一起下?lián)舯┝鲗?dǎo)致500kV輸電線路倒塔事故原因分析

王振國(guó)，劉 黎，周嘯宇，劉 巖，倪宏宇，李 特，潘 鋒，李丹煜

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司紹興供電公司，浙江 紹興 312099；4.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310012；5.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192）

0 引言

架空輸電線為風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，具有柔性大、阻尼小的特點(diǎn)，且點(diǎn)多面廣，分布范圍廣泛，易受強(qiáng)風(fēng)影響。其中強(qiáng)對(duì)流引發(fā)的雷暴大風(fēng)對(duì)輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響尤其顯著[1-4]。雷暴天氣下，云層中的水滴及冰晶下落過程中，其表面產(chǎn)生的摩擦?xí)?dòng)四周的空氣下沉，并逐步增強(qiáng)下墜力從而產(chǎn)生下降氣流，高空下降的冷氣流在到達(dá)地面時(shí)會(huì)水平展開，形成猛烈陣風(fēng)。澳大利亞對(duì)輸電桿塔倒塔事故的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，90%的倒塔事故與雷暴強(qiáng)風(fēng)有關(guān)。南非、美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，80%以上天氣因素導(dǎo)致的倒塔事故與局地雷暴強(qiáng)風(fēng)密切相關(guān)[5]。

雷暴可以分為單體雷暴、多單體雷暴、颮線及超級(jí)單體雷暴四種類型。下?lián)舯┝髯鳛槔妆┐箫L(fēng)的一種，又稱為雷暴沖擊風(fēng)，是由雷暴云中局部性的強(qiáng)下沉氣流到達(dá)地面后產(chǎn)生的直線型大風(fēng)，最早由氣象學(xué)家藤田哲也發(fā)現(xiàn)并命名，其典型特征為高度輻散的直線大風(fēng)或者曲線型大風(fēng)，山地和丘陵地區(qū)是下?lián)舯┝鞯亩喟l(fā)區(qū)域[6-8]。區(qū)別于臺(tái)風(fēng)，下?lián)舯┝鳠o固定影響區(qū)域，具有局地性、小尺度、突發(fā)性特點(diǎn)，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力無法實(shí)現(xiàn)有效預(yù)警。目前國(guó)內(nèi)的輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范中亦不考慮下?lián)舯┝?，線路設(shè)防水平有限[9-10]。近年來隨著全球變暖，強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)，下?lián)舯┝鞯葟?qiáng)對(duì)流天氣對(duì)輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行威脅不斷加大。

目前國(guó)內(nèi)已有眾多學(xué)者關(guān)注到下?lián)舯┝鲗?duì)輸電線路運(yùn)行的危害，并開展了相關(guān)的理論研究[8-10]。然而由于國(guó)內(nèi)對(duì)下?lián)舯┝鞯难芯科鸩捷^晚，早期輸電線路倒塔事故分析中強(qiáng)對(duì)流天氣引發(fā)的災(zāi)害大風(fēng)通常只劃分為龍卷風(fēng)和颮線風(fēng)兩類，未能進(jìn)一步有效識(shí)別下?lián)舯┝?，因此?guó)內(nèi)少有報(bào)道下?lián)舯┝饕l(fā)輸電線路故障[11-14]。

本文針對(duì)一起下?lián)舯┝鲗?dǎo)致的500 kV 輸電線路倒塔事故開展分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及桿塔力學(xué)分析，判斷此次倒塔為下?lián)舯┝鲗?dǎo)致。分析結(jié)果可為后續(xù)研究下?lián)舯┝髯饔孟碌妮旊娋€路失效機(jī)理提供參考。

1 事故基本情況

1.1 事故概述

2021 年5 月14 日晚，紹興地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流大風(fēng)天氣，22:15:06，500 kV 某線路B 相故障，0.7 s 后A 相故障，線路三相跳閘，故障測(cè)距6.5 km；5 月15 日00:15，強(qiáng)送失敗。該線路于1997年12 月投運(yùn)，線路全長(zhǎng)48.677 km，共102 基桿塔，全線單回路架設(shè)，平均高程250 m，設(shè)計(jì)風(fēng)速27 m/s（離地10 m 高）。故障段導(dǎo)線采用4×LGJ-400/35，地線采用LGJ-95/55 及OPGW-120，設(shè)計(jì)風(fēng)速27 m/s，設(shè)計(jì)覆冰厚度10 mm，與現(xiàn)行風(fēng)區(qū)圖、冰區(qū)圖匹配。采用的桿塔設(shè)計(jì)風(fēng)速、導(dǎo)地線與工程使用一致，設(shè)計(jì)水平檔距、垂直檔距、轉(zhuǎn)角度數(shù)與工程實(shí)際使用情況如表1 所示。對(duì)14—19 號(hào)桿塔在27 m/s 風(fēng)速下按工程實(shí)際使用條件進(jìn)行校驗(yàn)，各桿件均不超載，滿足規(guī)范要求。

