一起強風天氣下某1010100 kVkVkVV線路桿塔串倒分析

鄧　杰，陳　霖，朱志杰，李升健，安　義

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

0　引言

2018年3月某日，受短時強對流及雷雨大風等惡劣天氣影響，江西公司部分地區配電設施受損停運，給公司配電網造成重大損失。本文對某公司一起強風天氣下10 kV線路桿塔串倒原因進行分析，找出了該線路桿塔存在的設計與工藝缺陷，提出了相應的整改建議。

1　基本情況

3月某日下午，某地區平均風速達到8級（20 m/s）以上，局部地區風速達到11級（32 m/s）以上，某10 kV線路發生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，斷桿倒桿發生在3號桿至35號桿之間，檔距為50 m~60 m，導線采用JKLYJ-10/240絕緣導線，18號桿為直線鋼管塔，20號、35號桿為耐張鋼管塔，其余電桿均為Ф190×18×M×G型組裝桿（非預應力），3號桿至35號桿之間共29基組裝桿發生斷桿，35號耐張鋼管塔倒塔（電纜下地），3號桿至35號桿未發生斷線。

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號耐張鋼管塔）均倒向馬路外側，桿頭方向均朝電源側，斷桿具體情況如表1所示：

表1　斷桿情況統計

2　倒桿過程分析

根據該線路設備情況及故障時的氣候條件，本文建立了該線路桿塔受力情況的理論計算模型，即計及導線承受水平應力和桿塔風載荷計算出該線路耐張鋼管塔和組裝桿彎矩，通過計算結果對現場倒桿情況進行分析。

2.1　導線水平應力計算

3月某日，某10 kV線路在無冰強風中運行，風速達到32 m/s及以上，涉及斷桿桿塔所承受彎矩只需考慮風壓比載和自重比載。

風速作用于架空導線或桿塔上，會產生水平方向的荷載，風速越大，風壓越大，相應地風載也就越大，風壓的大小一般與風速的平方成正比，水平風荷載使架空導線的應力增大，桿塔會產生附加彎矩，根據流體力學中的伯努利方程[1]，理論風壓為：

式中：Wv為風速為v時的理論風壓，N/m2或Pa；v為風速，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℃、絕對干燥時的空氣密度ρ=1.225 5 kg/m3。此時的理論風壓Wv計算式為：

考慮導線沒有覆冰，架空線的迎風面積形狀（體型）對空氣流動的影響，以及風向與線路走向間存在一定的角度，無冰時的導線風壓比載γ1如公式3所示：

式中：αf為風速不均勻系數，對于10 kV線路而言，取0.85；c為風載體型系數，對于240 mm2的絕緣導線考慮為1.15；d為架空導線外徑，mm；Wv為風速為v時的理論風壓，N/m2；A為架空導線截面積，mm2；θ為風向與線路方向的夾角。

除了風速作用于架空導線或桿塔上會對桿塔產生水平方向的荷載之外，導線本身自重比載也會對桿塔產生水平方向作用力，自重比載是架空線自身的質量引起的比載，其大小可認為不受氣象條件變化的影響。自重比載γ2由式4計算：

式中：q為架空線的單位長度質量，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，無冰有風時的綜合比載γ3是架空線自重比載γ2和無冰時的導線風壓比載γ1的矢量和，即：

根據公式5求出導線無冰有風時的綜合比載，應用架空線路弧垂公式，即可求出無冰有風時水平應力：

其中：fm為導線最低點弧垂，m；γ為導線綜合比載MPa/m；l為導線檔距，m；σ0為導線水平應力，N/mm2。

2.2　桿塔風荷載計算

電桿的彎矩校驗按首先對作用在電桿上的水平荷載計算。

1）一根導線上的風荷載P1：

式中：c為風載體型系數，對于240 mm2的絕緣導線考慮為1.1；Wv為風速為v時的理論風壓，N/m2；S為導線的截面積，mm2；L為水平檔距，m。

2）電桿上的風荷載P2：

式中：Wv為風速為v時的理論風壓，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號耐張鋼管塔彎矩計算

考慮風壓比載和自重比載時，導線型號為JKLYJ-10/240，導線單位質量為0.948 kg/m，截面積為244.39 mm2，直徑為26.8 mm，不均勻系數0.85，風載體型系數1.15，風向與導線夾角90℃，檔距50 m，根據公式（6）可求出風速為20、25、30、35 m/s時單根導線水平應力及導線對桿塔水平作用力如表2所示。

