南通地區輸電線路風災倒塔分析與防范對策

陳國建

(南通供電公司，江蘇 南通 226006)

隨著地方社會經濟的不斷發展，南通電網建設投資逐年加大，技術裝備水平也在不斷提升，承擔著電能輸送的輸電線路所占的地位尤為重要，它直接影響著電網的安全運行和用戶的可靠供電。輸電線路遍布繁華城市和農村田野，具有分散性、不確定性，它時刻面臨地域自然環境、多變自然現象、人為外力破壞的侵襲。近年來，突發性風災倒塔事故接連發生，給公司和用戶造成了經濟損失，也給政府和企業帶來一定的社會影響。

1 南通地區輸電線路風災倒塔事故

1.1 風災倒塔事故回顧

據統計，自2011年7月以來，南通地區發生過兩起輸電線路風災倒塔事故，事發當天，氣象部門證實事故地區曾發生因強對流天氣引發颶風或龍卷風，颶風或龍卷風致使倒塔。

（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，周邊數十間農房被刮倒，風災倒塔致使江海橋變備用電源失電，數十條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，事故附近工廠區內的職工宿舍刮倒，鋼結構的活動板房被掀翻，風災倒塔致江山股份公司110kV變電所失電，如圖2所示。

1.2 風災倒塔事故現場診斷分析

根據現場的風災倒塔事故特征，查閱相關的數據資料，兩起倒塔事故特征如表1所示。

表1 風災倒塔事故分析信息

由表1分析可知，此次風災倒塔的為直線塔，工程設計使用條件控制在允許范圍之內。雙回路EZST1-36鐵塔系南通電力設計院有限公司1996年開發設計塔型，工程累計使用已達四十余基；單回路ZS3A-27，ZS4A-24鐵塔系國標77系列塔型，工程累計使用已達數百余基，以上兩塔型自投產以來運行良好。

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：一是龍卷風的風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，在某主材節點或橫隔斷面應力集中處出現應力超標時，發生初次破壞，由初次破壞附加應力產生惡性循環，致使鐵塔失穩，直至倒塔；二是龍卷風強大的正面風力對鐵塔、導線產生巨大沖擊力，而當塔身某主材節點或橫隔斷面超越其穩定極限值時，致使鐵塔失穩，直至倒塔。

ZS3A-27，ZS4A-27風災倒塔特征為下橫擔以下8 m處發生折斷，亦與上述有相似之處。

2 風災倒塔事故原因的技術分析

2.1 自然突發性氣候及惡劣氣象引起的倒塔

南通地區地處平原，臨江靠海，屬亞熱帶季風氣候，據相關資料介紹，颶風或龍卷風在江蘇并不少見，平均每年江蘇地區會有二十多次的風災事件[1]，南通地區為颶風或龍卷風災害的高風險區和高易損區[1]。通過到南通氣象局了解獲悉，南通地區每年夏季7～9月，由于強烈的冷暖激烈的對流，在空曠平坦地區（如農田、湖泊、江海）極易形成颶風或龍卷風，且強風的形成演變很復雜。

颶風與普通的近地風不同，前者呈現出中間大、兩頭小的葫蘆狀分布[2]，如圖3所示。颶風風速沿高度分布；龍卷風是一種向中心方向運動的氣流，在其所造成的破壞現象中可以看到非常明顯的中心旋轉的跡象[3]，如圖4所示。龍卷風產生的渦流旋轉力也是巨大的，所經地段破壞極大，依目前研究水平和技術手段無法做詳盡的解釋和預警播報，只能憑借事后現場破壞等級和痕跡診斷判斷。颶風和龍卷風在鐵塔40～60 m處風速最大、破壞力最強，據資料介紹，一般颶風或龍卷風的最大瞬時風速超過50 m/s，風速極易超過線路設計標準，輸電鐵塔一旦正面遭受颶風和龍卷風侵襲，風災倒塔事故在所難免。