表1 桿塔設(shè)計(jì)條件及使用條件

1.2 現(xiàn)場(chǎng)勘查及桿塔受損情況

對(duì)線路受損情況進(jìn)行檢查巡視發(fā)現(xiàn)，故障線路14—19 號(hào)共6 基塔受損，其中：14 號(hào)、17 號(hào)、19 號(hào)塔塔身上部扭曲受損；16 號(hào)塔受損最嚴(yán)重，主材完全變形傾倒；15 號(hào)、18 號(hào)塔橫擔(dān)受損，基礎(chǔ)無異常；受損線路14 號(hào)、15 號(hào)、17 號(hào)、18 號(hào)、19 號(hào)塔周圍植被無明顯損傷，與該線路平行架設(shè)、中心距離60 m 的某500 kV 線路未發(fā)現(xiàn)損傷情況；緊鄰16 號(hào)塔附近有大量的樹木傾倒，樹木大面積折損或連根拔起；17 號(hào)塔附近存在樹木倒伏情況。具體受損情況如圖1—圖5 所示。

圖1 14 號(hào)塔、15 號(hào)塔受損情況

圖2 16 號(hào)塔塔身受損情況

圖3 17 號(hào)塔塔身及附近植被受損情況

圖4 18 號(hào)塔塔身受損情況

圖5 19 號(hào)塔塔身受損情況

故障桿塔所屬耐張段為11—40 號(hào)段，耐張段長(zhǎng)度14.871 km，屬于超長(zhǎng)耐張段。故障區(qū)段，最大檔距段為18—19 號(hào)檔，檔距984 m，其次為16—17 號(hào)檔，檔距637 m；最大高程差檔距段為16—17 號(hào)檔，高程差67 m。導(dǎo)線風(fēng)荷載較大檔段為16—17 號(hào)檔與18—19 號(hào)檔。

2 事故原因分析

2.1 強(qiáng)對(duì)流天氣背景

氣象監(jiān)測(cè)顯示，14 日浙北地區(qū)和浙中的西部地區(qū)午后到夜里出現(xiàn)8～10 級(jí)局地11～12 級(jí)雷雨大風(fēng)、強(qiáng)雷電、短時(shí)暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣。氣象雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6 所示，可以看出22:10—22:20有強(qiáng)回波移動(dòng)至故障區(qū)域，最大強(qiáng)度達(dá)到61 dB，說明故障區(qū)段存在強(qiáng)對(duì)流天氣，具備引發(fā)局部大風(fēng)氣象條件。故障區(qū)段所在的柯橋區(qū)監(jiān)測(cè)到風(fēng)速33.7 m/s（12 級(jí)），監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于距離故障區(qū)段16.5 km 的平原地區(qū)。線路故障區(qū)段沿山脊走線，基本走向?yàn)闁|北—西南走向，位于浙中延綿山區(qū)，周圍植被茂盛。故障桿塔多位于迎風(fēng)面的最高點(diǎn)，除14 號(hào)桿塔外，其他桿塔附近地形多以山頂、山梁為主，強(qiáng)對(duì)流天氣過程中，山頂風(fēng)場(chǎng)加速效應(yīng)明顯。

圖6 故障區(qū)域雷達(dá)回波監(jiān)測(cè)

