架空配电线路防灾减灾技术研究

林土方， 许家益， 沈　淼

(1.国网台州供电公司， 浙江　台州　317000；

2.国网黄山供电公司， 安徽　黄山　245000；

3.国网宣城供电公司， 安徽　宣城　242000)



架空配电线路防灾减灾技术研究

林土方1， 许家益2， 沈淼3

(1.国网台州供电公司， 浙江台州317000；

2.国网黄山供电公司， 安徽黄山245000；

3.国网宣城供电公司， 安徽宣城242000)

摘要：架空配电线路受台风、龙卷风、冰灾等极端天气灾害影响，会发生导线断线、杆塔弯曲甚至倒断，引起线路跳闸停电，影响社会正常供电。抢修恢复受杆塔运输、施工等核心要素制约，如何有效降低架空配电线路受灾害的影响，缩小灾害引发的停电范围，减少停电时间，是社会关注的热点。文章重点探讨防范并减少架空配电线路受灾的技术措施。

关键词：架空线路；防灾减灾；技术研究

0前言

架空配电线路连接电网和客户端，分布分散，随着自然环境的变化，各种极端天气频繁出现，特别是超强台风频繁出现，对电网造成了巨大损失。在极端天气下遭受台风、龙卷风、冰灾等灾害影响，引起线路跳闸停电，甚至引发杆塔弯曲、倒断，影响电网正常供电和社会正常用电。受传统设计和杆塔材料影响，灾害发生后，抢修恢复受杆塔运输、施工等核心要素制约，往往难以及时奏效，恢复时间与社会期望有一定差距。提高架空配电线路防灾减灾能力，应该从被动的灾后恢复向主动的灾前防范转变，从设计、选材等源头上提高抵御灾害的能力，减少受灾的发生，提高架空配电线路安全运行水平，确保电网正常供电和社会正常用电。

1架空配电线路杆塔作用

架空配电线路杆塔用来支持横坦、导线、绝缘子等部件，以便在各种气象条件下，并使导线间、导线和接地体间、导线和大地、建构筑物、各种交跨物间保证有足够的安全距离。因此，杆塔必须要有足够的机械强度和必要的适当高度。

2架空配电线路受灾现状

图1　某地同杆架设10kV四回路遭超强台风袭击灾后现场

图2　某地同杆架设10kV四回路遭超强台风袭击灾后现场

架空配电线路长期以来受台风、龙卷风、冰灾等灾害影响，2004年至今，遭受近二十次强台风和超强台风以及龙卷风的严重影响，每次均造成大量杆塔倒断，引发区域电网瘫痪停电，导致近万条架空配电线路停电跳闸，损毁架空配电线路杆塔数以万计，特别是2008年初的冰冻雨雪灾害，造成大量断杆，引起线路跳闸停电，导致多个省份区域电网瘫痪，严重影响电网正常供电和社会正常用电，停电时间最长超过一个月，灾害之严重历史罕见；同时由于灾害发生地处于高山等特殊区域，局部道路运输条件差，救援之困难前所未有。如：2004年超强台风“云娜”登录台州，沿海风力50米/秒，局部达58.7米/秒，台州电网负荷从99.7万千瓦，锐减至54万千瓦，仅台州10kV配电线路倒断杆4000根，斜杆18000根，损坏配电线路1200余公里；2006年超强台风“桑美”登录温州，沿海风力60米/秒，仅温州10kV配电线路倒断杆、斜杆10000余根，损坏配电线路622余公里；2015年10月，台风“彩虹”影响客户280.3万户停电等等。2008年1月中旬至2月初，湖南电网遭受了特大型冰灾，受冰灾的影响，湖南电网500kV线路33条(含直流)中，有14条(其中2条为同塔双回线路)倒塔182基，变形68基，导线断线或受损159处，地线断线或受损322处，绝缘子掉串284处；220kV线路246条中有44条倒塔633基，变形203基，导线断线或受损241处，地线断线或受损432处，绝缘子掉串36处；110kV线路758条中有121条倒塔1427基，变形421基，导线断线或受损646处，地线断线或受损1017处，绝缘子掉串30处；35kV线路130条倒塔1064基，变形1005基，导线断线或受损1369处，地线断线或受损296处，绝缘子掉串89处；10kV线路倒杆63036基，断线47898处，损坏配变3380台，低压线路倒杆断杆330450基，断线367673处。12座500kV变电站中累计有6座发生了母线失压停运；85座220kV变电站中有32座变电站发生了母线停运、30座发生全站停运；388座110kV变电站中有120座变电站发生了母线停运或全站停运；35kV变电站438座，累计有192座变电站发生了母线停运或全站停运[1]。冰灾给湖南电网造成了巨大的损失，对全省人民的正常生产和生活造成了严重影响，还一度影响了京广铁路湖南段的正常运行。

