台风引起的500kV输电线路杆塔倒塔分析

陈小伟

(国网浙江省电力公司丽水供电公司 浙江丽水 323000)



台风引起的500kV输电线路杆塔倒塔分析

陈小伟

(国网浙江省电力公司丽水供电公司 浙江丽水 323000)

2016 年14号台风“莫兰蒂”对厦门电网造成严重破坏。针对一条受损的厦门地区500kV输电线路做典型分析，根据气象站观测数据、灾后现场杆塔受损情况调查、计算分析，判断杆塔破坏的原因，提出差异化设计建议。

输电线路杆塔；倒塔分析；台风

1 “莫兰蒂”台风概况

2016年9月15日凌晨3点，第14号台风“莫兰蒂”在厦门翔安登陆，登陆时中心气压935hPa，中心最大风力15级，局部最大阵风17级，对厦门、泉州、漳州地区电网造成严重影响。

因灾害事故点处无气象自动站，通过附近各自动观测站及厦门气象本站的对比分析，结合自动站与电网事故点的地形地貌分析，选取距离灾害事故点最近的杏林大桥气象自动站和同安大桥气象自动站作为事故点风速的气象参考站，推荐事故区域10min平均最大风速取值为42.9m/s，瞬时最大风速取值为63.1m/s。

通过厦门气象本站历年最大风速系列频率分析可知，该次台风期间本站所测10min平均最大风速重现期区间为65年～88年。通过厦门地区风压换算的风速的分析，该次台风期间本站所测10min平均最大风速重现期区间为65年～75年。通过对建国以来厦门地区最强3次台风的分析对比及相关气象档案的分析可知，1614号台风为厦门地区87年来最强台风。

该次电网事故点气象代表站所测10min最大风速远远超出了厦门气象本站历年最大风速系列所计算出的100年一遇风速值， 也超出了《建筑荷载规范》中风压换算得到的100年一遇风速值。

2 厦门电网输电杆塔受损情况

“莫兰蒂”台风对厦门电网500kV杆塔造成杆塔破坏形态包括杆塔倾倒、塔头变形和横担弯曲等，共有27基。

500kV共有7基，集中在厦沧I/II路和漳泉I/II路，其中倒塔5基，地线架倒1基，地线横担弯曲1基。220kV共有15基，集中在李西线、厦李I/II路和厦西线，其中倒塔10基，塔头变形5基。110kV共5基，其中倒塔4基，横担弯曲1基。500kV杆塔受损具体情况如表1所示。

本文选取漳泉Ⅱ路做典型分析，讨论线路杆塔损坏原因，参考浙江电网、华东电网台风引起的事故分析及抗台风措施[1-3]，提出相应的杆塔加强措施。

表1 500kV杆塔受损表

3 线路设计概况及现场调查分析

漳泉Ⅱ路原设计风速Vmax=35m/s，覆冰C=0mm，导线采用4×LGJ-400/35型钢芯铝绞线，安全系数为2.5。地线两根均采用GJ-80型镀锌钢绞线，安全系数为4.65。

漳泉Ⅱ路位于同一耐张段内的#125、#126、#127杆塔受损。受损杆塔地理位置处于台风登陆后其路径方向上的沿海第一道山脉迎风坡，即厦门集美区灌口镇西北面天柱山脉的迎风坡上，此位置为周边山脉中的海拔最高点。同时周边山脉向东侧、南侧分别延伸，形成喇叭口形状将灌口镇所处平原半包围，喇叭口面向东南方向。

#125塔地线横担弯曲，#126塔头瓶口以上位置顺线路方向往小号侧倒，方向由北往南。#127基础以上塔身整体失稳破坏，大致程塔身位置垂直线路方向倒塔，周围树木大量倒伏，倒伏方向大致从高处往低处，即由北往南。以上杆塔的板式基础及地脚螺栓均未破坏。

现场情况分析结论：

(1)距离台风路径中心距离越近，杆塔受损破坏的程度越严重。受损线路所处的耐张段内从西南往东北向，依次为#125杆塔、#126杆塔、#127杆塔，距离台风路径中心距离越来越近，如图1所示，杆塔受损破坏的程度也越来越严重，与周边树木倒伏程度相吻合。

(2)杆塔倒塔方向及周边树木倒伏与北半球台风过境时强劲的东北风基本吻合。

(3)杆塔的板式基础及地脚螺栓按照规范设计时安全系数高于杆塔。

(4)同一设计水准下，耐张塔的抗台风能力优于直线塔。本次台风受损的均为直线塔，没有耐张塔。

图1 台风与输电线路走向示意图

4 计算分析

受损事故段电气明细具体如表2所示。受损的两种塔型设计使用条件如表3所示。通过表2～表3可以看出杆塔实际使用条件均没有超出设计使用条件，即正常大风(Vmax=35m/s)情况下，杆塔不会出现破坏。

