極端天氣下電網(wǎng)塔架的安全與防護

李 軍，孫小平，苗 興，張 昕，王 斌，高 健

（國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050）

極端天氣下電網(wǎng)塔架的安全與防護

李 軍，孫小平，苗 興，張 昕，王 斌，高 健

（國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050）

針對西北地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行易受極端氣候影響的情況，分析了冰雪天氣、大風(fēng)(沙塵)天氣對電力設(shè)備的危害，通過試驗結(jié)果分析了傾覆塔架樣品的厚度、成分、機械性能，總結(jié)了塔架失效的原因，提出了應(yīng)對極端天氣、增強電網(wǎng)防御能力的措施和方法。

極端天氣；電網(wǎng)；塔架

1 概述

隨著國家電網(wǎng)特高壓項目的快速建設(shè)和全力推進(jìn)，西北地區(qū)電網(wǎng)逐步成為國家電網(wǎng)的關(guān)鍵樞紐，承載著甘肅河西地區(qū)風(fēng)電和新疆自治區(qū)電力的大規(guī)模外送任務(wù)。由于西北地區(qū)電網(wǎng)跨越地域廣闊，局部區(qū)域經(jīng)常出現(xiàn)沙塵暴、大風(fēng)、暴雪等極端天氣，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運行。

據(jù)報道，1986—1990年間，加拿大Alberta電力公司33 %的停電事故是由惡劣天氣引起的，240 kV線路上45 %的故障發(fā)生在惡劣天氣條件下。隨著全球變暖現(xiàn)象的加劇，極端天氣的頻率和強度也逐步提高。因此，關(guān)注極端天氣下區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，并提出相應(yīng)防護措施，顯得尤為重要。

2 極端天氣的影響分析

2.1 冰雪天氣

冰雪災(zāi)害主要影響電網(wǎng)中的輸變電線路。如輸電線路的導(dǎo)線、地線、塔架等，當(dāng)其覆冰過重時，極易處于臨界應(yīng)力狀態(tài)，再加上導(dǎo)地線融冰、大風(fēng)原因造成的載荷沖擊，易發(fā)生輸電線路斷線、塔架傾覆等事故。除此之外，周圍的樹木因承受不了冰雪重量而發(fā)生傾倒壓在輸電線路上，將造成線路接地、跳閘事故，嚴(yán)重時會發(fā)生導(dǎo)線斷裂進(jìn)而導(dǎo)致橫擔(dān)變形、拉脫或金具失效、變形等。

2.2 大風(fēng)(沙塵)天氣

大風(fēng)(沙塵)主要會引起電網(wǎng)中高壓輸電線路絕緣體短路，造成線路、導(dǎo)線、復(fù)合絕緣子等部件舞動劇烈，塔架局部位置會因承載超過臨界應(yīng)力而發(fā)生塑性變形、折彎、傾倒等，導(dǎo)致輸配電線路跳閘。除此之外，大風(fēng)(沙塵)不僅會造成空氣的介電常數(shù)增大、電阻率減小，使其產(chǎn)生強烈的電場活動，還會改變輸電鐵塔塔頭電場分布。國外研究人員通過實驗研究，發(fā)現(xiàn)大風(fēng)(沙塵)會使空氣間隙的沖擊放電電壓降低。因此，大風(fēng)(沙塵)有可能是造成導(dǎo)線工頻電壓下空氣間隙閃絡(luò)放電的原因。

3 極端天氣引起的事故案例分析

3.1 冰雪天氣引起的事故

2013年，西北地區(qū)某330 kV線路因覆冰嚴(yán)重造成鐵塔扭曲傾倒故障。根據(jù)國家電網(wǎng)公司《角鋼塔抽檢作業(yè)規(guī)范》及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，對此次事件塔材關(guān)鍵部位的樣品(見圖1)進(jìn)行了檢測和分析。經(jīng)外觀檢查及尺寸測量，塔材鍍鋅層及表面狀況完好，材料選用規(guī)格與原設(shè)計相符(見表1)。

圖1 塔架樣品

表1 鐵塔樣品厚度測量mm

從成分分析結(jié)果(見表2)看，抽取樣品所含元素及含量與標(biāo)稱牌號(Q235)相符，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 鐵塔樣品成分分析測量%

機械性能試驗結(jié)果(見表3)顯示，抽取樣品常溫機械性能均符合GB/T700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》、GB/T1591—2008《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求。金相結(jié)果顯示：抽取樣品基本組織均為鐵素體和珠光體，組織均勻，未發(fā)現(xiàn)有超標(biāo)夾雜物和異常組織存在。

表3 鐵塔樣品機械性能試驗結(jié)果

3.2 大風(fēng)(沙塵)天氣引起的事故

2011年，某地區(qū)330 kV線路因大風(fēng)(沙塵)天氣造成變電站門型架橫梁跌落，鐵塔扭曲折彎，線路PT、避雷器等設(shè)施嚴(yán)重?fù)p傷，線路短路進(jìn)而造成母線失壓、主變跳閘。