图3某地2008年遭受冰灾断杆画面

图4某地2008年遭受冰灾断杆现场抢修画面场

3架空配电线路受灾分析

3.1施灾类型

3.1.1风灾

主要是台风、龙卷风作用引起，导致处在风口的配电线路杆塔(以下主要是指水泥杆、铁塔、钢管杆)弯曲、倒断，引起线路跳闸停电。

3.1.2冰灾

山区、高海拔地区受低温雨雪冰冻天气影响，导线结冰、水泥电杆强度下降，导致架空配电线路杆塔弯曲、倒断，引起线路跳闸停电。

3.1.3强对流天气灾害

架空配电线路或设备遭受强对流天气影响，出现局部雷击，通常仅局限于线路跳闸停电，甚至可能出现断线，特别严重时可能引起倒断杆。

3.2受灾原因及影响

3.2.1设计标准不高

设计标准本身不高。按照常规设计，风速大小、覆冰厚度、雷击率等按照通常考虑，没有按照复杂气象条件下选取，自然灾害发生时灾害强度已经超过配电线路最大的设计能力。

风灾或冰灾发生时，可能会引起整条线路杆塔弯曲、倒断，引起跳闸停电。灾害受损面比较大，抢修比较复杂，恢复工程量相对较大，抢修恢复送电时间长、速度慢。如果再遇上道路运输困难，大型运输和施工机械不能到达，恢复的难度更大、时间更长。

强对流天气发生雷击时，可能会引起线路跳闸或断线，一般不会出现倒断杆，特别严重时可能会出现极少量倒断杆，灾害受损面比较小，抢修比较简单，恢复相对比较容易。

3.2.2选用材料刚性强度大、抗屈服强度小

目前主要选用水泥杆、铁塔、钢管杆等材料作为架空配电线路杆塔的主材。上述材料的特点是刚性强，抗屈服强度小，受力受压时，一般只有两种情况，断或不断，主要根源是材料抗屈服强度小。一旦受力受压超过屈服强度，损伤或折断就难恢复。

风灾或冰灾发生时，可能会引起整条线路杆塔弯曲、倒断，引起跳闸停电。

3.2.3材质或施工等原因

设计标准和选用材料满足灾害强度要求，但由于材料本身质量或施工过程中没有达到设计要求，导致在灾害发生时，出现杆塔弯曲、倒断。

材质原因，灾害受损面比较大，抢修比较复杂，恢复工程量相对较大，抢修恢复慢。如果再遇上道路运输困难，大型运输和施工机械不能到达，恢复的难度更大。

施工原因，由于线杆埋深不足、基础混凝土标号达不到设计要求、施工时局部螺栓没有加固等某个点上达不到抵御灾害强度时，从一个点甚至扩大到某个耐张段。灾害受损面一般局限于某一耐张段或少数几基杆塔，通常是局部问题。

