晁 銳

（中國能源建設(shè)集團(tuán)陜西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710054）

某330 kV高壓輸電線路風(fēng)災(zāi)事故原因分析

晁 銳

（中國能源建設(shè)集團(tuán)陜西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710054）

受大風(fēng)災(zāi)害影響，造成某330 kV高壓輸電線路7基鐵塔倒塌、1基鐵塔嚴(yán)重受損的事故。本文從桿塔的分布和利用、風(fēng)速以及微地形微氣象特點(diǎn)等方面分析了事故原因，認(rèn)為本次事故主要是由稀遇大風(fēng)引起，稀遇大風(fēng)在微地形微氣候段風(fēng)速進(jìn)一步增大，造成了鐵塔的傾倒。此外，耐張段長度過長加劇了災(zāi)害。在事故分析的基礎(chǔ)上，提出了線路修復(fù)的措施以及預(yù)防此類災(zāi)害的建議。

輸電線路；風(fēng)災(zāi)；最大風(fēng)速；極大風(fēng)速；微地形；微氣象。

輸電桿塔作為電網(wǎng)輸電線路的重要組成部分，為導(dǎo)地線提供支撐作用并保證足夠的安全距離。一旦輸電線路出現(xiàn)倒塔斷線，便會造成大面積停電事故，不僅給電力企業(yè)造成重大損失，而且直接影響生產(chǎn)建設(shè)和人民的生活秩序。近年來，極端天氣現(xiàn)象愈加頻繁，特別是大風(fēng)和覆冰災(zāi)害給輸電線路的安全運(yùn)行造成了極大的危害。針對大風(fēng)災(zāi)害引發(fā)的某330 kV輸電線路的倒塔事故，本文從多個方面分析了事故原因，并提出了應(yīng)對此類災(zāi)害的措施和建議。

1　概述

2013年8月4日，榆林地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)對流颶風(fēng)天氣，普降暴雨、冰雹，造成某330 kV輸電線路發(fā)生倒塔跳閘事故，其中7基鐵塔傾倒，1基鐵塔扭轉(zhuǎn)。次發(fā)生事故的330 kV輸電線路于1999年投運(yùn)，線路全長約130 km，共295基桿塔，導(dǎo)線采用2×LGJ—300/40雙分裂鋼芯鋁絞線。線路氣象條件按西北Ⅲ級氣象區(qū)設(shè)計(jì)，其中設(shè)計(jì)風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)為15 m高15年一遇10 min平均最大風(fēng)速，取值為30 m/s，折算到10 m高度為28.1 m/s。本次事故中倒塌的鐵塔均為我國第一代330 kV送電線路鐵塔84A塔型，在我國西北地區(qū)大量工程中使用過，使用和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富。

根據(jù)現(xiàn)場勘查，本次大風(fēng)災(zāi)害造成330 kV線路35#塔～40#塔、46#塔共7基直線鐵塔倒塌，41#塔扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)線多處斷股和斷線。桿塔的傾倒方向較為一致，均為東偏南；位于上述330 kV線路西側(cè)約600 m平行走線的110 kV線路在本次大風(fēng)災(zāi)害中倒塔2基，多處斷線斷股，其傾倒方向也為東偏南。此外，事故段南北走向的10 kV配網(wǎng)線路幾乎全部倒桿斷線，附近許多直徑40、50 cm的楊樹被連根拔起，傾倒方向大多為東偏南。

2　桿塔情況分析

2.1鐵塔材質(zhì)分析

事故發(fā)生后，針對現(xiàn)場倒塌的鐵塔逐基進(jìn)行主材取樣，分別進(jìn)行了常溫拉伸性能試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和化學(xué)成分分析。經(jīng)檢驗(yàn)，送檢的材質(zhì)均符合相關(guān)的規(guī)程規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，為合格產(chǎn)品，因此排除了鐵塔因材質(zhì)而存在的隱患問題。

2.2受損鐵塔分布

根據(jù)事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果，本次事故中35#塔～40#塔、46#塔共7基直線鐵塔倒塌，41#塔扭轉(zhuǎn)，受損的鐵塔均為直線塔，耐張塔無一受損。事故中的33#～43#這一個耐張段損失最為嚴(yán)重的，該段長度為4661 m，共分布9基直線塔，其中連續(xù)6基鐵塔發(fā)生串倒，另1基扭轉(zhuǎn)；而相鄰的耐張段（43#～45#）長度為533 m，共分布3基鐵塔，該耐張段同樣處于風(fēng)暴中心，但鐵塔和導(dǎo)線均未受損。顯然，A段的長度過長，直線塔過多的連續(xù)分布加劇了本次事故災(zāi)害程度。因此，建議在線路修復(fù)時將38#塔更換為耐張塔，縮短A段的耐張段長度。