2.2 氣象原因分析

雷暴大風(fēng)按其形式可以分為直線風(fēng)和龍卷風(fēng)。其中直線風(fēng)指造成風(fēng)災(zāi)且移動(dòng)路徑為直線的地表風(fēng)，與移動(dòng)路徑為曲線的龍卷風(fēng)相區(qū)別[1]。災(zāi)損現(xiàn)場(chǎng)16 號(hào)、17 號(hào)塔附近樹木就地折斷倒伏，并無移位現(xiàn)象，災(zāi)損點(diǎn)間無連續(xù)通道，不符合龍卷風(fēng)造成的災(zāi)損特點(diǎn)，排除強(qiáng)對(duì)流引發(fā)龍卷風(fēng)災(zāi)害的可能性。本次大風(fēng)天氣受災(zāi)點(diǎn)的分布范圍較小，并且較為分散，災(zāi)損點(diǎn)樹木倒向具有明顯輻散特點(diǎn)（圖7、圖8）。結(jié)合故障點(diǎn)樹木零星折斷等跡象，高度符合強(qiáng)對(duì)流天氣中的下?lián)舯┝饕l(fā)災(zāi)害空間分布不連續(xù)、多尺度和強(qiáng)災(zāi)害時(shí)空尺度小等顯著特征，判斷為強(qiáng)對(duì)流天氣引發(fā)下?lián)舯┝?，下?lián)舯┝饕l(fā)的強(qiáng)風(fēng)疊加主導(dǎo)風(fēng)引發(fā)此次大風(fēng)災(zāi)害。16 號(hào)塔附近出現(xiàn)較大硬木樹干折斷，如圖9所示。參考?xì)庀驟F 等級(jí)對(duì)風(fēng)災(zāi)的定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，此次下?lián)舯┝鲝?qiáng)度最強(qiáng)達(dá)EF2 級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)瞬時(shí)風(fēng)速可能已超過50 m/s[15-16]。

圖7 16 號(hào)塔附近樹木倒伏情況

圖8 故障區(qū)段樹木受損區(qū)域

圖9 16 號(hào)塔附近出現(xiàn)較大硬木樹干折斷

2.3 跳閘與桿塔受損過程分析

1）同通道某500 kV 線路風(fēng)偏跳閘

與倒塔線路同通道的某500 kV 線路17 號(hào)塔于22:15:05:186 發(fā)生風(fēng)偏跳閘，跳閘時(shí)間比倒塔線路跳閘時(shí)間提前1 s，且發(fā)生風(fēng)偏跳閘的17 號(hào)桿塔位于倒塔線路16 號(hào)桿塔西側(cè)，距離約為92 m，說明兩條線路均是在由西向東大風(fēng)作用下發(fā)生的懸垂串風(fēng)偏對(duì)塔身放電閃絡(luò)。發(fā)生風(fēng)偏跳閘的17 號(hào)塔距離倒塔線路16 號(hào)塔約92 m，未受到下?lián)舯┝饔绊?，故未發(fā)生線路本體受損。經(jīng)計(jì)算，發(fā)生風(fēng)偏跳閘線路17 號(hào)塔發(fā)生兩相風(fēng)偏的風(fēng)速至少為28.7 m/s，倒塔線路16 號(hào)塔發(fā)生兩相風(fēng)偏的風(fēng)速至少為28.2 m/s，說明倒塔故障發(fā)生時(shí)存在自西向東、風(fēng)速至少為28 m/s 的大風(fēng)。

2）倒塔線路跳閘

根據(jù)氣象臺(tái)站信息，故障區(qū)域14 日夜間主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)，在故障發(fā)生時(shí)間段氣象站記錄到最大風(fēng)速，說明故障時(shí)刻在由西向東大風(fēng)作用下，倒塔線路發(fā)生B 相、A 相相繼風(fēng)偏跳閘。在風(fēng)偏跳閘停運(yùn)后，22:15:10—22:15:14 之間倒塔線路16 號(hào)塔北側(cè)發(fā)生下?lián)舯┝?，給倒塔線路16 號(hào)塔帶來了更大的疊加風(fēng)荷載，導(dǎo)致16 號(hào)塔嚴(yán)重受損。16 號(hào)塔附近受下?lián)舯┝鳑_擊后的風(fēng)向如圖10 所示。

圖10 16 號(hào)塔附近受下?lián)舯┝鳑_擊后的風(fēng)向

3）跨越220 kV 某同塔雙回線跳閘

與倒塔線路交叉跨越的某220 kV 同塔雙回線路分別于22:15:21，22:15:22 發(fā)生故障跳閘，兩回線路故障時(shí)間比倒塔線路跳閘時(shí)間晚約15 s。巡視發(fā)現(xiàn)倒塔線路17—18 號(hào)檔掉落導(dǎo)線導(dǎo)致其跨越的220 kV 某同塔雙回線發(fā)生故障停運(yùn)（圖11），故判斷倒塔線路受損時(shí)間可能發(fā)生在22:15:10—22:15:14 之間，并在7～10 s 時(shí)間內(nèi)引起17 號(hào)、18號(hào)塔受損，導(dǎo)線掉落，引起下方的220 kV 同塔雙回某線路發(fā)生接地故障跳閘。全部線路受損時(shí)序如圖12 所示。

