摘要：珠三角以及广东南部沿海地区是我国台风高发地区，西北太平洋热带气旋与印度洋热带气旋登陆亚欧大陆几乎都在这一沿海地区经过。受到高空气流引导，台风经常出现在广东的沿海地区，并给广东沿海地区带来了巨大的威胁。设计风速取值是高空输电线路架设的首要工作，输电线路只有拥有足够的抗风能力才能保证电力的稳定传输。
关键词：沿海地区；风速；送电线路
电力是我国经济发展以及人民日常生活的基础，输电工作的正常展开影响着我国居民日常生活以及生产能否正常进行。输电工作中铁塔作为支撑输电线路的根基，显得尤为重要。铁塔会受到各种原因的影响发生倒塌以及局部损坏从而造成地区电力的瘫痪。而广东沿海地区的铁塔发生损坏的大部分原因来自于强台风影响。
1 “天鸽”强台风情况介绍
2017年8月23日清晨，第十三号台风“天鸽”开始迫近大陆并且转化为强台风级，23日上午10时左右“天鸽”中心到达广东省珠海市东南方月40海里的海面上，中心坐标为北纬21度8分、东经114度1分，中心最大风力处风力可达15级（48米/秒），中心最低气压为94500帕。其移动路径见图1.1-1。
图1-1 强台风“天鸽”移动路径图
2 “天鸽”强台风的特点
一是路径变化大。台风“天鸽”于2017年8月19日开始产生到8月23日增强为强台风，发生了三次转向，共产生了四种路径预测结果。这种路径的不确定性给当时在海上作业的船只带来了巨大的威胁，尤其是行动缓慢的渔船。
二是强度变化大。“天鸽”在被发现之初仅为热带风暴级别，经历了三次增强后转化为了强台风级别，仅在南海行进的一天内最大风力就从9级猛增到14级。同时“天鸽”的移动速度增加极快，从图中我们就可以看出22日进入南海后持续提速，从进入南海到登陆仅用时29小时。给沿海地区的布放工作带来了巨大的难度。
三是风暴引起潮水增长高度大。“天鸽”的登陆正好赶上天文巨潮的发生，“天鸽”登陆期间水势迅猛，潮位一度突破最高水位警戒线并不断刷新风暴潮高度记录。同时台风的登陆掀起巨浪，在广东中部海面以及南海北部海域均产生了六到十米巨浪。这给沿海渔业生产以及沿海居民带来了巨大的损失。
四是登陆点以及登录角度危害极大。台风的登陆影响到了珠三角大部分地区，因其登陆角度的问题使其右侧强台风区域给珠三角城市密集区带来了巨大的损失。
五是台风后续降雨量大。广东内陆以及沿海地区均出现大规模降水，江门创下了五十年的降水记录。高强度的降水给这些城市带来了城市内涝造成了巨大的经济损失。
3 “天鸽”强台风对输电线路的破坏
强台风“天鸽”过境，使得广东的电力系统遭受了巨大的损害蒙受巨大损失，各地的输电线路及输电设备均出现了不同程度的损毁。导致广东电网公司110千伏及以上变电站停运33座，共有681条线路跳闸，39个变电站失压，累计停电68万户。
4 架空输电线路事故原因分析
4.1 受损铁塔的原工程设计情况
铁塔抗台风能力计算执行现行规范《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T 5154-2012）条文规定，选择如下情况进行计算（计算风速的基准高度为15m）：
（1）在35m/s设计风速条件下，按照工程实际档距使用情况计算大风工况下的荷载，对杆件所受荷载进行正常大风运行情况下的荷载组合，计算铁塔在35m/s设计风速条件下的杆件强度利用率；
（2）49.1m/s验算风速条件下，按照工程实际档距使用情况对铁塔杆件进行稀有气象大风验算，根据《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T 5154-2012）对验算工况的规定，稀有气象大风验算工况组合系数取0.75，计算铁塔在49.1m/s验算风速条件下的杆件强度利用率。