表2　不同風速時導線水平應力

35號耐張鋼管塔型號為GN39-16，桿高16 m，根部直徑為890 mm，頂部為390 mm，根據公式7、8求出風速為20、25、30、35 m/s時電桿上風荷載，如表3所示。

表3　不同風速時耐張鋼管塔風荷載

考慮12根導線對桿塔產生的水平應力和電桿風荷載，則鋼管塔所受彎矩如表4所示。

表4　不同風速時耐張鋼管塔彎矩

3月某日所處線路通道風速達到35m/s，鋼管塔彎矩1 524.10 kN·m，無風時鋼管塔彎矩677.76 kN·m，有風是無風時鋼管塔彎矩的2.4倍，鋼管塔根部彎曲標準值1 572.25 kN·m，有風時鋼管塔所受彎矩是標準值0.97倍，有風時鋼管塔所受彎矩未達到彎曲標準值，進而對鋼管塔根部焊接部分進行檢查。

圖2　35號耐張鋼管塔現場檢查情況

如圖2所示，35號鋼管桿采用灌注樁基礎，地腳螺栓與基礎連接牢固，鋼管桿法蘭盤與鋼管桿底部焊接不實，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到額定標準值，在強風作用下首先發生倒桿。

2.4　組裝桿彎矩計算

考慮35號耐張鋼管桿倒桿后，繼而引發直線組裝桿串倒，直線組裝桿承受不平衡張力，只受一側導線水平力，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，則風速為20、25、30、35 m/s時電桿上風壓產生的水平作用力如表5所示：

表5　不同風速時組裝桿風荷載

考慮12根導線對桿塔產生的水平應力和電桿風荷載，則組裝桿所受彎矩如表6所示：

表6　不同風速時組裝桿彎矩

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

圖3　組裝桿現場檢查情況

2.5桿塔串倒原因

35號耐張鋼管桿在風速35 m/s的情況下，35號耐張鋼管桿實際彎矩是無風工況下的所承受彎矩的2.4倍，達到設計標準彎矩值的90%，在設計標準彎矩值范圍內，因鋼管桿法蘭盤與鋼管桿底部焊接存在缺陷導致實際承受彎矩小于設計標準彎矩值，出現鋼管桿倒桿，而鋼管桿地腳螺栓與基礎連接牢固，未在連接處出現斷裂，鋼管桿倒桿后，直線組裝桿因一側受力所承受水平力大幅增加，達到直線組裝桿標準彎矩15倍以上，導致從組裝桿受力薄弱處首先發生斷桿，鋼圈與電桿主鋼筋處焊接處因存在缺陷導致斷裂，從而引起直線組裝桿串倒。

3　結論

1）組裝桿不滿足典型設計要求。根據國網配電網工程典型設計（2016版）要求[3]，對于同桿4回出線，B類氣象區電桿應采用Ф230×18×N×G（非預應力）或者是Ф230×18×O×BY（部分預應力），而某10kV線路電桿采用Ф190×18×M×G（非預應力）電桿，不滿足典型設計要求；同一馬路相鄰10 kV線路雙回出線，導線采用JKLYJ-10/240絕緣導線，電桿采用Ф190×15×M×G（非預應力）電桿，滿足典型設計雙回出線電桿型號要求，相應線路未發生串倒事件。

2）桿塔生產工藝存在缺陷。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連接牢固，未在強風情況下出現斷裂，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格按照典設要求設計。對不滿足典型設計要求，建議要根據氣象條件重新校核。

2）建議開展線路差異化抗風改造。一是排查已發生過強風天氣倒桿斷桿區段，建立強風天氣倒桿斷桿區段明細；二是對發生過強風天氣倒桿斷桿區段應通過打防風拉、縮小耐張段等措施提高配電線路抗風水平。

3）提升配電線路工程驗收水平。一是加強電桿質量抽檢水平，加大關鍵項目檢測力度，二是加強線路工程現場驗收水平，特別是桿塔加工及現場安裝工藝的檢查。