對扭曲折彎的塔架關(guān)鍵部位抽取樣品(圖2)進(jìn)行試驗檢測。結(jié)果顯示塔材規(guī)格與設(shè)計參數(shù)相同，壁厚偏差在公差允許范圍之內(nèi)，塔材樣品化學(xué)成分、力學(xué)性能等試驗結(jié)果的各項性能指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。金相結(jié)果顯示：塔架抽取樣品基本組織均為鐵素體和珠光體，組織均勻，未發(fā)現(xiàn)有超標(biāo)夾雜物和異常組織存在。

圖2 塔架樣品

3.3 事故結(jié)論

綜合上述試驗結(jié)果，可得出以下幾點結(jié)論。

(1) 受損的鐵塔取樣樣品規(guī)格與設(shè)計參數(shù)相同，壁厚偏差在公差允許范圍之內(nèi)，且其化學(xué)成分、金相試驗組織、力學(xué)性能試驗結(jié)果的各項性能指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 樣品斷口一般發(fā)生在塔材螺栓孔、變截面等薄弱及應(yīng)力集中部位，塔材樣品斷裂受力部位在斷裂前均產(chǎn)生了明顯的塑性變形，未發(fā)現(xiàn)有脆性斷口的跡象。

(3) 塔材在斷裂前承受了很大的彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，超過了材料的斷裂強度，引起應(yīng)力聚集產(chǎn)生變形、開裂，致使整個鐵塔傾覆。

4 措施和建議

電力系統(tǒng)作為一種極其龐大的人造系統(tǒng)，其所處環(huán)境的氣象條件是電網(wǎng)安全運行的重要因素。由于全球變暖顯著地改變了電力系統(tǒng)的運行環(huán)境，影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，所以應(yīng)該采取合理措施防止類似事故的再次發(fā)生。

4.1 提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計單位應(yīng)該改變以往的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對重要關(guān)鍵樞紐電網(wǎng)應(yīng)考慮按百年一遇的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。另外，對局部氣象環(huán)境惡劣的區(qū)域，應(yīng)提高鐵塔使用的拉線、橫擔(dān)、金具等級和規(guī)格，必要時加裝撐腳、連扳等附件，以提高鐵塔的安全裕度。

4.2 采用最新技術(shù)

采用最新技術(shù)、新產(chǎn)品對關(guān)鍵區(qū)域電網(wǎng)設(shè)備的運行狀態(tài)和氣象環(huán)境實行在線檢測，提高輸電線路、塔架對極端天氣的防御能力。通過局部網(wǎng)絡(luò)定時將局部區(qū)域溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、沙塵濃度等數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中心，以利于掌握氣象狀況，便于組織力量，采取科學(xué)、合理補救措施，確保輸電線路安全、可靠運行。

4.3 開發(fā)電網(wǎng)塔架運行仿真系統(tǒng)

根據(jù)不同的地域特點、氣象環(huán)境、鐵塔的實際運行狀態(tài)，開發(fā)電網(wǎng)塔架運行仿真系統(tǒng)。通過計算機系統(tǒng)模擬分析各種極端天氣下電網(wǎng)塔架等關(guān)鍵設(shè)備的承載受力狀態(tài)，并對塔架薄弱部位(變截面或螺栓孔等部位)及時進(jìn)行改造、加固，提前預(yù)防極端天氣下倒塔故障的發(fā)生。

4.4 完善極端天氣下的應(yīng)急機制

保持信息渠道的通暢，完善極端天氣下的應(yīng)急機制非常重要。氣候環(huán)境的變化反復(fù)無常，在發(fā)生強對流、暴雪(雨)冰凍、沙塵暴等天氣時，應(yīng)該加強與當(dāng)?shù)卣庀蟮认嚓P(guān)部門的溝通。通過建立應(yīng)急響應(yīng)平臺，及時獲取氣象部門實時提供的預(yù)測的降雨量、風(fēng)力、溫度和實際的氣象環(huán)境參數(shù)。根據(jù)預(yù)警等級，制定搶修方案，組織實施，并合理調(diào)整電網(wǎng)運行方式和負(fù)荷，盡最大可能降低極端天氣造成的人力和物力損失，保證電網(wǎng)設(shè)備安全平穩(wěn)運行。

1 林建勤．建立科學(xué)高效的電網(wǎng)防臺風(fēng)暴雨應(yīng)急機制[J]．供用電，2007(4).

2 吳向東，張國威．冰雪災(zāi)害對電網(wǎng)的影響及防范措施[J].農(nóng)村電氣化，2009(1)．

3 蘇 盛，李銀紅．電網(wǎng)故障自組織臨界性及其在應(yīng)對極端天氣中的應(yīng)用[J]．中國科學(xué)，2009(3).

孫小平(1966-)，高級工程師，主要從事電力設(shè)備、材料的無損檢測及失效分析。

苗 興(1958-)，男，高級工程師，主要從事電力設(shè)備、部件壽命評估與材料理化檢驗分析。

張 昕(1965-)，男，高級工程師，主要從事電力設(shè)備、部件壽命評估與材料理化檢驗分析。

王 斌(1965-)，男，高級工程師，主要從事電力設(shè)備、部件壽命評估與無損檢測分析。

高 健(1981-)，男，高級工程師，主要從事電力設(shè)備、材料的無損檢測和失效分析。

2014-11-02。

李 軍(1981-)，男，高級工程師，主要從事電力設(shè)備、材料的無損檢測及失效分析，email：564899130@qq.com。