220 kV線路桿塔倒塌原因分析與預(yù)防措施

汪楚清，王輝

（1.寧夏回族自治區(qū)電力設(shè)計(jì)院有限公司，銀川 750004；2.北方民族大學(xué)土木工程學(xué)院，銀川 750021）

0 引言

輸電線路鐵塔屬于輕質(zhì)、柔性的高聳結(jié)構(gòu)，對風(fēng)荷載、覆冰荷載具有很強(qiáng)的敏感性。近年來，由極端天氣引發(fā)的輸電鐵塔倒塔事故時(shí)有發(fā)生，如何提高輸電線路桿塔運(yùn)行的可靠性一直是電網(wǎng)建設(shè)的重要任務(wù)。對于倒塔事故分析，研究人員多從風(fēng)荷載激勵(lì)[1]、覆冰形成機(jī)理[2-4]以及桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化[5]等方面展開研究。

本文以某220 kV線路桿塔倒塌為研究對象，從工程設(shè)計(jì)角度分析事故發(fā)生原因，通過調(diào)查事故發(fā)生點(diǎn)的微地形、微氣象形成條件，分析桿塔和基礎(chǔ)的承載力，為附近線路的加固改造提供依據(jù)。

1 線路概況及出現(xiàn)的問題

某220 kV線路工程于2013年投入運(yùn)行，全長15.936 km。該工程導(dǎo)線采用2×JL/G1A-400/35-48/7鋼芯鋁絞線，雙分裂垂直布置，子導(dǎo)線分裂間距400 mm，其中一根地線采用24芯OPGW-120光纖復(fù)合架空地線，另一根采用JLB40-100鋁包鋼絞線。共有35基桿塔，其中單回路直線塔23基，單回路耐張塔11基，雙回路耐張塔1基。設(shè)計(jì)基本風(fēng)速為27 m/s，覆冰厚度為5 mm。2021-11-06T00：55，48號(hào)和49號(hào)鐵塔發(fā)生倒塌，均為直線塔，倒塔現(xiàn)場圖如圖1所示?，F(xiàn)場倒塌桿塔的基礎(chǔ)完好，未發(fā)現(xiàn)破損及裂紋，且當(dāng)晚非雨雪天氣。

圖1 倒塔現(xiàn)場圖Fig.1 Site scene of collapsed tower

2 桿塔倒塌原因分析

2.1 氣象站風(fēng)速調(diào)研

根據(jù)事故時(shí)段氣象部門觀測站測風(fēng)資料，與事故點(diǎn)距離鄰近的觀測點(diǎn)為惠農(nóng)站（屬國家基準(zhǔn)站）和紅果子長城加油站觀測站（屬自動(dòng)觀測站），最大風(fēng)速和極大風(fēng)速資料如表1所示，事故發(fā)生時(shí)段惠農(nóng)站最大風(fēng)速分別為11.1 m/s和21.4 m/s，均未超過設(shè)計(jì)值27 m/s。而紅果子長城加油站自動(dòng)站監(jiān)測到的極大風(fēng)速最高達(dá)39.4 m/s，證明事故當(dāng)晚存在極端天氣的情況。

表1 事故點(diǎn)鄰近觀測站風(fēng)速資料1）Tab.1 Wind speed data of nearby observation stations at accident point m/s

惠農(nóng)站與該220 kV線路路徑地屬同一氣候區(qū)，氣象條件基本一致，氣象站觀測規(guī)范、項(xiàng)目齊全，氣象資料系列連續(xù)完整、精度較高，可作為本工程設(shè)計(jì)風(fēng)速分析計(jì)算的參證站。本次選用1981—2010年共30年的觀測值為樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。根據(jù)GB 5009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[6]提供的計(jì)算方法，經(jīng)高度和次時(shí)訂正后，采用極值I型（Gumbel）進(jìn)行頻率計(jì)算，得到30年一遇、離地10 m高、10 min平均最大風(fēng)速為26.8 m/s，說明原線路設(shè)計(jì)風(fēng)速取值合理。

