臺山沿海220 kV線路直線塔抗風(fēng)加固方案研究

陳 亦

0 引言

2008年9月24日晚，受熱帶風(fēng)暴“黑格比”影響，臺山電廠4回220 kV出線銅唐甲、乙線，銅水線、銅能線先后跳閘，重合不成功，強(qiáng)送成功后又跳閘。巡查結(jié)果分析認(rèn)為，故障是由于銅唐甲線#5塔等直線塔的絕緣子串在臺風(fēng)的作用下風(fēng)偏過大，導(dǎo)致導(dǎo)線對桿塔工頻電氣距離不足，造成放電跳閘。臺山電廠是江門乃至珠三角的重要電源，為保證電源送出，有必要對上述故障原因進(jìn)行分析，提出改進(jìn)方案，避免同類故障再次發(fā)生。

1 故障過程

9月24日上午，第14號熱帶風(fēng)暴“黑格比”在茂名市電白縣陳村鎮(zhèn)沿海地區(qū)登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力15級，陣風(fēng)17級。根據(jù)氣象臺資料，臺山電廠附近的瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到了51.6 m/s，為近年罕見。在本次臺風(fēng)中，銅唐甲、乙線，銅水線、銅能線先后多次跳閘，臺風(fēng)造成上述線路停電時(shí)間1～10 h不等，嚴(yán)重影響了臺山電廠電能的送出。經(jīng)故障查找發(fā)現(xiàn)，銅唐甲線#5塔（Z633-21）、銅唐乙線 #5（Z633-21）塔導(dǎo)線邊相（C相）對塔身多次放電，導(dǎo)線輕微灼傷，但不影響線路運(yùn)行；銅水線#7塔（Z634-30）導(dǎo)線邊相（A相）對塔身放電，#7～#8塔三相的雙分裂子導(dǎo)線纏繞；其他桿塔沒發(fā)現(xiàn)異常。臺風(fēng)過后，運(yùn)行單位處理故障缺陷，線路恢復(fù)正常運(yùn)行。

2 跳閘原因分析

分析認(rèn)為上述3條線路跳閘原因如下：

（1）銅唐甲線#5、銅唐乙線#5、銅水線#7塔均位于海邊高山迎風(fēng)面上，剛好位于風(fēng)口處，處于一般桿塔應(yīng)避開的地勢，距離海岸線約1 000 m，桿塔大號側(cè)位置相對較高，當(dāng)臺風(fēng)來襲時(shí)，強(qiáng)風(fēng)直吹這些桿塔，所受風(fēng)力較一般桿塔大。

（2）當(dāng)風(fēng)速在51.6 m/s時(shí)，絕緣子串風(fēng)偏超過桿塔設(shè)計(jì)允許風(fēng)偏值，導(dǎo)線對桿塔下曲臂放電。經(jīng)過驗(yàn)算當(dāng)風(fēng)速為51.6 m/s時(shí)絕緣子串的風(fēng)偏值最大能達(dá)到73.4°，超過允許風(fēng)偏角63°，導(dǎo)線對塔身的距離為0.3 m，小于0.55 m的工頻安全距離，因此對塔身放電。

（3）臺風(fēng)影響時(shí)間長，從9月23日23：51：41至24日04：01：00這段時(shí)間，上述線路連續(xù)故障跳閘，線路經(jīng)強(qiáng)送成功后又再次跳閘，導(dǎo)致線路無法平穩(wěn)運(yùn)行。

（4）Z633、Z634的塔型的橫擔(dān)長度偏小，邊相橫擔(dān)長度只有2 700 mm。這2種塔型的原設(shè)計(jì)條件：垂直檔距為600 m，水平檔距為400 m，三相絕緣子串采用I、V、I（中相為V型串）的掛線方式。

下列計(jì)算公式及結(jié)果，以銅唐甲線#5塔為例。

原設(shè)計(jì)最大風(fēng)速V=35 m/s，Lh=509 m，Lv=421 m，玻璃絕緣子14片單串。

計(jì)算絕緣子串的風(fēng)偏角［1］，比較風(fēng)速V=35m/s和V=51.6m/s下絕緣子串的風(fēng)偏角分別為57.1°和73.4°。而該塔形的最大風(fēng)偏角為63°40′，在51.6 m/s的風(fēng)速下電氣距離不足放電。