3.2.4其他原因

除设计标准、材料质量、施工工艺达不到设计要求，设计考虑因素不够全面综合等也可能引起杆塔弯曲、倒断，引起跳闸停电。

3.4灾后抢修

架空配电线路遭受风灾、冰灾等灾害后，经常出现大量的线路断线和杆塔弯曲、倒断。制约架空配电线路抢修速度的核心要素就是杆塔的运输、组立，架线主要依赖杆塔的组立。水泥制品、钢材的杆塔由于自身重量重、运输困难大，施工组立依赖于大型施工机械而直接制约抢修恢复送电的进度。

4架空配电线路防灾减灾现状及弊端

4.1设计的传统观念没有改变

架空配电线路防灾减灾设计的传统观念就是提高设计标准，除此没有更好的选择。提高设计标准，直接提高了线路单位造价，是比较被动的传统做法。同时灾害的不确定性，给设计标准的确定带来困难。

4.2选用材料的传统观念没有改变

架空配电线路防灾减灾，除了选用水泥制品、钢材的材料作为杆塔的主材外，别无选择。水泥制品、钢材的致命弱点就是柔性太差，使用中的杆塔，受力有一定的不确定性，特殊情况下瞬间受力可能会超过设计能力，但由于水泥制品、钢材的抗疲劳性能较差，一旦出现损坏就难以恢复，就有可能引起杆塔弯曲、倒断，引起线路跳闸停电。

4.3传统的备品备件材料不利于运输、施工

传统的备品备件材料还是选用水泥制品、钢材材质的材料，由于这些材料重量重、运输困难、施工难度大，往往在灾后抢修时，难以很快体现抢修的效率，对于尽早恢复供电是一个很大的障碍。

5新型复合材料线杆

5.1新型复合材料线杆性能特点

新型复合材料线杆的特点主要有：一是重量轻，运输方便，在施工前运输时，可大幅度降低运输成本和人力运输用工，缩短运输时间；二是施工快捷，不需要大型运输施工机械配合；三是强度大，可设计大档距，减少用杆数量；四是高恢复性，复合材料杆在强大外力作用下弯曲后，能很快地恢复原直杆；五是复合材料电杆由于它的本身绝缘性，可以抵消感应雷，大大减少雷击灾害引发的跳闸次数；六是复合材料电杆由于它不生锈、不腐蚀、不脱落，使用寿命长，机械性能不会因为长期风化、锈蚀而下降。可以减少巡视和运维成本。

新型复合材料线杆远高于普通钢材的抗屈服强度。具有优良的耐疲劳性能，该特性能很好抵御台风、冰雪覆盖、竹木倒伏等自然灾害侵袭。抗自然灾害能力远远超越混凝土杆和铁塔。

5.2新型复合材料线杆与水泥电杆、钢材杆塔性能比较

新型复合材料线杆与水泥电杆、钢材杆塔性能比较见表1。

表1

树脂基复合材料是复合材料中主要分支之一。通常以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等为增强材料，以树脂为基体，具有优异的综合性能。

与其他高技术的出现和发展紧密结合，树脂基复合材料的内涵不断拓展。已经从普通的“玻璃钢”发展成为性能优异的高新材料之一。

表2

5.3新型复合材料线杆在国外应用

加拿大、美国使用复合材料电杆已经有20多年历史。随着树脂和纤维材料性能的改进和制造技术的进步，复合材料电杆重新受到世界各国输电行业的重视。

复合材料杆塔由于其优良的综合性能已经在欧美得到应用，其中研究开发和应用最为成熟的是美国。美国各大输配电公司对复合材料杆表现出浓厚的兴趣，各制造企业也积极研制开发出各种复合材料杆。美国的EbertComposites公司、PowertrusionComposites公司、Shakespear公司、NorthPacific公司和CTC公司等制品厂家都开发了自己的复合材料杆产品，并申请专利和得到了比较广泛的应用[3]。并且美国已制定了相关的复合杆塔标准，美国土木工程师学会也已经制定了输电杆塔产品的设计标准[2]。

加拿大的 RS 公司研究开发了独特设计的复合材料杆塔，采用的聚氨酯树脂体系具有创新性，比常规不饱和聚酯树脂加工的复合材料有更大的强度、耐冲击力和较大比强度等优势[3]。具有重量轻和安装方便的特点。