圖3 颶風風速沿高度的分布

2.2 技術研究和設計標準帶來風災倒塔的可能性

圖4 漏斗狀強風渦流龍卷風現象

（1）目前，我國現行輸電鐵塔抗風設計技術規程中，導線與輸電塔結構通常是分開進行設計驗算的，導線的荷載當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。據資料查閱，“輸電塔—線”體系是一種復雜的空間耦聯體系，這種耦合效應使得輸電鐵塔的動力特性和風振響應十分復雜，日本對“輸電塔—線”體系的動力特性和風振響應進行了研究，其研究成果已反映到日本輸電鐵塔抗風設計技術規程中[4]。我國沒有類似仿真模擬試驗和設計模型的研究，研究滯后和數據缺乏則給實際應用帶來了很大局限性和不完整性，造成了抗風災技術理論與設計應用存在不對稱性的被動局面，所以國內有關技術研究的局限性也是風災倒塔原因之一。

（2）2008年初，南方冰災倒塔，國網公司組織專家針對性地開展了專題研究，在最新的設計規程中，補充設計氣象工況組合，提高了設計標準數值，這在最新的鐵塔標準化設計中得到驗證，反映到工程應用設計中，特別在“三跨”標準應用上效果尤為明顯。

基于氣象設計風速的重現期和風速基準高度，對輸電鐵塔抗風設計影響極大。我國設計規程一直受東歐等國技術標準的影響，考慮目前我國經濟技術政策要求，在重現期和風速基準高度的設定上相對鄰國（如日本）偏低，基于概率統計計算出的基本平均風速也偏小，相應鐵塔抗風設計能力較弱。國內外輸電線路設計風速基準值的設定比較如表2所示。可以看出，我國最新2010年版規程的設計抗風基本平均風速均較日本低：110～330kV低70%、500～750kV低48%。所以輸電鐵塔抗風設防基準偏低也是風災倒塔原因之一。

表2 中國與日本設計風速選定條件對照表

3 風災倒塔有限防范對策的研究

3.1 采用先進設計技術

（1）自2007年起，國網、省網典設鐵塔的內力分析采用以概率理論為基礎的極限狀態設計方法（分析軟件TTA），替代系統原普遍采用的滿應力計算程序，對桿件優化更全面、更合理。通過優化主材節間長度、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，從而減小材料規格，降低風荷載，控制耗鋼量。

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

圖5 優化結構（一）

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

圖6 優化結構（二）

③ 調整隔面設置的位置，減小隔面構件的規格，同時避免了塔身斜材同時受壓的發生；在截面回轉半徑相同的條件下，盡量選擇使用薄壁角鋼，以減小構件重量。

④ 節點連接優化。避免相互連接桿件夾角過小，減小負端距；節點連接要緊湊、剛度強；盡量減小桿件偏心連接和節點板受彎，避免應力集中；避開對孔布置，減小桿件斷面損失；加長桿件構造長度，減少包角鐵連接數量。

（2）采用高強鋼材，其強度和承載能力都有較大提高，Q420與Q345相比較強度提高23%，承載力提高18%。高強鋼的使用，可有效避免組合截面的出現，簡化了結構構造，減少了構件元素數量，可有效提高鐵塔結構的先進性和安全可靠度。

由于鐵塔上構件多數為受壓失穩控制，而同樣長細比λ下高強鋼材受壓穩定系數要比普通鋼材低，同時，兼顧考慮到鐵塔構件間的剛度匹配，所以只有在一定的條件下使用高強鋼材才有技術優勢。以Q420角鋼為例，經計算對比見表3，重荷載塔身主材以及多數長細比λ小于80材料均可推廣使用高強鋼材，因高強鋼材而減小塔材規格型號和鐵塔自重，對抗風災極為有利。

表3 不同鋼質和長細比下承載力差異表

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

3.2 應用差異化設計

（1）優化線路路徑走向，避免在極易產生強怪風、疾風的高大建筑物間和狹窄的通道處架線；針對特殊區域、特殊地段和重要線路，合理規劃鐵塔呼高和檔距，控制塔形的使用條件，適當預留設計裕度，提高塔形的抗風設計標準；城市輸電線路可推廣采用鋼管桿，提高自然抗風能力。

