸電線路鐵塔的可靠性

鐵塔結構作為輸電線路的直接支撐結構，其可靠性關系到整個線路的安全，合理的做法是應以結構構件的可靠概率或可靠指標進行比較，或者是通過一定的推導建立相當安全系數方法來進行比較。

輸電線路鐵塔構件的可變荷載有風荷載、冰荷載、導地線荷載等，其中大風荷載是活風荷載即可變荷載是設計中主要考慮的因素。

對于輸電線路用鐵塔的基本構件可取軸心受壓構件來決定輸電線路用桿塔的可靠度設置水平。

我國500kV普通線路的氣象荷載重現期為30年，2級可靠度等級，考慮1.2倍的風荷載調整系數后，其可靠度設置水平達到美國導則的100年一遇的4級結構重要性的可靠度水平；與歐洲標準相比而言，我國500kV線路的可靠度水平相當歐洲標準的150年一遇的2級可靠度等級，這說明與國外同類規范相比我國500kV輸電線路是安全的。

4、超(特)高壓輸電線路

4.1超(特)高壓輸電線路巡檢新技術開發和應用

超(特)高壓輸電線路具有鐵塔高、線路長、絕緣子串長、絕緣子片數多、運行安全可靠性要求高等特點?，F有的傳統的定期檢查與維護方法已很難適用。以“紫外檢測—紅外檢測—直升飛機”為核心組成的線路巡檢新技術系統構想已經提出，它具有安全、快速、準確、靈敏、省時、省力等許多優點，必將成為超(特)高壓輸電線路巡檢現代化的理想工具。

4.2輸電線路外力破壞分析與對策

針對輸電線路發生的外力破壞(一般所占比例為20％)的情況，對其規律、特點進行總結，分析原因和存在問題，提出對策。

輸電線路故障跳閘主要分為三大類：

(1)自然災害，如雷擊、覆冰、臺風、鳥糞、環境污染等。

(2)人為的外力破壞，如斗車、大吊車、挖土機等高大器械碰掛導線等。

(3)其他原因，如設備本身故障等。

外力破壞分類及原因：

(1)輸電線路本身性質決定很難徹底防止外力破壞，由于其多為野外露天架設，線路距離比較長，這為運行維護工作帶來極大不便，運行維護部門很難在第一時間發現并制止外力破壞。

(2) 線路保護區內野蠻施工，線路保護區內亂搭建，電力設施遭盜竊。

希望各級政府及相關部門對電力設施安全問題引起足夠重視。加強新聞媒體的宣傳力度。建立專業電力設施保護隊伍。

4.3超(特)高壓輸電線路防振

架空輸電線路導線的微風振動是威脅輸電線路安全運行的重要因素之一，是線路設計、建設和運行管理部門必須引起高度重視的問題。導線的微風振動超標常常引起導線疲勞斷股、金具損壞等，對線路的安全穩定運行造成威脅。通常普通線路通過安裝防振錘來防振，一般而言安裝1-3個防振錘能有效控制導線和地線的微風振動。大跨越工程由于掛高、檔距大、所處地形開闊等特點，水面上空容易形成流風，而且引起導線激振風速的范圍廣，因此導線微風振動的頻率范圍寬，而且吸收風能較普通檔距線路大得多，所以必須設計專門的防振裝置，否則極有可能發生導線斷線事故。

4.4超(特)高壓輸電線路舞動

架空輸電線路的舞動是一種空氣動力不穩定的現象，是輸電線路導線在不均勻覆冰后在風力作用下以前的一種低頻率(約為0.1～3Hz)、大振幅(約為導線直徑的20～300倍)的自激動振動，舞動嚴重威脅架空輸電線路的安全穩定運行。

由于超(特)高壓輸電線路與較低電壓等級的輸電線路相比具有導線截面大，對地距離大、檔距大、電壓等級高等特點，因此防舞動設計也應該與其他線路的防舞動措施有所不同。其設計宜采取將改變覆冰形狀，減輕風的激勵與采取提高線路穩定性相結合的方法采用已經開發出的二種新型防舞動裝置，分別是線夾回轉式間隔棒和線夾回轉式間隔棒雙擺防舞器。