全世界约12.5亿根电线杆。主要用于电力传输，通讯和铁路。其中亚洲有5.38亿根，中国2.5亿根，印度1.6亿根。

5.4新型复合材料线杆在国内试点应用

5.4.1南方电网应用

南方电网的广东电网公司于2007年针对复合杆塔的应用研究进行了立项，项目选用了加拿大RS公司的复合杆塔，其力学真型试验在中国电力科学研究院进行[3]。

近些年来复合材料电杆是南方电网抵御台风自然灾害、快速抢修恢复送电的有效电杆材料。2014年超强台风“威马逊”在南网海南岛、广东湛江登陆省区造成了巨大损失，复合材料电杆供不应求。

南网仅于2015年3月，7月，9月共招标5批次，其中包括备品储备，原有线路加固及新线路使用，共计本年度至9月为止招标使用复合材料电杆超过1000多根。

5.4.2广东地区应用设计案例

广东地区2010年之前配网线路设计规范均按10kV及以下线路气象条件10年一遇25m/s(验算条件35m/s)设计。根据近几年当地气象部门相关资料，沿海地区新建配电线路气象条件应该取30年一遇，最大设计风速不应低于35m/s(验算条件40m/s) 。

设计举列：

杆高15m，水平档距100m。导线型号LGJ-240/30。

在风速为5m/s时，载荷为3.09kNm。

在风速为30m/s时，载荷为86.21kNm。

在风速为45m/s时，载荷为182.72kNm。

在风速为50m/s时，载荷为225.58kNm。

在风速为60m/s时，载荷为324.84kNm。

10kV用金属杆及复合材料杆在不同风速下的等效应力分布，从计算和分析可知，风速为60m/S时，金属杆的最大应力342MPa，即使采用Q345钢也超过屈服强度，造成永久变形。而复合材料杆的最大应力只有440.70MPa，距离破坏还有较大的强度余量。

5.4.3广东湛江试点应用实例

湛江地区运行中的10kV聚氨酯材料电杆线路5条，涉及线路长度7.25千米，聚氨酯复合材料电杆117 根，线路设计风速为40米/秒，分布在坡头、霞山、吴川、雷州和徐闻五个地区。2013年安装投产，在今年台风“彩虹”袭击广东湛江时，经受住了考验，没有出现断杆。

5.5国网推广应用状况

国家电网基建部2009年召开会议部署复合材料电杆的研发和实验应用。国家电网公司基建部(基建设计【2011】120号文)颁发了《国家电网公司输电杆塔用纤维增强复合材料技术条件(试行)》、《国家电网公司10kV～220kV复合材料杆塔设计要求(试 行)》，这个两个文件是指导复合材料电杆设计、实验、使用的基本标准。

由国网武汉南瑞、辽宁公司、国网智能电网研究院和四川省电力科学研究院共同承担的国家电网公司科技项目“复合材料杆塔输电技术研究”在辽宁沈阳通过验收。目前项目已在江苏、四川、辽宁、河北、广东推广应用。国内220kV复合材料杆塔在不同气象和地理条件下试点应用已经早期开展，并取得一定成果。

国家电网公司文件国家电网科【2014】847号《国家电网公司关于发布(国家电网公司重点推广新技术目录(2014版)的通知，目录中将复合材料电杆的应用作为其中一章节。

国家电网公司部分省电力公司已开始应用复合材料电杆作为抢修备用电杆。

6防灾减灾技术措施

架空配电线路杆塔在达到一定的受力后弯曲、倒断，是架空配电线路的致命伤，只有减少线路杆塔弯曲、倒、断的数量，甚至不发生线路杆塔弯曲、倒、断，才是有效的防灾减灾措施。因此有效克服水泥制品、钢材线杆的脆性，是减少架空配电线路杆塔弯曲、倒断，减少线路跳闸停电的主要途径。