4.2 关于铁塔安全储备的说明
《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T 5154-2012）对于杆塔承载能力极限状态计算的规定如下：
计算正常运行工况的导线及塔身风荷载均采用1.4的可变荷载分项系数，1.0的可变荷载组合系数，塔材采用强度设计值，风荷载的放大系数合计1.4×1.0=1.4。
计算验算工况的导线及塔身风荷载均采用1.4的可变荷载分项系数，0.75的可变荷载组合系数，塔材采用强度设计值，风荷载的放大系数合计1.4×0.75=1.05。
当台风在导地线及铁塔上产生的水平风荷载超过验算工况的风荷载时，杆塔就有可能发生倒塔事故。根据以上技术规定可知，正常运行工况与验算工况的可变荷载组合系数比值为1.33（1/0.75），换算为风速是1.15，即台风风速超过设计风速的15%时，就有可能发生倒塔。
4.3 倒塔原因分析
强台风的最大平均风速折算到15m高度下约为49m/s，超出杆塔最大设计风速35m/s的百分之四十，在此风速下杆塔所受荷载超出设计所能承受荷载的百分之九十，由分析计算结果可知，实际风速荷载致使材料超限过多是倒塔的直接原因。实际铁塔风速荷载大幅超出设计承载力，是铁塔倒塌的根本原因。
根据实测大风风速计算条件下，整体压弯稳定及强度计算利用率最高的杆塔主材杆件，通常就是最先发生破坏的杆件，而如果主材不同段整体利用率均较高，则有不同段同时发生失稳破坏的可能。铁塔的设计一直都是按照满应力进行计算，在类似“天鸽”这类强台风吹过时，铁塔整体受到超出设计承载力近一倍的风速荷载，在台风大风验算工况下利用率最高的塔可能率先发生顺风方向的倒塌。
在大风工况下，铁塔主材不同段的强度利用率有一定差异，最高利用率的先屈服，随着力向下的积累，下部主材相继屈服破坏。在铁塔主材压弯失稳破坏的过程中，腿部以上某一段主材压弯失稳破坏后阻止了力向下的继续传递，由于过载负荷未传递到塔腿，使得腿部主材未受破坏，由现场情况可以明显看出，塔腿最下端的主材没有出现倾倒，腿部以上区域出现整体性倒塌。
5 措施及建议
5.1 新建线路的设计基本风速取值
广东沿海地区受到热带气旋影响，是热带气旋危害最为严重的地区，热带气旋例如强热带风暴、台风、强台风的登陆对会给广东沿海地区的供电系统带来不小的影响。科学地确定沿海地区新建线路的设计基本风速，加强线路的抗风能力，是保障线路安全可靠运行的关键点。
设计风速取值是沿海地区架设高空输电线路的首要工作，是保证输电安全的前提之一。对于沿海地区，高空输电铁塔的设计强度完全由风速取值所决定，纵观目前电网建设的发展趋势，为确保对各类管线、道路、铁路及林木等交叉跨越的净距，新建建成的输电线路铁塔更高，更容易受到风载荷的影响。设计风速的取值并不是越高越好，虽然较高的设计风速取值会使得铁塔更加坚固不容易发生倒塌现象，但是设计风速取值越高铁塔建造难度越大，输电线路的成本越高维护工作更加难以进行。
随着设计风速取值的增加，铁塔的工程造价呈直线上升，且输电线路电压越高成本增加越高。因此设计风速的取值应该要合理，在工程造价与线路安全之间找到平衡点。
确定设计风速取值是一个综合分析过程，不同的输电线路根据电压高低建成年份都有不同的设计风速计算标准。总的来说，架空线路的设计风速计算标准由观测资料、实际风速荷载以及线路运营经验共同决定。
