林达祺1 付德安2
摘要：2017年8月，台风“天鸽”正面吹袭珠海，在“天鸽”强台风吹袭期中，珠海电网蒙受巨大损失，各电压等级的线路设备均发生不同程度的事故或损毁。其中多条220kV线路在本次风灾中出现铁塔损坏的情况，根据目前的统计结果，包含有4条220kV线路共计12基铁塔发生倒塔事故。本文针对在本次风灾中出现铁塔损坏的情况中，较典型的工况进行分析，以找到风灾铁塔损坏的原因，为今后电网设计和抢修提供理论支持和帮助。
关键词：天鸽风灾；倒塔；理论分析
1.受损220kV线路基本情况
1.1 受损线路情况
在“天鸽”强台风吹袭期中，珠海电网蒙受巨大损失，各电压等级的线路设备均发生不同程度的事故或损毁。其中多条220kV线路在本次风灾中出现铁塔损坏的情况，根据统计结果，包含有4条220kV线路共计12基铁塔发生倒塔事故。具体线路名称及杆塔号见表1.1-1。
表1.1-1 受损线路运行名称及杆塔编号
上述部分线路的运年年限接近20年，各条线路的建设年份不尽相同。本文通过将上述线路的运行资料及设计资料进行交叉对比、分析，选取典型线路和塔型，理清风灾倒塔的基本原因。
1.2 受损段线路设计标准
根据相关的信息，可以客观清晰地了解到每条线路受损段的设计、建设年份，确定当时其采用的设计标准。其中220kV国古线、220kV南琴甲乙线、220kV海八甲乙线、220kV海港甲乙线等4条受损段的线路及倒塌铁塔涉及的建设年份，相关联的工程比较清晰，均属同一工程且于相同年份设计及建设竣工的，各自所采纳的设计标准详见表1.2.-1。
表1.2-1 受损线路采用的设计标准
相对而言，220kV海八甲乙线在本次风灾中受损段杆塔的工程背景信息及运行中的沿革变更则比较复杂，分属不同年份由不同工程建设而成。
本文主要针对220kV海八甲乙线受损情况进行分析
表1.2-2 220kV海八甲乙线受损线路采用的设计标准
1.3 受损线路复核的计算原则
铁塔的受力计算是事故分析的重要依据。本文拟结合“天鸽”台风肆虐期间由省气象部门管辖气象站实测的风速样本，对线路受损的铁塔进行复核计算，根据铁塔受力分析的计算结果，可以与气象台站的实测风速资料进行对比验证，客观地还原大风吹袭过程时的风力强度，从而分析、探求导致本次风灾倒塔事故的实际原因。
本报告将从以下两方面对线路的典型受损铁塔进行受力分析计算：
1）根据最大设计风速及实际荷载条件，计算受损铁塔的杆塔设计是否满足线路在设计年份时所采纳的国家和行业相关规程、标准的规定及审定的工程设计条件；
2）根据台风吹袭期间的最大实测风速，计算受损铁塔的过载情况，印证还原当时的风力强度。
1.4 关于不同年份杆塔设计标准的差异说明
电力行业的技术沿革源远流长，其技术标准一直处于不断改进、完善的过程，相关的设施建设对应不同年份执行不同技术标准。通过章节1.3的分析，将各条线路损毁杆塔的建设年份梳理清楚，从而确定了每条线路每种塔型所执行的复核计算标准。不同年份的技术标准之间存在着若干差异，具体详见表1.4-1。
表1.4-1 不同技术标准之间杆塔风荷载计算方法的差异
1.5 线路风压高度变化系数
空气在地表流动时，由于与地面摩擦而产生摩擦力，这种摩擦力引起与地面相接近的气流方向和速度有很大变化。因此风速随着高度的变化，遵照指数规律而增加。计算杆塔荷载时，当线路杆塔或导、地线的平均高度不同于线路规定的基准高度时，需考虑风压高度变化系数。
本报告对220kV海八甲乙线受损线路段的断面图进行了详细复核，经核算220kV海八甲乙线导线平均高度（导线三分之一弧垂高度，下同）均不大于15m基准高度（见图1.5-1），意味着其风压高度系数均不大于1。220kV海八甲乙线的建设年份距今接近20年，在当时设计过程中忠实地贯彻上述设计理念，导线平均高度较低，无需考虑风压高度变化系数。