線夾回轉式間隔棒是通過特殊的設計使得間隔棒的部分線夾可以自由或在一定的角度范圍內回轉，以達到改變冰形防止舞動的目的。

線夾回轉式間隔棒雙擺防舞器是將雙擺防舞器與線夾回轉式間隔棒相結合的產物，它具有改變冰形防止舞與提高穩定性防舞的雙重防舞功能。

我國是舞動多發的國家，有必要對超(特)高壓輸電線路采取防舞措施在舞動發生較多的地區，建議選用回轉線夾阻尼間隔棒，以克服導線不均勻覆冰的影響。

超(特)高壓輸電線路采用4(8、10)分裂導線的舞動情況：

(1)從舞動發生條件看，超(特)高壓輸電線路相同。

(2)從舞動特征看，超(特)高壓輸電線路相同。但相比于超高壓線路特高壓線路舞動發生的頻率要低許多。

(3)從舞動強度看，超(特)高壓輸電線路大體相當。與此推算220kV輸電線路發生舞動的情況也是比較嚴重的。

發生導線覆冰跳遠舞動混線斷線事故。覆冰厚度達到5cm以上導線出現了嚴重的超應力運行情況。

4.5關于輸電線路的檢修、維護、帶電作業

4.5.1停電檢修維護工作

(1)利用鹽密測試結果指導停電清掃周期，必須堅持逢停必掃(線路)的停電工作的重點工作方法。

(2)涂RTV可以提高線路的絕緣性能，減少清掃。但運行3年后應怎樣開展后續工作，如何檢測、試驗，判定其性能確定是否應大力推廣。免維護的合成絕緣子如何推廣應用。

(3)工作重點向登檢和處缺方面傾斜，提高線路本體的健康水平。

4.5.2關于輸電線路的帶電作業方面工作

(1)季節性測試主要有帶電脫離取鹽密、接頭測溫、測接地電阻等。

(2)設備缺陷處理、事故搶修。

(3)帶電工器具的開發特別是四分裂耐張更換絕緣子的專用工具。

4.5.3老舊線路的改造問題

對老舊線路進行設備改造主要解決的是導、地線問題，同時還需要解決線路絕緣子老化，金具和附件的配套等。盡量減少線路路徑的變動，充分利用所占的原線路通道走廊，并利用好占線路造價比例較大的鐵塔和基礎設施，通過縮小工程量來降低工程資金的投入。

導線設備的老化表現為過載疲勞，初伸長加大和彈性系數降低，導線掛線弧垂不可逆轉的持續加大，個別擋距已接近原線路標準弧垂的20％。運行中雖經幾次調整，但調整后弧垂變化速率加快，不久又恢復到原先的弧垂值，這是一個危險的信號。導線弧垂加大后，線路也出現多處跨越和對地距離不足的情況，被迫采取撤土等安全應對措施。鐵塔和架空避雷線銹蝕，以及金具、絕緣子老化，也是危及線路安全運行的一大因素，線路多次發生過絕緣子雷擊斷線，甚至造成兩根導線同時落地的重大事故。架空避雷線U形羅絲疲勞斷裂，使架空線掉落的重大事故險情。

改造后的輸電線路，維持了原線路的絕緣標準，提高了抗污閃的爬電距離等級，加大了線路的安全運行能力。

采用大面積導線、倍容導線或耐熱導線，如碳纖維導線、陶瓷纖導線等更換常規導線以對既有輸電線路進行改造，可充分利用線路走廊資源及其桿塔，節約土地資源，減低工程造價，縮短工期，是既有輸電線路提高輸送能力改造的主要形式，同時也是一種可持續發展的電網改造形式。輸電線路運行時間較長，鐵塔銹蝕較常見，特別是沿海地區、污染嚴重的化工區尤為突出。

4.5.4 10kV架空絕緣導線的采用

為了減少樹木、鳥類、積雪及氣象原因引起的覆冰配電線路故障，提高供電可靠性，配合大城市架空配電網實施大范圍的絕緣化改造采用架空絕緣導線。

架空絕緣導線確實解決了裸導線所解決不了的線路走廊和供電安全問題，與電纜相比，它具有投資省，建設速度快的優點，但雷擊斷線問題確十分突出，需要特別注意。

4.5.5輸電線路管理的特點

輸電網絡是電力系統重要的組成部分之一，對于整個電力系統而言，它就像人體的血管一樣，是電能能夠順利傳輸從而得到有效利用的保障。因此輸電網絡的故障或者癱瘓，如線路的短路斷路，小則影響某一個供電區域的用電，大則影響整個電力系統的穩定，造成難以估量的損失。

輸電線路是輸電網絡重要的組成部分，其設計、施工、運行和維護需要耗費大量的人力物力，因此，輸電線路管理的有效性和經濟性直接影響到電網的運營成本和運行效率。而設計高質量的輸電線路管理系統必須以充分了解輸電線路建設運行的特點和明晰輸電線路管理的需求為基礎。

超(特)高壓輸電線路通常具有十分明顯的地理特征，如輸電線路的走向、跨度，變電站的位置，線路經過地區的地形和跨越及氣候氣象條件等情況。這種與地理要素密切相關的特點，使得線路定期巡檢的工作十分繁重，也使得管理信息來源分散、種類繁多、處理的精度要求較高。

輸電線路管理的必然需求是：

(1)能有效地管理各種空間信息(如山脈、道路、水越、建筑物、架空線路和通信線路等)，以便了解輸電線路和線路上各種設備環境特征。

(2)能方便地查看輸電線路的各種視圖(如線路單線圖、桿塔定位圖、設備實物圖等)。

(3)能快速地查詢輸電線路和線路設備的數據資料(如線路的電壓等級、輸送容量、連接方式、路徑長度、導地線型號以及桿塔和基礎的型號、數量、位置及其材料表等)。

(4)能以地形地物數據為基礎，結合氣象等其他數據提高輸電線路建設和維護的自動化信息。

(5)能以地理環境數據為輸電線路維護、故障診斷和定位等提供能夠幫助決策的信息。

5、總結與建議

(1)當覆冰線路直徑超過或遠遠超過線路的設計值(寒風雨雪中，冰層厚度每小時增加1mm)嚴重威脅輸電線路安全運行時，調度部門應如何采取應急措施。

(2)設計如何提高輸電線路覆冰直徑。

(3)采用線夾回轉式間隔棒和線夾回轉式間隔棒雙擺防舞器以達到改變冰形防止舞與提高穩定性防舞的雙重防舞功能。

(4)借鑒、吸取我國北方地區電網的輸電線路應對覆冰的方法。