6.1目标

架空配电线路防灾减灾的目标就是改变从灾后被动恢复，转为灾前防范，从源头上消除或降低灾害发生的可能性，减少损失。

6.2需要解决的问题

主要是发挥传统杆塔材质的刚性，增强线杆材质的柔性，提高架空配电线路杆塔瞬时受力受压的抗疲劳强度。

6.3防灾减灾的建议

6.3.1科学防灾

首先是加强灾害的预测和预防，提高抵御灾害的能力。根据气象等部门的预测和研判，合理确定设计标准和防灾等级。结合环境特点，提高局部设计标准，提升防御灾害的能力。其次，选用先进的新型材料，增加线杆的柔性和挠度，降低线杆的弯曲和折断，减少跳闸停电。第三，局部区域缩小线路档距，增加耐张段，减少耐张段距离，降低灾害发生时的受损面。

6.3.2合理避灾

配电线路在勘测设计时，应综合考虑防灾减灾，选择路径时应避开风口、容易遭受风灾的区域和容易遭受冰灾的高山、小气候环境，从源头上减少受灾的可能性。

6.3.3科学选用线杆材质

充分利用水泥制品、钢材的强度优势，结合新型复合材料线杆的柔性特点，在线路杆塔设计时，要综合水泥制品、钢材和新型复合材料线杆的特点，采取水泥制品、钢材和新型复合材料线杆在同一耐张段中相互混搭的形式，中间相互穿插使用，在不降低线杆强度的同时，改善线杆的柔性，提高防灾减灾能力。在耐张、终端等受力杆位，首先选用新型复合材料线杆，提高抵御灾害的能力。备品备件选用时，应首选新型复合材料线杆。

7结论

提高架空配电线路防灾减灾能力，应该从灾后恢复向灾前防范转变，在设计、选材时充分利用水泥制品、钢材的强度优势，结合新型复合材料线杆的抗屈服强度大特点，在不降低架空配电线路杆塔机械强度的同时，改善线杆的抗屈服强度，提高防灾减灾能力，减少受灾的发生，提高架空配电线路安全运行水平，确保电网正常供电和社会正常用电。

参考文献：

[1] 陆佳政，蒋正龙，雷红才，等.湖南电网2008年冰灾事故分析[J].电力系统自动化, 2008, 32(11):16-19.

[2] 张雄军.复合材料杆塔的研制应用与展望[J].玻璃钢/复合材料, 2012(S1):301-306.

[3] 胡良全，陈新.电力行业用复合材料的发展[J].玻璃钢/复合材料, 2012(3):91-93.

[责任编辑：朱子]

Technology of Disaster Prevention and Reduction of Overhead Power Lines

LINTu-fang1,XUJia-yi2,SHENMiao3

(1.StateGridTaizhouPowerSupplyCompany,Taizhou317000,China;2.StateGridHuangshanPowerSupplyCompany,Huangshan245000,China;3.StateGridXuanchengPowerSupplyCompany,Xuancheng242000,China)

Abstract:Overhead power lines affected by extreme weather disasters like typhoon, tornado and ice storm may have wire break, tower bend or even fall off, causing power line trip, affecting the normal power supply. Power recovery is influenced by the tower transportation, construction and other core elements, how to effectively reduce the influence of disasters on overhead distribution lines, narrow the scope of the power outage caused by disasters and reduce the outage time is the focus of social attention. This paper mainly discusses the technical measures to prevent and reduce the damage for the overhead distribution lines.

Key words:overhead power line; disaster prevention and reduction; technology research

中图分类号：TM752+.5

文献标识码：A

文章编号：1672-9706(2016)01- 0049- 07

作者简介：林土方(1966-)，男，高级工程师，注册发输变电工程师、注册供配电工程师，长期从事配网技术研究。许家益(1971-)，男，研究生，高级工程师，配电工区主任。

收稿日期：2015-11-17

沈淼(1980-)，男，研究生，高级工程师，配电工区主任。