图1.5-1 线路导线平均高度
1.6 杆塔验算风速取值
如本报告章节1.2所述，“天鸽”台风期间，珠海地区多处气象站录得了完整的大风记录，为本次风灾分析提供了宝贵的数据资料。但需要注意的是，这些气象观测站设立的初衷是为气象部门服务，其选点布置并不完全与输电线路走向吻合，所测量的风速样本亦未必能完全反映事故段的实际风力强度。另外，部分线路受损段附近缺乏风力观测点，最近的自动站距离较大。但实际上台风在金湾登陆后，大风沿珠海航道路径向线路吹袭，水面粗糙度对风力削减作用有限，且风圈仍然临近海岸，仍可继续获得来自海洋气流的能量补充，可以判断风力仍应较为强劲，本报告在确定受损线路杆塔的验算风速取值时将充分考虑这些因素的影响。综合考量后，受损线路的验算风速值见表1.6-1。
表1.6-1 受损线路验算风速值
1.7 关于杆塔风荷载计算方法的说明
在台风吹袭过程中，对于输电线路杆塔的安全性而言，起决定因素的是作用在铁塔上风荷载的大小。当风力强度大幅超出设计标准，使铁塔承受过大的风荷载时，塔身各种材料的利用率将超出限制值，发生屈服破坏，导致倒塔事故。
铁塔承受的风荷载由三部分组成，分别为电线风荷载、绝缘子串风荷载及杆塔风荷载。一般而言，220kV及以下线路的金具串构造简单，迎风面积较小，当档距较大时，对于整个铁塔的风荷载而言，其所占重比较很小，为此本报告对其不作展开讨论。
1）根据相关设计标准及技术文献规定，导地线风荷载可按以下公式进行计算：
WX=α•W0•μZ•μSC•βC•d•Lp•sin2θ （1.7-1）
W0=V2/1600 （1.7-2）
式中：WX——垂直于导线及地线方向的水平风荷载标准值，kN；
α——风压不均匀系数，应根据设计基准风速确定；
βC——500kV线路导线及地线风荷载调整系数，仅用于计算作用于杆塔上的导线及地线风荷载(不含导线及地线张力弧垂计算和风偏角计算)，其他电压级的线路βC取1.0；
μZ——风压高度变化系数，按现行国家规范《建筑结构荷载规范》的规定确定，当基准高度不是10m时，应作相应换算；
μSC——导线或地线的体型系数，线径小于17mm或覆冰时(不论线径大小)应取μSC=1.2；线径大于或等于17mm时，μSC取1.1；
d——导线或地线的外径或覆冰时的计算外径；分裂导线取所有子导线外径的总和，m；
Lp——杆塔的水平档距，m；
θ——风向与导线或地线方向之间的夹角，度；
W0——基准风压标准值，kN/m2；
V——基准高度的风速值，m/s。
2）根据相关设计标准及技术文献规定，杆塔垂直风向时的风荷载可按以下公式进行计算：
WS=W0•μZ•μS•βZ•AS （1.7-3）
W0= V2/1600 （1.7-4）
式中：WS——杆塔风荷载标准值，kN；
μS、AS——分别为构件的体型系数和承受风压面积计算值，m2，体型系数按现行国家规范《建筑结构荷载规范》确定；
βZ——杆塔风荷载调整系数。对杆塔本身，当杆塔全高不超过60m时，应按照规定对全高采用一个系数；当杆塔全高超过60m时，应按现行国家规范GBJ9—87《建筑结构荷载规范》的规定，采用由下到上逐段增大的数值，但其加权平均值不应小于1.6。
μZ——风压高度变化系数，按现行国家规范《建筑结构荷载规范》的规定确定，当基准高度不是10m时，应作相应换算；
W0——基准风压标准值，kN/m2；
V——基准高度的风速值，m/s。
当风向发生改变时，由于塔上各杆件的轴向方向与风向之间的夹角无一定规律，因此难以精确计算其风荷载。根据《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》(SDGJ94-90、DL/T 5154-2002、DL/T 5154-2012)，可按照下表的规定计算杆塔各方向的风荷载分量。
