臺(tái)風(fēng)引起的500kV輸電線路桿塔倒塔分析

陳小偉

(國網(wǎng)浙江省電力公司麗水供電公司 浙江麗水 323000)

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臺(tái)風(fēng)引起的500kV輸電線路桿塔倒塔分析

陳小偉

(國網(wǎng)浙江省電力公司麗水供電公司 浙江麗水 323000)

2016 年14號(hào)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”對(duì)廈門電網(wǎng)造成嚴(yán)重破壞。針對(duì)一條受損的廈門地區(qū)500kV輸電線路做典型分析，根據(jù)氣象站觀測數(shù)據(jù)、災(zāi)后現(xiàn)場桿塔受損情況調(diào)查、計(jì)算分析，判斷桿塔破壞的原因，提出差異化設(shè)計(jì)建議。

輸電線路桿塔；倒塔分析；臺(tái)風(fēng)

1 “莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)概況

2016年9月15日凌晨3點(diǎn)，第14號(hào)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”在廈門翔安登陸，登陸時(shí)中心氣壓935hPa，中心最大風(fēng)力15級(jí)，局部最大陣風(fēng)17級(jí)，對(duì)廈門、泉州、漳州地區(qū)電網(wǎng)造成嚴(yán)重影響。

因?yàn)?zāi)害事故點(diǎn)處無氣象自動(dòng)站，通過附近各自動(dòng)觀測站及廈門氣象本站的對(duì)比分析，結(jié)合自動(dòng)站與電網(wǎng)事故點(diǎn)的地形地貌分析，選取距離災(zāi)害事故點(diǎn)最近的杏林大橋氣象自動(dòng)站和同安大橋氣象自動(dòng)站作為事故點(diǎn)風(fēng)速的氣象參考站，推薦事故區(qū)域10min平均最大風(fēng)速取值為42.9m/s，瞬時(shí)最大風(fēng)速取值為63.1m/s。

通過廈門氣象本站歷年最大風(fēng)速系列頻率分析可知，該次臺(tái)風(fēng)期間本站所測10min平均最大風(fēng)速重現(xiàn)期區(qū)間為65年～88年。通過廈門地區(qū)風(fēng)壓換算的風(fēng)速的分析，該次臺(tái)風(fēng)期間本站所測10min平均最大風(fēng)速重現(xiàn)期區(qū)間為65年～75年。通過對(duì)建國以來廈門地區(qū)最強(qiáng)3次臺(tái)風(fēng)的分析對(duì)比及相關(guān)氣象檔案的分析可知，1614號(hào)臺(tái)風(fēng)為廈門地區(qū)87年來最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。

該次電網(wǎng)事故點(diǎn)氣象代表站所測10min最大風(fēng)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了廈門氣象本站歷年最大風(fēng)速系列所計(jì)算出的100年一遇風(fēng)速值， 也超出了《建筑荷載規(guī)范》中風(fēng)壓換算得到的100年一遇風(fēng)速值。

2 廈門電網(wǎng)輸電桿塔受損情況

“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)對(duì)廈門電網(wǎng)500kV桿塔造成桿塔破壞形態(tài)包括桿塔傾倒、塔頭變形和橫擔(dān)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(dān)彎曲1基。220kV共有15基，集中在李西線、廈李I(lǐng)/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(dān)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(wǎng)、華東電網(wǎng)臺(tái)風(fēng)引起的事故分析及抗臺(tái)風(fēng)措施[1-3]，提出相應(yīng)的桿塔加強(qiáng)措施。

表1 500kV桿塔受損表

3 線路設(shè)計(jì)概況及現(xiàn)場調(diào)查分析

漳泉Ⅱ路原設(shè)計(jì)風(fēng)速Vmax=35m/s，覆冰C=0mm，導(dǎo)線采用4×LGJ-400/35型鋼芯鋁絞線，安全系數(shù)為2.5。地線兩根均采用GJ-80型鍍鋅鋼絞線，安全系數(shù)為4.65。