圖11 倒塔線路掉落導(dǎo)線導(dǎo)致跨越的220 kV 某線停運(yùn)

圖12 線路受損過程時(shí)序圖

結(jié)合故障現(xiàn)場(chǎng)查勘，倒塔線路的14 號(hào)、17號(hào)、19 號(hào)3 基塔塔身上部彎曲受損，16 號(hào)塔受損最嚴(yán)重（從塔腿底部?jī)A倒），15 號(hào)、18 號(hào)塔橫擔(dān)受損，以上桿塔基礎(chǔ)均未受損。各受損桿塔彎折及受損方向如圖13 所示，全部朝東南方向，基本與16 號(hào)塔一致。結(jié)合各塔抗風(fēng)能力仿真計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際損毀情況，判斷16 號(hào)塔為本次事故首基受損桿塔。

圖13 倒塔線路桿塔彎折及受損方向

倒塔線路的具體受損過程如下：

1）在倒塔線路16 號(hào)塔小號(hào)側(cè)：16 號(hào)塔受風(fēng)力作用側(cè)向倒伏，由于導(dǎo)地線未斷，鄰近的15號(hào)直轉(zhuǎn)塔受側(cè)向風(fēng)荷載、側(cè)向拉力和縱向不平衡張力差共同作用，導(dǎo)致局部塔頭向內(nèi)角側(cè)拉出；14 號(hào)塔由于距離15 號(hào)塔較近（檔距120 m），承受側(cè)向風(fēng)荷載和側(cè)向拉力，導(dǎo)致塔身部折斷；13 號(hào)塔承受的傳導(dǎo)側(cè)向拉力減弱，且縱向不平衡張力也未超設(shè)計(jì)條件，因此未受損。

2）在倒塔線路16 號(hào)塔大號(hào)側(cè)：16 號(hào)塔受風(fēng)力作用側(cè)向倒伏，17 號(hào)塔受側(cè)向拉力和風(fēng)力同時(shí)作用，塔身上部側(cè)向倒伏。由于17 號(hào)塔受損，導(dǎo)致17—18 號(hào)檔張力釋放，18 號(hào)塔受側(cè)向拉力和縱向不平衡張力作用，導(dǎo)致18 號(hào)塔頭往偏大號(hào)方向側(cè)向傾倒；18 號(hào)塔塔頭傾倒后導(dǎo)致18—19號(hào)檔張力釋放，19 號(hào)塔縱向不平衡張力超設(shè)計(jì)條件，19 號(hào)塔塔頭往大號(hào)側(cè)傾倒；20 號(hào)塔縱向不平衡張力未超設(shè)計(jì)條件，故未受損。

2.4 桿塔力學(xué)狀態(tài)仿真計(jì)算分析

按常規(guī)桿塔設(shè)計(jì)方法對(duì)受損桿塔區(qū)段進(jìn)行設(shè)計(jì)校驗(yàn)（考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)），結(jié)果如表2 所示：16 號(hào)塔受損風(fēng)速臨界值最小，為33 m/s，其抗風(fēng)能力相對(duì)較弱；15 號(hào)塔受損風(fēng)速臨界值最大，為42 m/s；14 號(hào)、17 號(hào)、18 號(hào)、19 號(hào)塔受損風(fēng)速均大于33 m/s。

表2 桿塔受損風(fēng)速（離地10 m 高，10 min 平均值）

為進(jìn)一步明確16 號(hào)塔倒塔原因，對(duì)16 號(hào)塔結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行仿真模擬，若垂直倒塔線路方向風(fēng)速按28.2 m/s（發(fā)生兩相風(fēng)偏時(shí)的風(fēng)速）考慮，當(dāng)順線路方向自北向南給16 號(hào)塔身疊加33 m/s 風(fēng)速（故障區(qū)域?qū)崪y(cè)最大風(fēng)速）時(shí)，該工況下該塔應(yīng)力比超限部位為2 號(hào)腿底部?jī)晒?jié)主材，此時(shí)該兩節(jié)主材應(yīng)力比達(dá)到1.02～1.03。由西向東的橫向風(fēng)和由北向南的下?lián)舯┝鞔箫L(fēng)都會(huì)使2 號(hào)腿主材受壓，對(duì)其形成了受壓內(nèi)力的疊加，成為4 根主材中壓力最大的一根。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，底部?jī)晒?jié)主材的應(yīng)力顯著大于其余段主材的應(yīng)力，并已超限。因此在西側(cè)橫向風(fēng)和下?lián)麸L(fēng)作用下，2 號(hào)腿底部?jī)晒?jié)主材會(huì)首先達(dá)到承載力極限，形成失穩(wěn)破壞。