3 解決方案

國內(nèi)其他地方也進(jìn)行過類似研究，如500 kV漫昆I回線風(fēng)偏放電故障分析的結(jié)論解決辦法為更換抗風(fēng)偏能力強(qiáng)的直線塔［2］；其他方法還有桿塔加掛重錘，將邊相的單絕緣子串改為“八”字串，中相改為“V”形串，以限制其搖擺角的幅度［3］等措施。

臺山電廠出線幾條線路是在2003—2005年陸續(xù)建成的，鐵塔運(yùn)行時(shí)間較短，資料齊全，能較好地對設(shè)計(jì)資料進(jìn)行分析并對線路進(jìn)行改造。參照國內(nèi)其他地方的做法以及結(jié)合線路的運(yùn)行實(shí)際情況，提出了以下幾個(gè)可行的改造方案。

3.1 方案1：絕緣子串增加重錘

在線路設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)遇到垂直檔距較小，驗(yàn)算后絕緣子串風(fēng)偏角過大，不滿足安全電氣距離時(shí)，可通過增加絕緣子串上的垂直荷載來解決。增加重錘就是一種有效的改善絕緣子風(fēng)偏角的方法，是成熟而且最為簡便的途徑。

以銅唐甲線#5塔為例，在風(fēng)速達(dá)到51.6 m/s的情況下，要絕緣子串保持在63°以下時(shí)，計(jì)算結(jié)果顯示需要增加的重錘重量約為600 kg。由于需要增加的重量較大，并且是在不改變絕緣子串長度的情況下實(shí)施，難度較大。

3.2 方案2：更換抗風(fēng)偏能力強(qiáng)的塔型

根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果顯示，為防止絕緣子風(fēng)偏不滿足要求，可將塔型的橫擔(dān)改為較長橫擔(dān)的塔型。經(jīng)過驗(yàn)算，在不改變鐵塔呼稱高的前提下，只加大塔頭邊相橫擔(dān)，桿塔受力相對于原塔型只是塔頭受風(fēng)面積稍微增大，對于基礎(chǔ)受力變化很小。所以，通過更換新塔型，增大邊相導(dǎo)線橫擔(dān)的長度，或?qū)⒔^緣子串更改為V型串，可達(dá)到直線塔抗風(fēng)加固的目的。以3條線路3基塔為例，共需要更換3基直線塔，以每基鐵塔停電施工時(shí)間為1天半計(jì)算，共需要6天時(shí)間。該方案需要重新設(shè)計(jì)桿塔并校驗(yàn)原基礎(chǔ)受力情況。

3.3 方案3：將直線塔改為耐張塔，導(dǎo)線跳線使用硬跳線

由于直線塔在山頭位于風(fēng)口位置，可將該塔改造成耐張塔。耐張塔的掛線方式能避免直線塔懸垂串風(fēng)偏過大的問題。由于中相跳線在小轉(zhuǎn)角的情況下容易出現(xiàn)對塔身距離不足的情況，因此跳線串應(yīng)使用已有成熟使用經(jīng)驗(yàn)的硬跳線串。此方案需要重新建筑基礎(chǔ)，立塔及對導(dǎo)地線壓接，施工工期及成本較大，風(fēng)險(xiǎn)高。

3.4 方案4：利用原鐵塔改造部分橫擔(dān)

經(jīng)過上述計(jì)算，比較Z402、Z633型直線鐵塔邊相橫擔(dān)發(fā)現(xiàn)Z633塔型邊橫擔(dān)較短，若通過改造Z633、Z634型鐵塔邊橫擔(dān)的長度亦可達(dá)到增大鐵塔風(fēng)偏角的目的。