表1.7-1 斜向风时塔身风荷载计算
备注：1、Wa、Wb分别为垂直于a、b面的塔身风荷载；
2、K为塔身风荷载断面形状系数，对单角钢或员断面杆件组成的塔架取1.0；
对组合角钢断面取1.1。
根据上述的导地线及杆塔风荷载计算公式可知，当线材及铁塔分别架设、组立完毕后，除风速及夹角外，其他决定风荷载大小的参数均为常量。杆塔承受的风荷载仅随基准风速V及风向与线路之间的夹角θ的改变而发生变化。意味着在台风期间，每基铁塔承受的风荷载会随着其所处位置的风力强度、矢量方向的不同而存在着差异。
2 220kV海八甲乙线铁塔受损分析
2.1 220kV海八甲乙线原设计概况
现有220kV海八甲乙线，从珠海电厂220kV升压站构架起，至八一变电站220kV构架止，线路全长20.55km，为海八甲乙线同塔架设。原有架空线路分别由220kV珠海电厂至南屏双回线路、220kV南屏至南水送电线路和220kV海屏线解口入八一变电站三条架空线路解口最终形成。其中珠海电厂升压站至海八线45#长16.374km，导线型号为2×LGJX-400/50钢芯稀土铝绞线，海八甲线侧地线为48芯OPGW，海八乙线侧地线为GJ-50；海八甲乙线45#~海八甲乙线48#跨越鸡啼门水道，长1.859km，导线型号为2×LHBGJ-400/95高强度钢芯热处理铝美硅稀土合金绞线，海八甲线侧地线为48芯OPGW，海八乙线侧地线为LXGJ-100；海八甲乙线48#~海八甲乙线54#长2.107km，导线型号为2×LGJX-400/50钢芯稀土铝绞线，海八甲线侧地线为48芯OPGW，海八乙线侧地线为GJ-70；海八甲乙线54#~八一站构架长0.210km，导线型号为2×LGJX-400/50钢芯稀土铝绞线，海八甲线侧地线为48芯OPGW，海八乙线侧地线为JL/LB20A-95/55。2010年4月，220kV海八线更换地线工程将海八乙线侧（珠海电厂构架-54#塔段）GJ-50、LXGJ-100地线更换为JL/LB20A-95/55。
根据当时设计规程要求，本线路的最大设计风速采用离地面15m高处15年一遇10分钟平均最大值，风速值取35m/s,换算至10m高为32.8m/s。
220kV海八甲乙线#15～#19事故段属同一耐张段，其杆塔明细表详见表2.1-1，该耐张段全长2163m，包含5基杆塔。
表2.1-1 事故耐张段杆塔明细表
2.2 220kV海八甲乙线受损情况
2.2.1 事故段概述
根据现场巡检确认于220kV珠海电厂侧的220kV海八甲乙线#15～#19共计2基铁塔发生倒塔事故。经现场核实，全部损毁的铁塔均为直线悬垂型铁塔，包含SZ402、SZ252两种塔型。本次分析选取#17塔SZ402进行分析。
图2.2-1 倾倒的220kV海八甲乙线#17、#18直线塔
事故段每基铁塔的具体塔型、呼高及前后档距见表3.2-1。
表2.2-1 事故杆塔电气参数明细表
2.2.2 事故段风速值
#15～#19事故段位于南水镇，现场为丘陵地带，植被茂盛，对台风风力减弱作用有限。而受灾段铁塔均处于本次超强台风登陆点中心附近区域，该地段在台风吹袭期间，风力强劲。根据广东省电力设计研究院有限公司水文气象专业提供的“天鸽”台风风圈分布图，8月23日期间220kV海八甲乙线#17、#18塔10m高10min平均最大风速为37m/s，换算至15m高为39.5m/s。
图3.2-3 线路与台风风圈相对位置关系
2.2.3 事故段铁塔受损情况
经现场实地核实，事故段受损铁塔的基础及地脚螺栓基本未遭受破坏，基本仍可继续使用。部分导地线及金具或因倒塔发生了二次损伤，#17铁塔倒塔方向大致垂直线行倒向同一方向，铁塔主材和身部交叉斜材均有不同程度失稳破坏，基本符合大风情况下的倒塔特点。铁塔具体损毁情况见下图所示。