最大風(fēng)速是指在給定時(shí)段內(nèi)的10 min平均風(fēng)速最大值，但大風(fēng)過程往往持續(xù)很短，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。從表1可知，事發(fā)時(shí)惠農(nóng)站實(shí)測的極大風(fēng)速僅為16.0 m/s，不排除惠農(nóng)站近年來因城鎮(zhèn)化建設(shè)，觀測站周圍阻擋較多，造成此次觀測的風(fēng)速較低。而紅果子長城加油站自動(dòng)站事發(fā)時(shí)觀測到的極大風(fēng)速在29.5～39.4 m/s，更符合本次事故的氣象條件。

2.2 微地形微氣象分析

微氣象是由于下墊面的某些構(gòu)造特征所引起的近地面大氣層和上層土壤中的小范圍氣候特點(diǎn)，一般表現(xiàn)在個(gè)別氣象的數(shù)值上，有時(shí)表現(xiàn)在個(gè)別天氣現(xiàn)象（如風(fēng)、霧、霜、雨凇等）上。微地形地區(qū)指大地形區(qū)域中的一個(gè)局部狹小的范圍，在一個(gè)具體的山地，通常局部地形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)某些氣象因子特別增強(qiáng)，如谷口、埡口、山頂?shù)萚8]。

本次發(fā)生事故的220 kV輸電線路運(yùn)行時(shí)間較長，由于微地形、微氣象形成機(jī)理復(fù)雜[9]，定性分析難度大，在原設(shè)計(jì)中未考慮微地形微氣象的影響。根據(jù)相關(guān)研究[10]，與平地風(fēng)速相比，微地形風(fēng)速增幅可達(dá)到平地風(fēng)速的30%～50%。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，事故倒塔段距離賀蘭山東側(cè)約2.0 km，地形復(fù)雜，峽谷延伸方向與線路走向垂直（見圖2，紅色箭頭為峽谷風(fēng)向），且從谷口到線路之間無任何障礙物，具備使該地段風(fēng)速較常規(guī)區(qū)域增大的特點(diǎn)。從現(xiàn)場桿塔倒塌方向來看，均為垂直線路方向，與谷口延伸方向一致。根據(jù)以上分析認(rèn)為，當(dāng)晚極端天氣引發(fā)的西北風(fēng)（90°大風(fēng)）再經(jīng)峽谷效應(yīng)增強(qiáng)后極易誘發(fā)桿塔超載倒塌。

圖2 48—49號(hào)段地形Fig.2 Terrain scene from tower 48 to tower 49

2.3 桿塔承載力分析

事故桿塔均采用《國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)220 kV輸電線路分冊》（2011年版）中規(guī)定的2B4-ZM1桿塔，呼高21.0 m。桿塔設(shè)計(jì)條件與實(shí)際使用條件對比見表2?？梢钥闯觯瑮U塔選型符合通用設(shè)計(jì)要求，事故桿塔的水平檔距利用率為90.9%～97.4%，垂直檔距利用率為72.7%～76.0%，未出現(xiàn)超檔使用情況。

表2 桿塔設(shè)計(jì)條件與實(shí)際使用條件對比Tab.2 Comparison between tower design conditions and actual service conditions

為了分析桿塔在不同風(fēng)速下的受力情況，建立與實(shí)際桿塔結(jié)構(gòu)圖完全一致的桿塔三維幾何模型。根據(jù)桿塔的實(shí)際使用檔距進(jìn)行荷載計(jì)算，其中荷載主要由導(dǎo)地線風(fēng)荷載、導(dǎo)地線自重、導(dǎo)地線張力和塔身風(fēng)荷載組成。利用鐵塔荷載計(jì)算軟件Smart Load完成與實(shí)際桿塔邊界條件相同的電氣荷載計(jì)算，并采用桿塔滿應(yīng)力計(jì)算程序Smart Tower對桿塔的受力情況進(jìn)行分析。在建模和分析過程中，Smart Tower軟件充分發(fā)揮了其強(qiáng)大的三維可視化設(shè)計(jì)、模塊化建模和高效的求解能力，積木式的建模保證了模型在幾何、規(guī)格、材質(zhì)和受力信息等方面與實(shí)際桿塔受力的一致性，精確的內(nèi)力分析最大限度降低了計(jì)算偏差，大大提升了桿塔承載力校核效率。