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

#125塔地線橫擔(dān)彎曲，#126塔頭瓶口以上位置順線路方向往小號(hào)側(cè)倒，方向由北往南。#127基礎(chǔ)以上塔身整體失穩(wěn)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(chǔ)及地腳螺栓均未破壞。

現(xiàn)場情況分析結(jié)論：

(1)距離臺(tái)風(fēng)路徑中心距離越近，桿塔受損破壞的程度越嚴(yán)重。受損線路所處的耐張段內(nèi)從西南往東北向，依次為#125桿塔、#126桿塔、#127桿塔，距離臺(tái)風(fēng)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(yán)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(tái)風(fēng)過境時(shí)強(qiáng)勁的東北風(fēng)基本吻合。

(3)桿塔的板式基礎(chǔ)及地腳螺栓按照規(guī)范設(shè)計(jì)時(shí)安全系數(shù)高于桿塔。

(4)同一設(shè)計(jì)水準(zhǔn)下，耐張塔的抗臺(tái)風(fēng)能力優(yōu)于直線塔。本次臺(tái)風(fēng)受損的均為直線塔，沒有耐張塔。

圖1 臺(tái)風(fēng)與輸電線路走向示意圖

4 計(jì)算分析

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

表2 受損事故段電氣明細(xì)表

表3 ZMV514、ZMV522直線塔設(shè)計(jì)使用條件

臺(tái)風(fēng)破壞現(xiàn)場照片 0度風(fēng)計(jì)算應(yīng)力 45度風(fēng)計(jì)算應(yīng)力圖2 #126桿塔計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場照片對(duì)比

4.1 #126桿塔計(jì)算分析

#126桿塔，型號(hào)ZMV522-36，設(shè)計(jì)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[4]、《110～500kV架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[5]，驗(yàn)算時(shí)仍采用該標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)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(hào)側(cè)倒)，與周圍樹木倒伏方向基本吻合。

根據(jù)現(xiàn)場破壞情況，推測#126塔破壞瞬間起主導(dǎo)作用的大風(fēng)與線路夾角約0°～45°。分別計(jì)算臺(tái)風(fēng)工況下0°風(fēng)與45°風(fēng)情況，設(shè)計(jì)基本風(fēng)速為42.9m/s，設(shè)計(jì)方法依據(jù)《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[4]規(guī)定的荷載計(jì)算公式，針對(duì)該塔位桿塔呼高、多接腿建立空間桁架模型，進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。在0度風(fēng)工況下，曲臂側(cè)面交叉斜材效應(yīng)設(shè)計(jì)值與構(gòu)件抗力設(shè)計(jì)值比值達(dá)140%，45°風(fēng)工況下曲臂側(cè)面交叉斜材該比值達(dá)110%～120%， 如圖2所示，所以在臺(tái)風(fēng)情況下，塔頭曲臂側(cè)面交叉斜材最先失穩(wěn)破壞，隨之塔頭曲臂主材失去交叉斜材支撐作用后發(fā)生失穩(wěn)，最終塔頭曲臂部分整體失穩(wěn)向一側(cè)倒塌。

結(jié)合現(xiàn)場倒塔情況與計(jì)算結(jié)果，判斷#126塔，在0°～45°大風(fēng)情況塔頭曲臂側(cè)面交叉斜材失穩(wěn)，導(dǎo)致塔頭破壞。#126桿塔計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場照片對(duì)比如圖2所示。

4.2 #127桿塔計(jì)算分析

#127塔，型號(hào)ZMV522-33。桿塔設(shè)計(jì)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)與#126塔相同，驗(yàn)算時(shí)仍采用該標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)場調(diào)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(wěn)，塔腿主材明顯壓彎，無法清晰判斷最先破壞的位置。