當(dāng)2 號(hào)腿底部主材失穩(wěn)后，失穩(wěn)主材將成為無效構(gòu)件，鐵塔內(nèi)力分布如圖14 所示。2 號(hào)腿主材從上至下將基本失去承擔(dān)受壓的能力，大部分壓力將轉(zhuǎn)由1 號(hào)腿主材承受，1 號(hào)腿底部主材很快也會(huì)因內(nèi)力超限而失穩(wěn)破壞。從2 號(hào)腿主材失穩(wěn)退出工作到內(nèi)力重分布導(dǎo)致1 號(hào)腿主材失穩(wěn)，整個(gè)過程是在很短時(shí)間內(nèi)完成的，因此倒塌模式上接近于1 號(hào)、2 號(hào)腿主材同時(shí)失穩(wěn)破壞。計(jì)算模擬結(jié)果顯示鐵塔整體以向側(cè)面傾覆為主，并未表現(xiàn)出明顯的前后方向傾覆。結(jié)合氣象過程分析和仿真分析，判斷16 號(hào)塔嚴(yán)重受損是在由西向東的主導(dǎo)風(fēng)疊加瞬時(shí)下?lián)舯┝鞔箫L(fēng)共同作用下引發(fā)。仿真得到16 號(hào)塔倒塔時(shí)鄰近15 號(hào)塔和17號(hào)塔的不平衡張力分別為267 kN 和223 kN，均超過桿塔塔頭屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致15 號(hào)塔和17 號(hào)塔受損。與此同時(shí)，13 號(hào)塔和20 號(hào)塔不平衡張力分別為58 kN 和73 kN，小于桿塔塔頭設(shè)計(jì)應(yīng)力值，未發(fā)生桿塔受損。

圖14 16 號(hào)塔2 號(hào)腿失穩(wěn)后軸力云圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)一起下?lián)舯┝鲗?dǎo)致的倒塔事故進(jìn)行了分析。在下?lián)舯┝髯饔孟?，由北向南的下?lián)舯┝鞔箫L(fēng)與由西向東的主導(dǎo)大風(fēng)風(fēng)荷載共同疊加在倒塔線路16 號(hào)塔上，超過塔材承受極限而導(dǎo)致桿塔嚴(yán)重受損。16 號(hào)塔受損后，受側(cè)向風(fēng)荷載、側(cè)向拉力和縱向不平衡張力差及風(fēng)力共同作用，引起14—19 號(hào)塔受損。同通道某500 kV 線路在由西向東主導(dǎo)大風(fēng)作用下發(fā)生了懸垂串風(fēng)偏對(duì)塔身放電閃絡(luò)，但由于發(fā)生風(fēng)偏跳閘桿塔距離下?lián)舯┝鬏^遠(yuǎn)，未受到下?lián)舯┝饔绊?，因此未發(fā)生線路本體受損。

為提升輸電線路抵御下?lián)舯┝鞯确堑湫蛷?qiáng)對(duì)流大風(fēng)能力，一是提高輸電線路防風(fēng)設(shè)計(jì)水平。收集和分析輸電線路附近氣象臺(tái)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及歷史風(fēng)害故障數(shù)據(jù)，開展輸電線路風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，針對(duì)風(fēng)害高發(fā)區(qū)域，考慮下?lián)舯┝鞯葹?zāi)害大風(fēng)的影響，適當(dāng)提高設(shè)計(jì)水平。二是提升電網(wǎng)強(qiáng)對(duì)流大風(fēng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。針對(duì)下?lián)舯┝鞯葟?qiáng)對(duì)流大風(fēng)具有時(shí)間和空間尺度小、突變性強(qiáng)的特點(diǎn)，綜合利用衛(wèi)星、雷達(dá)等多源數(shù)據(jù)，建立災(zāi)害預(yù)警機(jī)制，提前采取有效應(yīng)對(duì)措施。