臺風引起的500kV輸電線路桿塔倒塔分析

陳小偉

(國網浙江省電力公司麗水供電公司 浙江麗水 323000)

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臺風引起的500kV輸電線路桿塔倒塔分析

陳小偉

(國網浙江省電力公司麗水供電公司 浙江麗水 323000)

2016 年14號臺風“莫蘭蒂”對廈門電網造成嚴重破壞。針對一條受損的廈門地區500kV輸電線路做典型分析，根據氣象站觀測數據、災后現場桿塔受損情況調查、計算分析，判斷桿塔破壞的原因，提出差異化設計建議。

輸電線路桿塔；倒塔分析；臺風

1 “莫蘭蒂”臺風概況

2016年9月15日凌晨3點，第14號臺風“莫蘭蒂”在廈門翔安登陸，登陸時中心氣壓935hPa，中心最大風力15級，局部最大陣風17級，對廈門、泉州、漳州地區電網造成嚴重影響。

因災害事故點處無氣象自動站，通過附近各自動觀測站及廈門氣象本站的對比分析，結合自動站與電網事故點的地形地貌分析，選取距離災害事故點最近的杏林大橋氣象自動站和同安大橋氣象自動站作為事故點風速的氣象參考站，推薦事故區域10min平均最大風速取值為42.9m/s，瞬時最大風速取值為63.1m/s。

通過廈門氣象本站歷年最大風速系列頻率分析可知，該次臺風期間本站所測10min平均最大風速重現期區間為65年～88年。通過廈門地區風壓換算的風速的分析，該次臺風期間本站所測10min平均最大風速重現期區間為65年～75年。通過對建國以來廈門地區最強3次臺風的分析對比及相關氣象檔案的分析可知，1614號臺風為廈門地區87年來最強臺風。

該次電網事故點氣象代表站所測10min最大風速遠遠超出了廈門氣象本站歷年最大風速系列所計算出的100年一遇風速值， 也超出了《建筑荷載規范》中風壓換算得到的100年一遇風速值。

2 廈門電網輸電桿塔受損情況

“莫蘭蒂”臺風對廈門電網500kV桿塔造成桿塔破壞形態包括桿塔傾倒、塔頭變形和橫擔彎曲等，共有27基。

500kV共有7基，集中在廈滄I/II路和漳泉I/II路，其中倒塔5基，地線架倒1基，地線橫擔彎曲1基。220kV共有15基，集中在李西線、廈李I/II路和廈西線，其中倒塔10基，塔頭變形5基。110kV共5基，其中倒塔4基，橫擔彎曲1基。500kV桿塔受損具體情況如表1所示。

本文選取漳泉Ⅱ路做典型分析，討論線路桿塔損壞原因，參考浙江電網、華東電網臺風引起的事故分析及抗臺風措施[1-3]，提出相應的桿塔加強措施。

表1 500kV桿塔受損表

3 線路設計概況及現場調查分析

漳泉Ⅱ路原設計風速Vmax=35m/s，覆冰C=0mm，導線采用4×LGJ-400/35型鋼芯鋁絞線，安全系數為2.5。地線兩根均采用GJ-80型鍍鋅鋼絞線，安全系數為4.65。

漳泉Ⅱ路位于同一耐張段內的#125、#126、#127桿塔受損。受損桿塔地理位置處于臺風登陸后其路徑方向上的沿海第一道山脈迎風坡，即廈門集美區灌口鎮西北面天柱山脈的迎風坡上，此位置為周邊山脈中的海拔最高點。同時周邊山脈向東側、南側分別延伸，形成喇叭口形狀將灌口鎮所處平原半包圍，喇叭口面向東南方向。

#125塔地線橫擔彎曲，#126塔頭瓶口以上位置順線路方向往小號側倒，方向由北往南。#127基礎以上塔身整體失穩破壞，大致程塔身位置垂直線路方向倒塔，周圍樹木大量倒伏，倒伏方向大致從高處往低處，即由北往南。以上桿塔的板式基礎及地腳螺栓均未破壞。

現場情況分析結論：

(1)距離臺風路徑中心距離越近，桿塔受損破壞的程度越嚴重。受損線路所處的耐張段內從西南往東北向，依次為#125桿塔、#126桿塔、#127桿塔，距離臺風路徑中心距離越來越近，如圖1所示，桿塔受損破壞的程度也越來越嚴重，與周邊樹木倒伏程度相吻合。

(2)桿塔倒塔方向及周邊樹木倒伏與北半球臺風過境時強勁的東北風基本吻合。

(3)桿塔的板式基礎及地腳螺栓按照規范設計時安全系數高于桿塔。

(4)同一設計水準下，耐張塔的抗臺風能力優于直線塔。本次臺風受損的均為直線塔，沒有耐張塔。

圖1 臺風與輸電線路走向示意圖

4 計算分析

受損事故段電氣明細具體如表2所示。受損的兩種塔型設計使用條件如表3所示。通過表2～表3可以看出桿塔實際使用條件均沒有超出設計使用條件，即正常大風(Vmax=35m/s)情況下，桿塔不會出現破壞。

表2 受損事故段電氣明細表

表3 ZMV514、ZMV522直線塔設計使用條件

臺風破壞現場照片 0度風計算應力 45度風計算應力圖2 #126桿塔計算結果與現場照片對比

4.1 #126桿塔計算分析

#126桿塔，型號ZMV522-36，設計執行標準《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》[4]、《110～500kV架空送電線路設計技術規程》[5]，驗算時仍采用該標準。