2.3線路檔距利用情況

實(shí)際線路中各基鐵塔檔距使用率不盡相同，在荷載相同時，實(shí)際檔距（特別是水平檔距）使用率高、呼高較高的鐵塔抵抗超載能力相對較小，會首先發(fā)生超載倒塌。本次事故中受損的各基鐵塔的呼高和檔距利用情況見表1。

表1　受損鐵塔實(shí)際檔距利用率

從表1可以看出，37#和38#的水平檔距利用率均在90%以上，同時37#和38#的呼高達(dá)到34 m，受極端荷載的影響，這兩基鐵塔更易發(fā)生超載倒塌，這兩基鐵塔處于本次事故的中心也正好印證了這一點(diǎn)。在這兩基鐵塔倒塌過程中，由于導(dǎo)地線的牽扯，將會對相同耐張段的鄰檔鐵塔造成不平衡張力或沖擊荷載，而此時這些鐵塔受大風(fēng)作用也處于超載的臨界狀態(tài)，突然增加的附加荷載會造成倒塌連鎖反應(yīng)，發(fā)生鐵塔串倒情況，最終造成了A段受損最為嚴(yán)重的情況。此外，46#號鐵塔的水平檔距利用率達(dá)到了93.7%，受極端風(fēng)荷載的影響，在本次事故中也造成了倒塔事故。

3　氣象站風(fēng)速分析

3.1附近氣象站概況

本線路附近共有2座氣象站，分別為榆陽區(qū)氣象站和世紀(jì)廣場區(qū)域氣象站。榆陽區(qū)氣象站（以下簡稱“榆陽站”）為國家基本氣象觀測站，地處北緯38°16′，東經(jīng)109°47′，海拔高度1157.0m，資料年限較長，至今積累了50多年的氣象觀測資料，觀測記錄規(guī)范，資料可靠性高。榆陽站位于線路事故段西北側(cè)約3～7.5 km，事故段線路塔位處的海拔高度介于1080～1120 m之間，與榆陽站的海拔相當(dāng)，因此，榆陽站對本線路一般地段風(fēng)速具有較好的代表性。世紀(jì)廣場區(qū)域氣象站（以下簡稱“世紀(jì)廣場站”）位于榆林市區(qū)世紀(jì)廣場內(nèi)，海拔高度約1060 m，該氣象站位于線路事故段西北側(cè)約5～9 km，對本線路也具有一定的代表性。兩氣象站與本線路事故段的相對位置見圖1。

圖1　氣象站與事故地段線路路徑的相對位置圖

3.2最大風(fēng)速的頻率計(jì)算

根據(jù)《電力工程氣象勘測技術(shù)規(guī)程》（DL/5158-2012）第3.3.1條規(guī)定，當(dāng)氣象站有連續(xù)25年以上的年最大風(fēng)速資料時，可直接進(jìn)行頻率計(jì)算推求氣象站設(shè)計(jì)風(fēng)速。氣象站設(shè)計(jì)風(fēng)速應(yīng)采用P-III型分布或極值I型分布進(jìn)行頻率計(jì)算。

為了更好的分析本次事故，搜集了榆陽站1971～2013年共43年逐年自記10 min平均最大風(fēng)速資料，分別采用極值I型和P-Ⅲ型分布對最大風(fēng)速進(jìn)行頻率計(jì)算，頻率計(jì)算圖見圖2，計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表見表2。

表2　榆陽站10 m高10 min平均最大風(fēng)速的頻率計(jì)算

圖2　榆陽站最大風(fēng)速頻率計(jì)算圖

從表2可知，榆陽站15年一遇10 m高10 min平均最大風(fēng)速為20.2～20.9 m/s之間，換算到15 m高度最大風(fēng)速為21.6～22.3 m/s，而原線路設(shè)計(jì)風(fēng)速采用30 m/s，因此原線路設(shè)計(jì)風(fēng)速取值合理。