具體做法為更換鐵塔兩邊相橫擔(dān)的塔材，令邊橫擔(dān)的長度滿足在瞬時(shí)大風(fēng)的情況下不發(fā)生閃絡(luò)的長度，具體長度在驗(yàn)算后確定。由于加長邊橫擔(dān)的長度后，部分塔頭主材的受力與聯(lián)板的螺栓孔位已不適應(yīng)新的橫擔(dān)，因此需要對塔頭部分的塔材進(jìn)行驗(yàn)算，對塔頭主材進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。而中相橫擔(dān)及地線橫擔(dān)不需要進(jìn)行改造，因此中相橫擔(dān)的結(jié)構(gòu)及材料不發(fā)生變化。

本方案中，鐵塔呼稱高沒發(fā)生變化，整基桿塔的垂直檔距、水平檔距等都沒改變，因此鐵塔桿件受力變化小。本方案改造難度較小，易于施工。

3.5 方案比較

方案1造價(jià)最低，但需要增加重錘的重量較大，實(shí)施技術(shù)上難度較大。

方案2優(yōu)勢為僅需要重新設(shè)計(jì)加工一座橫擔(dān)較寬的直線鐵塔，施工過程簡單，風(fēng)險(xiǎn)較小。此方案單基改造費(fèi)用約30萬元，臺山電廠出線的線路在沿海10 km范圍內(nèi)有14基這類型鐵塔，若全部更換，費(fèi)用較大，施工周期長。

方案3可以徹底解決風(fēng)口位置的直線塔風(fēng)偏不足問題。此方案需要重新做基礎(chǔ)及立塔，需混凝土約80 m3，耐張塔塔材20 t，對耐張段導(dǎo)線進(jìn)行裁剪、壓接及重新緊線，單基改造費(fèi)用約為60萬元。但該方案施工周期長，需要重新澆注基礎(chǔ)，立塔以及裁剪導(dǎo)線，施工難度大，不便于大面積開展改造。

方案4是在方案2的基礎(chǔ)上進(jìn)行精簡，只需要更換部分塔頭，施工時(shí)間短，單基改造費(fèi)用約10萬元。此方案需要對鐵塔進(jìn)行驗(yàn)算，對部分塔材進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)和更換，單基需要塔材1 t，只要將導(dǎo)線卸載后放至塔身上臨時(shí)掛點(diǎn)即可進(jìn)行。但該方案需要校核加長橫擔(dān)后鐵塔各材的受力情況，計(jì)算過程較為復(fù)雜，并且在施工過程中容易出現(xiàn)新加工的塔材與原塔材孔位、規(guī)格不對應(yīng)的情況，有一定技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

綜合比較后采用方案4，其優(yōu)勢為單基改造時(shí)間短，在停電期間可同時(shí)進(jìn)行多基鐵塔的改造，改造資金較少，施工技術(shù)難度不高，在本次改造中最優(yōu)，故建議選用方案4對這4條線路進(jìn)行改造。

4 計(jì)算結(jié)果

確認(rèn)方案選擇后，需要對Z633、Z634塔型進(jìn)行驗(yàn)算，對部分更換的塔材進(jìn)行計(jì)算，對增加橫擔(dān)長度后塔身進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。本次改造中利用VTLA可視化桿塔計(jì)算程序進(jìn)行快速、方便的建模，并比較改造前后各桿件的受力對比。

計(jì)算條件：（1）校核取值按照桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（DL/T5092—1999）進(jìn)行。（2）最大風(fēng)按照原塔設(shè)計(jì)最大風(fēng)速取值V=35 m/s，最低氣溫0℃，覆冰為0 mm。（3）邊橫擔(dān)長度取值為3 200 mm，不改變絕緣子串的掛線方式。（4）邊橫擔(dān)加長后，導(dǎo)線防雷保護(hù)角為 9°33′，滿足單回路塔防雷保護(hù)角小于 20°的要求。（5）盡量不改變塔的結(jié)構(gòu)受力方式，若對結(jié)構(gòu)受力有利，則減小桿件的受力值。