目前，确定新建线路的设计风速计算标准多采用国家气象台站的风速资料进行计算，由于国家气象台站测风环境中存在的不确定性，使得风速资料也有一定的局限性，导致推求的理论风速值往往未能准确地反映线路沿线的实际风场分布；并且《建筑结构荷载规范》所描述的风压曲线图囊括的是全国范围内的风压分布，其描绘的尺度以及空间分辨率无法具体地表现出广东沿海地区小尺度量级地形对风场的影响；最后，目前沿海地区的已建线路数量不多且投产年限并不长，积累的运行经验有时并不能完全作为充分的设计依据。综合这几点因素，在确定沿海地区新建线路的风速划分过程中，有时难以准确地把握好分寸，未能适当地加强线路的抗风能力。
为解决上述问题，保证能够科学合理地确定沿海地区新建线路的设计基本风速，加强广东地区的输电系统抗风能力，广东电网公司进行了对广东沿海地区风速分布情况的研究工作从而获取更为直观的风速资料。该项目已通过审查，并发布了《广东省沿海地区设计基本风速分布图（2017版）》等相关研究成果。根据广东电网公司生产设备管理部要求，沿海地区的新建架空电力线路应参照该风速分布图开展设计工作。
5.2 加强线路防风措施
根据《南方电网输电线路防风综合措施研究》成果及《输电线路防风设计技术规范》（试行）要求，输电线路的规划工作必须考虑的设计标准偏低、设计考虑不周、质量控制不严等问题。为提高输电线路的抗风性，保证输电安全及其可靠性，同时避免提高过多成本节约资源提出以下建议：
（1）适当提高设计标准
自1959年我国水利电力部颁发了“高压架空电力线路设计规程”以来，相继在1976年修编了“架空送电线路设计技术规程”SDJ 3－76（试行），在1979年颁布了“架空送电线路设计技术规程”SDJ 3－79，在1999年又修编制定了“110～500kV架空送电线路设计技术规程”，2010年修编制定了《110kV～750kV架空输电线路设计规范》（GB50545-2010）。在修改我国荷载标准的同时，适当考虑结合本国国情以他国情况相同的受灾区作参考，对于输电线路抵抗风力灾害有着积极的促进作用。
（2）合理选择路径
输电线路布线的走向能一定程度的影响输电线路对于强风的抗性，还能一定程度的减轻铁塔倒塌所造成的次生灾害。例如在山区架设输电线路就一定要避开陡峭的山崖以及风口，如果避让不开应该牺牲成本增强铁塔的抗倒塌性。
应该根据当地主要风力的受力方向选择合理的路径，确保输电线路的不利受力点与该地区常年主要风力方向垂直，避免强风直接冲击输电线路铁塔的薄弱点。对于存在强风侵害的地区应尽量避开，实在无法避让也要对铁塔进行加固。
（3）提高计算技术
目前我国正在使用的计算方法已经用了十年之久，这种计算方法计算简单，相对有效但是因为考虑的影响因素不足也给铁塔带来了致命的缺陷。
应该提高铁塔风力荷载的计算技术，首先计算方法应该采用更加精确的计算方法，而且应该按照地区的实际情况预留荷载空间， 预防未发生过的极端强台风天气。而且计算的考虑因素也应该增加，例如强风下塔的振动、土壤条件、气温条件等。
（4）加大科研投资、开展科学实验
这一点是我国严重不足的，不管是对个别地区的风力图谱绘制还是改变输电形式。多年来我国并没有出现过新的科研成果，广东电力公司已经开始广东沿海地区风力图谱的绘制，在不久的将来我们就能在沿海地区建设好更加科学的输电线路。输电形式的科学研究工作也应该持续进行，研究出更加安全的输电方式。
（5）建立铁塔损伤检测系统
输电铁塔长期屹立在空旷的环境中，甚至是人迹罕至的地区。目前我国的输电铁塔的探伤工作还是依靠人工来进行的。人工探伤结果并不精准而且花费时间长，有许多铁塔出现了问题而没有及时的对其进行检修。建议划分部分地区开展输电铁塔自动探伤系统的实验，实验成功就展开推广。
论文作者:曹海燕
论文发表刊物:《电力设备》2018年第28期
论文发表时间:2019/3/26
标签：风速论文; 铁塔论文; 线路论文; 荷载论文; 沿海地区论文; 广东论文; 强台风论文; 《电力设备》2018年第28期论文;