（2）根據地形、地物等條件合理地確定獨立耐張段方案，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，且直線塔不應超過3基，有效釋放相鄰耐張段風災倒塔事故的不平衡力，減小風災倒塔的影響范圍；對于運行搶修特別困難的局部區段線路，采取適當的加強措施。

（3）輸電線路設計重現期由30年一遇提高到50年一遇，風速值提高約5%，風壓值提高了11%左右，線路對桿塔的抗風能力提高了很多，但不會造成工程量較大的增加[5]，因此通過差異化設計，提高線路抗風災能力，必要時還可按稀有風速條件進行驗算。

3.3 加強綜合管理

（1）鐵塔原材料的采購、制造工藝、加工質量等對鐵塔抗擊風災的作用不可忽視。增加材質分析測試樣本數，監控塔材材質化學、物理分析測試參數達標；按照國網招標要求，將塔材負公差嚴格控制在國標的50%以內，同時提高塔材加工精度標準，嚴控塔材防腐工藝和熱鍍鋅質量。

（2）加強現場施工技術質量管理，加大對加工監造、出廠驗收和現場驗貨的技術管控；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；加強鐵塔組立整體撓度，以及結點處彎曲度的檢查，確保鐵塔整體受力均勻，減少因人為產生鐵塔附加荷載。

（3）加強運行維護管理，有效開展常規巡視和季節性特殊巡視工作，及時消除鐵塔安全隱患。由于輸電線路直線塔承受導線和塔身的風載，在所受風力大小和方向不定所產生震動的情況下，鐵塔難免出現共振，經過一段時間運行，出現螺栓松動現象，如不及時復緊，直接影響鐵塔的抗風抵御能力，因此，開展周期性螺栓緊固和復檢，以及臺風來臨前的鐵塔臨時補強顯得極其重要。

3.4 構建合作機制

（1）密切關注有關“輸電塔—線”耦聯體系前沿技術的研究，跟蹤收集國內外先進技術應用成果，加強與電力建設研究機構、區域電力設計單位的學習交流，不斷提高輸電鐵塔抗風災技術理論和經驗方法的積累。

（2）加強與地方氣象部門合作，科學應用有關惡劣氣象（如颶風、龍卷風）的研究成果，采用先進可靠的新技術和新裝備，不斷提高輸電線路風災防御能力；完善極端氣候災害后的快速恢復和重建機制，加大對線路倒塔災后恢復重建的技術研究，提高與電力用戶、政府的協調處置能力，為快速恢復供電提供支撐。

4 結束語

因自然惡劣氣象固有的突發性和不確定性，強怪風和龍卷風出現的頻率不斷增加，輸電線路一旦遭受其正面侵襲，風災倒塔無法避免。面對新問題、新考驗，積極主動加大對輸電線路風災倒塔技術的研究，通過科技攻關，不斷探索與創新，結合實際，因地制宜，不斷提高設計、建造、運行的技術應用水平，在一定范圍內有效抵御風災倒塔的發生，盡力降低風災倒塔帶來的損失，為構建安全可靠和諧的供用電環境提供保障。

[1]許遐禎，潘文卓，繆啟龍.江蘇省龍卷風災害易損性分析[J].氣象科學，2010，30(2)：208-213.

[2]謝 強，張 勇，李 杰.華東電網500kV任上5237線颮線風致倒塔事故調查分析[J].電網技術，2006，30(10)：59-63，89.

[3]魏文秀，趙亞民.中國龍卷風的若干特征[J].氣象，1995（5）：36-40.

[4]張 勇.輸電線路風災防御的現狀與對策[J].華東電力，2006，34(3)：28-31.

[5]孫竹森，程永鋒，張 強，等.輸電線路鋼管塔的推廣與應用[J].電網技術，2010，34(6)：186-192.