根據現場調查表明：

①#126塔周圍樹木大量倒伏，倒伏方向從高處往低處，即由北往南；

②#126塔塔頭位置順線路方向倒塔(往小號側倒)，與周圍樹木倒伏方向基本吻合。

根據現場破壞情況，推測#126塔破壞瞬間起主導作用的大風與線路夾角約0°～45°。分別計算臺風工況下0°風與45°風情況，設計基本風速為42.9m/s，設計方法依據《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》[4]規定的荷載計算公式，針對該塔位桿塔呼高、多接腿建立空間桁架模型，進行應力計算。在0度風工況下，曲臂側面交叉斜材效應設計值與構件抗力設計值比值達140%，45°風工況下曲臂側面交叉斜材該比值達110%～120%， 如圖2所示，所以在臺風情況下，塔頭曲臂側面交叉斜材最先失穩破壞，隨之塔頭曲臂主材失去交叉斜材支撐作用后發生失穩，最終塔頭曲臂部分整體失穩向一側倒塌。

結合現場倒塔情況與計算結果，判斷#126塔，在0°～45°大風情況塔頭曲臂側面交叉斜材失穩，導致塔頭破壞。#126桿塔計算結果與現場照片對比如圖2所示。

4.2 #127桿塔計算分析

#127塔，型號ZMV522-33。桿塔設計執行標準與#126塔相同，驗算時仍采用該標準。

現場調查情況表明：#127大致程塔身位置垂直線路方向倒塔。周圍樹木大量倒伏，倒伏方向大致從高處往低處，即由北往南。該塔整體失穩，塔腿主材明顯壓彎，無法清晰判斷最先破壞的位置。

根據倒塔形態，推測#127塔破壞瞬間起主導作用的大風為90°風。通過計算，在90°風作用下：塔頭曲臂主材效應設計值與構件抗力設計值比值達110%～123%。下曲臂主材達到123%；塔身主材達到117%～130%。塔腿及塔腿以上兩個主材段角鋼達130%；瓶口以下交叉斜材達109%～125%，如圖3所示。通過計算，推測受力最大的塔身主材受壓失穩后，形成不穩定機構，導致整體失穩，倒塌過程存在其他桿件的壓彎、拉斷、屈曲。

結合現場倒塔情況，判斷#127塔，在臺風作用下，塔頭曲臂、交叉斜材、塔身主材位置角鋼構件受壓失穩導致倒塔。#127桿塔計算結果與現場照片對比如圖3所示。

90度風計算應力 臺風破壞現場照片圖3 #127桿塔計算結果與現場照片對比

5 結論

(1)該線路桿塔受損的直接原因是臺風風速遠超設計風速。“莫蘭蒂”臺風登陸時中心附近最大風力有15級，倒塔事故段附近實測風速10min平均最大風速42.9/s、瞬時最大風速63.1m/s。受損鐵塔位于臺風路徑中心兩側5km內，最近的倒塔位置距離臺風路徑中心約600m。大風導致桿塔角鋼構件受力遠超其承載力，最后失穩破壞，這是線路發生損毀、倒塔事故的主要原因。其次，受損桿塔位置處于廈門集美區灌口鎮西北面天柱山脈的迎風坡，且為臺風登陸后第一道迎風坡，存在地形因素影響。

(2)臺風在空間各點產生的風力強度、矢量方向不盡相同，另外，不同的線路走向造成每檔線路的風力入射角不同，同時每基桿塔使用條件及檔內地形地貌也有差異，因此即使同一塔型在臺風影響區域內其實際承受的風荷載也會因塔位的不同而存在較大差別，造成相同設計標準線路在本次臺風中出現一些鐵塔倒塌、另一些未受損的原因。

(3)輸電桿塔的板式基礎及地腳螺栓設計的安全系數高于桿塔，本次臺風沒有造成500kV桿塔基礎及地腳螺栓的破壞。

同一設計水準下，耐張塔的抗臺風能力優于直線塔。本次臺風沒有造成500kV耐張塔破壞。

舊線路加強改造時，建議對于桿塔與基礎、直線塔與耐張塔，采取不同的加固措施。

(4)新建沿海地區輸電線路依據最新的風速分區圖采用風速取值，對于重要通道、微地形區域提高風速的防御標準。

[1] 吳明祥，包建強，葉尹.超強臺風“桑美”引起溫州電網輸電線路事故的分析[J].電力建設，2007，28(9):39-41.

[2] 張鋒，吳秋晗，李繼紅.臺風“云娜”對浙江電網造成的危害與防范措施[J].中國電力，2005，38(5):39-42.

[3] 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.

[4] DL/T 5154-2002架空輸電線路桿塔結構設計技術規定[S].2002.

[5] DL/T 5092-1999 110～500kV架空送電線路設計技術規程[S].1999.

Analysis for tower collapses of 500kV transmission line induced by the typhoon

CHENXiaowei

(State Grid Zhejiang Electric Power Company Lishui Power Supply Company, Lishui 323000)

The Xiamen power grid was seriously damaged by the 14th Typhoon Meranti in 2016. The analysis was carried out for a damaged 500kV transmission line in this natural disaster. According to meteorological observation data, site investigation aftermath and computational analysis, the causes of tower collapses were investigated, and several recommendations were proposed for the transmission line design differentiations.

Transmission line tower； Tower analysis; Typhoon

陳小偉(1961.4- )，男，高級工程師。

E-mail:chxwls@126.com

2017-04-10

TM

A

1004-6135(2017)08-0099-04