邊橫擔(dān)長度取值為3 200 mm，不改變絕緣子串的掛線方式。需要更換的主材為 301、302、305、306、307、308、315、316，并補(bǔ)強(qiáng)部分輔材。經(jīng)過計(jì)算，鐵塔基礎(chǔ)受力變化很小，基礎(chǔ)上拔力增加500 N。原鐵塔基礎(chǔ)能滿足鐵塔上拔下壓作用力，無需另外加固基礎(chǔ)。

5 實(shí)施過程

方案確定后，利用年底停電檢修機(jī)會(huì)，提前加工好各構(gòu)件，安排施工隊(duì)對桿塔進(jìn)行改造。由于本次改造設(shè)計(jì)4條220 kV臺山電廠出線，同時(shí)停電施工影響較大，因此本次改造按照多次停電的計(jì)劃進(jìn)行。

（1）合理安排工期與施工段，盡量在一個(gè)耐張段內(nèi)進(jìn)行施工，提前加工好塔材。

（2）線路停電后，將導(dǎo)、地線從掛點(diǎn)卸荷后掛在塔身臨時(shí)掛點(diǎn)，中相導(dǎo)線松至塔頸部位，使塔頭各個(gè)掛點(diǎn)均不受力，整個(gè)施工過程需要做好導(dǎo)地線的保護(hù)，防止導(dǎo)線損傷。

（3）將一側(cè)邊相橫擔(dān)拆除，對需要更換或補(bǔ)強(qiáng)的構(gòu)件進(jìn)行更換，安裝好新的橫擔(dān)，完成一側(cè)后再進(jìn)行另外一側(cè)的更換與安裝。

（4）所有橫擔(dān)完成安裝并上緊螺栓后，進(jìn)行提線，安裝附件。

通過合理安排人力，完成1基塔的改造只需要半天時(shí)間，達(dá)到了快速、合理、經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。

6 改造總結(jié)

本次工程經(jīng)過1年多的分次停電后，完成了共14基Z633、Z634等塔頭的改造，取得了良好效果。（1）改造后至今未發(fā)生由于臺風(fēng)造成的直線鐵塔原因線路跳閘故障；（2）線路改造停電時(shí)間短，改造費(fèi)用較低；（3）工程量最小，在上述塔的改造中每基只需要更換約1 000 kg的塔材，對位于高山上運(yùn)輸困難的塔位具有明顯的效益。

7 結(jié)語

位于沿海高山迎風(fēng)面?zhèn)鹊闹本€塔在遭遇臺風(fēng)等惡劣極端天氣時(shí)，會(huì)由于塔頭橫擔(dān)的長度不足而發(fā)生風(fēng)偏過大而導(dǎo)致的跳閘故障。在以后的設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免在這些地方進(jìn)行立塔等，而應(yīng)采取對絕緣子串風(fēng)偏進(jìn)行校驗(yàn)，看是否滿足由于風(fēng)速過大而造成的風(fēng)偏過大；或者在這些風(fēng)口處優(yōu)化導(dǎo)線掛線方式采用V型串等形式，減少由于風(fēng)偏角過大而可能造成的線路跳閘，提高線路運(yùn)行的可靠性。

輸電線路點(diǎn)多面廣，大部分線路處在曠野中，提高線路抗各種自然災(zāi)害的能力非常重要。隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，通過復(fù)雜地形及惡劣氣候條件地區(qū)的輸電線路日益增多，電力設(shè)計(jì)、生產(chǎn)運(yùn)行各部門可進(jìn)一步深入開展對有關(guān)微地形對風(fēng)速的影響、局部地區(qū)大風(fēng)等災(zāi)害性天氣規(guī)律的研究，提高線路抵抗暴雨、臺風(fēng)、強(qiáng)雷惡劣天氣的能力，從而提高線路設(shè)計(jì)水平和減少輸電線路由于災(zāi)害天氣故障所造成的損失。

［1］張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊［M］.第2版.北京：中國電力出版社，2010

［2］李林易.500 kV漫昆I回線風(fēng)偏放電故障分析［J］.云南電力技術(shù)，2010（2）

［3］趙文元.輸電線路風(fēng)偏故障的預(yù)防和抑制［J］.電力學(xué)報(bào)，2004，19（1）