典型大風(fēng)工況下的導(dǎo)地線荷載及不同計(jì)算風(fēng)速條件下的應(yīng)力云圖見圖3，其中不同顏色代表不同的應(yīng)力比，應(yīng)力比數(shù)值越高，代表?xiàng)U件受力越接近其極限承載力。可以看出，在基本風(fēng)速為27 m/s的氣象條件下，桿塔承載力滿足使用要求；在基本風(fēng)速為29 m/s的氣象條件下，桿塔承載力基本滿足要求，但塔腿斜材已處于設(shè)計(jì)極限承載力狀態(tài)；當(dāng)基本風(fēng)速大于29 m/s時(shí)，桿塔已超載5%～10%，不滿足使用要求，桿塔會(huì)有倒塌風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)從風(fēng)速遞進(jìn)分析的云圖（圖3）也可以看出，隨著風(fēng)速的提高，塔腿及塔身中部主材首先開始失效，理論計(jì)算出的失效位置與現(xiàn)場桿塔的破壞位置（見圖1）比較接近。分析結(jié)果充分表明了極端天氣引起的偶然大風(fēng)是造成此次桿塔倒塌的主要原因。

圖3 大風(fēng)工況荷載和桿塔應(yīng)力云圖Fig.3 Cloud chart of load and tower stress under high wind condition

2.4 基礎(chǔ)承載力分析

不同氣象條件下的基礎(chǔ)作用力如表3所示，可以看出，當(dāng)基本風(fēng)速超過30 m/s時(shí)，基礎(chǔ)實(shí)際需承受的上拔力和下壓力分別為210.91 kN和268.92 kN，而原基礎(chǔ)允許承受的最大上拔力和下壓力分別為191.22 kN和255.21 kN，已超出原基礎(chǔ)設(shè)計(jì)承載力,即原基礎(chǔ)承載力已不滿足使用要求。根據(jù)圖3分析，當(dāng)基本風(fēng)速大于29 m/s時(shí)，桿塔已超載，因此現(xiàn)場基礎(chǔ)完好，而桿塔已損壞并倒塌。

表3 不同氣象條件下基礎(chǔ)承載力1）Tab.3 Bearing capacity analysis of foundation under different meteorological conditions kN

3 整改措施

3.1 事故段整改措施

原線路48號(hào)和49號(hào)鐵塔已倒塌，必須重新選位新建，按原27 m/s風(fēng)速進(jìn)行設(shè)計(jì)明顯已不合理，解決問題的核心在于新建桿塔的設(shè)計(jì)基本風(fēng)速如何取值。本線路位于賀蘭山東麓，屬微氣象區(qū)，是大風(fēng)天氣經(jīng)常出現(xiàn)的區(qū)域之一，尤其近些年來短時(shí)極端大風(fēng)天氣頻發(fā)，大氣風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，多與線路走向垂直，已造成了多起倒塔事故。

通過調(diào)查附近地區(qū)的歷史大風(fēng)記錄情況和近些年賀蘭山沿線線路出現(xiàn)的跳閘、倒塔事故情況，再結(jié)合事故地段微地形、微氣象的特點(diǎn)，建議本地段采取差異化設(shè)計(jì)，將基本風(fēng)速較常規(guī)地段提高15%，即按31 m/s進(jìn)行設(shè)計(jì)。受48號(hào)和49號(hào)鐵塔倒塔過程產(chǎn)生沖擊荷載的影響，47號(hào)鐵塔橫擔(dān)受損嚴(yán)重，一并按此原則進(jìn)行拆除并新建處理。

對于事故地段新建桿塔設(shè)計(jì)時(shí)具體采取以下措施：

（1）新建桿塔按滿足最大抗風(fēng)能力31 m/s進(jìn)行承載力設(shè)計(jì)，并適當(dāng)預(yù)留抗風(fēng)強(qiáng)度儲(chǔ)備。