3.事故原因分析
3.1 受损铁塔的原工程设计情况
220kV海八甲乙线#17受损铁塔，塔名为SZ402-21，按照《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（SDGJ94-90）进行设计，设计风速为35m/s（15m高度15年一遇的10min平均最大风速），换算至10m高度设计风速为32.8 m/s，采用安全系数法设计。本次受损杆塔分析原线路导线型号为2×LGJX-400/50钢芯稀土铝绞线，地线型号为 JL/LB20A-95/55。铁塔采用静定平面桁架法进行计算。该直线悬垂型铁塔的主材采用A3F和16Mn材质。按现状挂线荷载计算的结果显示，#17塔全塔所有杆件均满足《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（SDGJ94-90）的要求，没有出现超限杆件。
3.2 最大设计风速及台风风速取值
220kV海八甲乙线事故段最大设计风速采用离地面15m高度处15年一遇10min平均最大风速，取35m/s，换算至10m高为32.8m/s。根据广东省电力设计研究院提供的台风风圈图显示，线路事故段的10m高10min平均最大风速为37.0m/s。为此本报告拟采用10m高32.8m/s风速对铁塔进行正常大风受力计算，采用10m高37m/s风速对铁塔进行台风受力计算。
3.3 各塔型受损铁塔的抗风能力验算分析
根据3.2.1节所述，220kV海八甲乙线#17塔位塔型为SZ402-21。通过表3.1-1电气参数表数据进行分析，拟定对#17塔进行正常及过载受力分析计算。
按32.8m/s和37m/s设计风速条件下计算主材构件强度利用率详见图3.3.3-1和图 3.3.3-2。由图示可看出，腿部主材以上K点以下部位主材的主材稳定利用率最大，32.8m/s设计风速下构件稳定应力利用率达97%以上，设计风速提高至37m/s后的稳定应力利用率已经达到121%。图中红色部分代表在该风速下主材超限部位。
图3.3-1 32.8m/s（正常大风）利用率 图3.3-2 37m/s（强风）利用率
3.4 倒塔原因分析
强台风最大平均风速折算到10m高为37m/s，是线路事故段的最大设计风速32.8m/s的1.13倍，在此风速下杆塔所受荷载达到设计所能承受荷载的1.28倍，由倒塔分析计算结果可知，现场风速超过设计风速，大幅超出设计承载力，最终导致铁塔倾倒。
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。原设计塔型的主材按照满应力设计，在超出原设计风速13%的强台风作用下，铁塔主材强度均大幅超出设计利用率强度，其塔身主材在台风验算工况下的强度利用率均达到了121%，大幅超出了设计强度利用率限制，由于主材利用率在K点以下塔腿以上塔段最高，塔腿以上K点以下塔腿以上塔段率先屈服破坏。由图3.2-4可知，倒塔屈服部位亦位于塔腿以上K点以下塔。
4.结论：本次天鸽强台风最大平均风速折算到10m高为37m/s，是线路事故段的最大设计风速32.8m/s的1.13倍，在此风速下杆塔所受荷载达到设计所能承受荷载的1.28倍，由倒塔分析计算结果可知，现场风速超过设计风速，大幅超出设计承载力，最终导致铁塔倾倒，是本次风灾倒塔的主要原因。
论文作者:林达祺1,付德安2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/21
标签：杆塔论文; 风速论文; 荷载论文; 铁塔论文; 线路论文; 地线论文; 甲乙论文; 《电力设备》2018年第4期论文;