3.3風(fēng)速重現(xiàn)期分析

《地面氣象觀測規(guī)范》（2003版）中對“最大風(fēng)速”和“極大風(fēng)速”的定義如下：最大風(fēng)速是指在某個時段內(nèi)出現(xiàn)的最大10 min平均風(fēng)速值。極大風(fēng)速（陣風(fēng)）是指某個時段內(nèi)出現(xiàn)的最大瞬時風(fēng)速值。瞬時風(fēng)速是指3 s的平均風(fēng)速。

大風(fēng)過程往往持續(xù)時間較短，但是最大風(fēng)速反映的是10 min內(nèi)風(fēng)速的平均值，因此，最大風(fēng)速難以反映實(shí)際風(fēng)速造成的損失情況。所以，采用極大風(fēng)速分析本次事故更為合理。

根據(jù)氣象部門提供的資料，事發(fā)時榆陽站實(shí)測的最大風(fēng)速僅為18.0 m/s，相當(dāng)于5～10年一遇風(fēng)速；然而同時實(shí)測的極大風(fēng)速卻達(dá)到了29.7 m/s，超過了該站100年一遇最大風(fēng)速，因此本次大風(fēng)災(zāi)害屬于稀遇的突發(fā)事故。

4　微地形微氣象分析

微氣象是指由于下墊面的某些特征所引起的近地面大氣層中小范圍氣候特點(diǎn)，這種小范圍的氣候特點(diǎn)一般表現(xiàn)在個別氣象的數(shù)值上，有時表現(xiàn)在個別天氣現(xiàn)象（如風(fēng)、霧、霜、雨凇等）上。微地形是相對大地形而言，它是大地形中的一個局部的狹小的范圍。在一個具體的山地，通常由于局地形而使各氣象因子在小范圍內(nèi)產(chǎn)生綜合巨變，使得該地點(diǎn)某些氣候因子特別增強(qiáng)，故微地形與微氣象密切相關(guān)，不可分割。這種微地形特征使氣象因素發(fā)生了驟變，它在電線覆冰及大風(fēng)形成上反映十分明顯。微地形多種多樣，但從對大風(fēng)的影響來看，應(yīng)是那些有利于大風(fēng)生成、發(fā)展和加重的局部地段，如埡口、谷口、山頂?shù)取?/p>

本次發(fā)生事故的330 kV輸電線路運(yùn)行時間較長，在當(dāng)時的設(shè)計(jì)中未考慮微地形微氣候的影響。但是根據(jù)相關(guān)的試驗(yàn)研究，與平地風(fēng)速相比，山谷中軸線上的最大風(fēng)速高出了33%，山丘峰頂最大風(fēng)速更是高出了44%。事發(fā)時榆陽站的實(shí)測極大風(fēng)速為29.7 m/s，推算的山谷中軸線和山丘峰頂?shù)臉O大風(fēng)速應(yīng)為39.5 m/s和42.8 m/s。

經(jīng)過現(xiàn)場勘查，事故倒塔段地形復(fù)雜，微地形特點(diǎn)顯著。37#和38#塔跨越山谷（見圖3），符合埡口微地形特點(diǎn)；35#、36#、39#、40#和46#塔均處于山梁頂部。因此，事故段線路在事故發(fā)生時的實(shí)際風(fēng)速應(yīng)該達(dá)到39.5 m/s（10 m高）以上，超過設(shè)計(jì)風(fēng)速28.1 m/s（10 m高）40%以上。

倒塔事故的中心位于37#和38#鐵塔之間，此處兩基鐵塔正好跨越山谷，當(dāng)時的大風(fēng)風(fēng)向?yàn)槲髌保c山谷走向基本一致，由于狹管效應(yīng)的作用，使其效力達(dá)到極大，從而使鐵塔風(fēng)荷載嚴(yán)重超載，引起了鐵塔的倒塌，見圖3。

圖3　37#和38#鐵塔之間的地形

46#地處孤立的山梁頂部，事故現(xiàn)場植被稀疏，大風(fēng)經(jīng)過迎風(fēng)坡地表的加速作用，使風(fēng)速在山梁頂部達(dá)到最大，加上46#鐵塔水平檔距利用率達(dá)到93.7%，從而造成了46#鐵塔的倒塌事故。

5　結(jié)語

（1）本次強(qiáng)對流天氣引發(fā)的大風(fēng)災(zāi)害是本次事故的主要原因。事發(fā)時代表性氣象站實(shí)測的極大風(fēng)速達(dá)到了29.7 m/s，超過了該站100年一遇最大風(fēng)速，而事故線路設(shè)計(jì)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)僅為15年一遇，因此本次大風(fēng)災(zāi)害屬于稀遇的突發(fā)事故。