（2）塔頭布置參照高風(fēng)速區(qū)桿塔進(jìn)行規(guī)劃，邊相采用I串，中相采用V串，并按照滿足基本風(fēng)速33 m/s進(jìn)行風(fēng)偏校核（見圖4）。從電氣間隙圓包絡(luò)線可以看出，邊相I串和中相V串的電氣間隙在基本風(fēng)速33 m/s時(shí)滿足要求，可進(jìn)一步提高桿塔的抗風(fēng)偏跳閘能力。

圖4 塔頭布置Tab.4 Tower head layout

采取以上措施，于2021年年底前完成對事故線路的整改。整改后，線路已成功帶電運(yùn)行半年多，經(jīng)受住了春季多發(fā)的大風(fēng)天氣，未發(fā)生異常現(xiàn)象。

3.2 其余段整改措施

由于48號(hào)、49號(hào)鐵塔已倒塌，且直線塔對風(fēng)荷載較為敏感，因此有必要對該線路處于賀蘭山風(fēng)口區(qū)域所有直線塔的承載力進(jìn)行全面效驗(yàn)。采用本文所述的桿塔承載力分析方法，該條線路剩余16基直線塔最大抗風(fēng)能力為29 m/s（覆冰厚度5 mm），為防止在極端天氣下再次發(fā)生倒塔事故，采取“四方拉線”加固方案（見圖5）。即在靠近塔頭的塔身和塔腿處沿主材對角線方向均勻裝設(shè)各4根直徑為13 mm的鋼絲繩拉線，保證拉線與地面水平夾角約為60°，這樣既能使拉線平衡線條水平分力，又能使桿塔與拉線的總體結(jié)構(gòu)比較緊湊。同時(shí)，為了加強(qiáng)拉線處的強(qiáng)度以及塔身剛度，沿拉線掛點(diǎn)的塔身四周布置拉桿支撐結(jié)構(gòu)。

圖5 四方拉線加固Tab.5 Square stay wire reinforcement layout

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

本文以受損倒塔的某220 kV線路為研究對象，調(diào)查了事故桿塔的分布和使用情況以及所處位置的微地形、微氣象形成條件，通過對事故桿塔進(jìn)行承載力分析，得出以下結(jié)論：

（1）本次強(qiáng)對流天氣引發(fā)的局部大風(fēng)是本次倒塔事故的主要原因，事發(fā)時(shí)的兩處代表性氣象站實(shí)測的極大風(fēng)速記錄印證了極端天氣的存在。

（2）原線路48號(hào)和49號(hào)桿塔具備27 m/s（基準(zhǔn)高度10 m）的抗風(fēng)能力，但當(dāng)基本風(fēng)速超過29 m/s時(shí)，桿塔處于極限承載能力狀態(tài)，桿塔將面臨倒塔風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)分析結(jié)果表明，桿塔首先出現(xiàn)失效破壞的部位與現(xiàn)場桿塔破壞位置非常吻合。

4.2 建議

（1）微地形、微氣象地段風(fēng)速增大顯著，對輸電線路危害極大，建議在輸電線路設(shè)計(jì)中對可能出現(xiàn)的微地形、微氣象進(jìn)行專題研究?？紤]到該線路所在賀蘭山沿線已出現(xiàn)多起倒塔事故，建議在賀蘭山沿線加裝風(fēng)速觀測儀，為新線路的設(shè)計(jì)乃至舊線路的抗風(fēng)改造積累基礎(chǔ)性氣象數(shù)據(jù)。

（2）對于孤立的偶然大風(fēng)事件并不能盲目作為整條線路的設(shè)計(jì)依據(jù)，否則將導(dǎo)致工程造價(jià)的成倍增加。設(shè)計(jì)中應(yīng)對設(shè)計(jì)風(fēng)速的取值進(jìn)行科學(xué)、系統(tǒng)分析，必要時(shí)采取差異化設(shè)計(jì)。