根據(jù)倒塔形態(tài)，推測#127塔破壞瞬間起主導(dǎo)作用的大風(fēng)為90°風(fēng)。通過計(jì)算，在90°風(fēng)作用下：塔頭曲臂主材效應(yīng)設(shè)計(jì)值與構(gòu)件抗力設(shè)計(jì)值比值達(dá)110%～123%。下曲臂主材達(dá)到123%；塔身主材達(dá)到117%～130%。塔腿及塔腿以上兩個(gè)主材段角鋼達(dá)130%；瓶口以下交叉斜材達(dá)109%～125%，如圖3所示。通過計(jì)算，推測受力最大的塔身主材受壓失穩(wěn)后，形成不穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致整體失穩(wěn)，倒塌過程存在其他桿件的壓彎、拉斷、屈曲。

結(jié)合現(xiàn)場倒塔情況，判斷#127塔，在臺(tái)風(fēng)作用下，塔頭曲臂、交叉斜材、塔身主材位置角鋼構(gòu)件受壓失穩(wěn)導(dǎo)致倒塔。#127桿塔計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場照片對(duì)比如圖3所示。

90度風(fēng)計(jì)算應(yīng)力 臺(tái)風(fēng)破壞現(xiàn)場照片圖3 #127桿塔計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場照片對(duì)比

5 結(jié)論

(1)該線路桿塔受損的直接原因是臺(tái)風(fēng)風(fēng)速遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)風(fēng)速。“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力有15級(jí)，倒塔事故段附近實(shí)測風(fēng)速10min平均最大風(fēng)速42.9/s、瞬時(shí)最大風(fēng)速63.1m/s。受損鐵塔位于臺(tái)風(fēng)路徑中心兩側(cè)5km內(nèi)，最近的倒塔位置距離臺(tái)風(fēng)路徑中心約600m。大風(fēng)導(dǎo)致桿塔角鋼構(gòu)件受力遠(yuǎn)超其承載力，最后失穩(wěn)破壞，這是線路發(fā)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(qū)灌口鎮(zhèn)西北面天柱山脈的迎風(fēng)坡，且為臺(tái)風(fēng)登陸后第一道迎風(fēng)坡，存在地形因素影響。

(2)臺(tái)風(fēng)在空間各點(diǎn)產(chǎn)生的風(fēng)力強(qiáng)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(fēng)力入射角不同，同時(shí)每基桿塔使用條件及檔內(nèi)地形地貌也有差異，因此即使同一塔型在臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域內(nèi)其實(shí)際承受的風(fēng)荷載也會(huì)因塔位的不同而存在較大差別，造成相同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)線路在本次臺(tái)風(fēng)中出現(xiàn)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(chǔ)及地腳螺栓設(shè)計(jì)的安全系數(shù)高于桿塔，本次臺(tái)風(fēng)沒有造成500kV桿塔基礎(chǔ)及地腳螺栓的破壞。

同一設(shè)計(jì)水準(zhǔn)下，耐張塔的抗臺(tái)風(fēng)能力優(yōu)于直線塔。本次臺(tái)風(fēng)沒有造成500kV耐張塔破壞。

舊線路加強(qiáng)改造時(shí)，建議對(duì)于桿塔與基礎(chǔ)、直線塔與耐張塔，采取不同的加固措施。

(4)新建沿海地區(qū)輸電線路依據(jù)最新的風(fēng)速分區(qū)圖采用風(fēng)速取值，對(duì)于重要通道、微地形區(qū)域提高風(fēng)速的防御標(biāo)準(zhǔn)。

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

[2] 張鋒，吳秋晗，李繼紅.臺(tái)風(fēng)“云娜”對(duì)浙江電網(wǎng)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(fēng)災(zāi)防御的現(xiàn)狀與對(duì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].2002.

[5] DL/T 5092-1999 110～500kV架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)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(jí)工程師。

E-mail:chxwls@126.com

2017-04-10

TM

A

1004-6135(2017)08-0099-04