（2）事故線路段的代表性氣象站15 m高度15年一遇最大風(fēng)速為21.6～22.3 m/s，而原線路設(shè)計(jì)風(fēng)速采用30 m/s，因此原線路設(shè)計(jì)風(fēng)速取值合理，建議事故段線路修復(fù)時仍采用原設(shè)計(jì)風(fēng)速。

（3）現(xiàn)行《電力工程氣象勘測技術(shù)規(guī)程》采用最大風(fēng)速資料統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)風(fēng)速，但大風(fēng)過程往往持續(xù)時間較短，最大風(fēng)速反映的10 min內(nèi)風(fēng)速的平均值有時難以反映實(shí)際風(fēng)速造成的損失情況，配合分析極大風(fēng)速，可更好反映大風(fēng)情況。因此，建議在極大風(fēng)速資料充分的情況下，可統(tǒng)計(jì)極大風(fēng)速作為確定設(shè)計(jì)風(fēng)速時參考。

（4）原線路設(shè)計(jì)時未考慮微地形微氣候的影響，但微地形微氣候地段風(fēng)速增大顯著，對輸電線路危害大，建議在輸電線路的規(guī)劃和設(shè)計(jì)中加強(qiáng)微地形微氣象的研究。

（5）耐張段過長加劇了本次災(zāi)害的損失程度，建議在線路修復(fù)時縮短耐張段長度，將38#塔更換為耐張塔，

（6）由于運(yùn)行時間較長的線路在當(dāng)時設(shè)計(jì)時甚少考慮微地形微氣候影響，建議對在役的輸電線路進(jìn)行微地形微氣候篩查，及時進(jìn)行加固和改造，提高輸電線路抵御氣象災(zāi)害的能力。同時，線路在經(jīng)過微地形地段時，應(yīng)適當(dāng)縮短耐張段長度，加強(qiáng)桿塔設(shè)計(jì)，適當(dāng)降低桿塔利用率。

［1］ 王守禮，李家垣.微地形微氣象對送電線路的影響［M］.北京：中國電力出版社，1999.

［2］ 歐陽克儉，等.220 kV輸電線路拉門塔倒塌事故分析［J］.湖南電力，2013，33（3）.

［3］ 張勇.輸電線路風(fēng)災(zāi)防御的現(xiàn)狀與對策［J］.華東電力，2006，34（3）.

［4］ 中國電力科學(xué)研究院.330 kV榆綏線倒塔事故分析計(jì)算報(bào)告［R］.北京：中國電力科學(xué)研究院，2013.

［5］ 陜西省電力設(shè)計(jì)院.330 kV榆綏線送電線路倒塔事故分析報(bào)告［R］.西安：陜西省電力設(shè)計(jì)院，2013.

［6］ DL/T 5158-2012，電力工程氣象勘測技術(shù)規(guī)程［S］.

［7］ GB 50545-2010.110 ～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［8］ 中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范 ［M］.北京：氣象出版社，2003.

［9］ 張宏杰，等.埡口地貌要素對風(fēng)速分布規(guī)律影響的風(fēng)洞試驗(yàn)研究［J］.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2014，28（4）.

［10］ 王璋奇，陳海波，周邢銀.埡口型微地形對輸電線路風(fēng)荷載影響的分析［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，35（4）.

［11］ 張靜.風(fēng)的觀測資料在統(tǒng)計(jì)整編中的幾個概念［J］.沙漠與綠洲氣象，2009，3［S1］.

Analysis on Wind Disaster
of a 330 kV High Voltage Transmission Line

CHAO Rui
（Shaanxi Electric Power Design Institute，Xi'an 710054， China）

A 330 kV high voltage transmission line was destroyed by wind hazard， with seven transmission towers collapsed and one tower damaged seriously. According to the analysis of the distribution and utilization of towers ，wind speed ， micro topography and microclimate， the main reason of the disaster is the rare wind hazard，and the wind speed strengthened further in the microtopography， with the towers collapsed. In addition，it aggravated the degree of the disaster that the length of the strain section is too long. On this basis， the article puts forward the measures to deal with the disaster and prevent the similarity one.

transmission line； wind hazard； maximum wind speed； extreme wind speed； microtopography；microclimate.

P425

B

1671-9913（2016）03-0043-05

2015-03-19

晁銳（1985- ），男，陜西禮泉人，碩士，工程師，主要從事電力工程水文氣象勘測工作。