表2 受损事故段电气明细表

表3 ZMV514、ZMV522直线塔设计使用条件

台风破坏现场照片 0度风计算应力 45度风计算应力图2 #126杆塔计算结果与现场照片对比

4.1 #126杆塔计算分析

#126杆塔，型号ZMV522-36，设计执行标准《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》[4]、《110～500kV架空送电线路设计技术规程》[5]，验算时仍采用该标准。

根据现场调查表明：

①#126塔周围树木大量倒伏，倒伏方向从高处往低处，即由北往南；

②#126塔塔头位置顺线路方向倒塔(往小号侧倒)，与周围树木倒伏方向基本吻合。

根据现场破坏情况，推测#126塔破坏瞬间起主导作用的大风与线路夹角约0°～45°。分别计算台风工况下0°风与45°风情况，设计基本风速为42.9m/s，设计方法依据《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》[4]规定的荷载计算公式，针对该塔位杆塔呼高、多接腿建立空间桁架模型，进行应力计算。在0度风工况下，曲臂侧面交叉斜材效应设计值与构件抗力设计值比值达140%，45°风工况下曲臂侧面交叉斜材该比值达110%～120%， 如图2所示，所以在台风情况下，塔头曲臂侧面交叉斜材最先失稳破坏，随之塔头曲臂主材失去交叉斜材支撑作用后发生失稳，最终塔头曲臂部分整体失稳向一侧倒塌。

结合现场倒塔情况与计算结果，判断#126塔，在0°～45°大风情况塔头曲臂侧面交叉斜材失稳，导致塔头破坏。#126杆塔计算结果与现场照片对比如图2所示。

4.2 #127杆塔计算分析

#127塔，型号ZMV522-33。杆塔设计执行标准与#126塔相同，验算时仍采用该标准。

现场调查情况表明：#127大致程塔身位置垂直线路方向倒塔。周围树木大量倒伏，倒伏方向大致从高处往低处，即由北往南。该塔整体失稳，塔腿主材明显压弯，无法清晰判断最先破坏的位置。

根据倒塔形态，推测#127塔破坏瞬间起主导作用的大风为90°风。通过计算，在90°风作用下：塔头曲臂主材效应设计值与构件抗力设计值比值达110%～123%。下曲臂主材达到123%；塔身主材达到117%～130%。塔腿及塔腿以上两个主材段角钢达130%；瓶口以下交叉斜材达109%～125%，如图3所示。通过计算，推测受力最大的塔身主材受压失稳后，形成不稳定机构，导致整体失稳，倒塌过程存在其他杆件的压弯、拉断、屈曲。

结合现场倒塔情况，判断#127塔，在台风作用下，塔头曲臂、交叉斜材、塔身主材位置角钢构件受压失稳导致倒塔。#127杆塔计算结果与现场照片对比如图3所示。

90度风计算应力 台风破坏现场照片图3 #127杆塔计算结果与现场照片对比

5 结论

(1)该线路杆塔受损的直接原因是台风风速远超设计风速。“莫兰蒂”台风登陆时中心附近最大风力有15级，倒塔事故段附近实测风速10min平均最大风速42.9/s、瞬时最大风速63.1m/s。受损铁塔位于台风路径中心两侧5km内，最近的倒塔位置距离台风路径中心约600m。大风导致杆塔角钢构件受力远超其承载力，最后失稳破坏，这是线路发生损毁、倒塔事故的主要原因。其次，受损杆塔位置处于厦门集美区灌口镇西北面天柱山脉的迎风坡，且为台风登陆后第一道迎风坡，存在地形因素影响。

(2)台风在空间各点产生的风力强度、矢量方向不尽相同，另外，不同的线路走向造成每档线路的风力入射角不同，同时每基杆塔使用条件及档内地形地貌也有差异，因此即使同一塔型在台风影响区域内其实际承受的风荷载也会因塔位的不同而存在较大差别，造成相同设计标准线路在本次台风中出现一些铁塔倒塌、另一些未受损的原因。

(3)输电杆塔的板式基础及地脚螺栓设计的安全系数高于杆塔，本次台风没有造成500kV杆塔基础及地脚螺栓的破坏。

同一设计水准下，耐张塔的抗台风能力优于直线塔。本次台风没有造成500kV耐张塔破坏。

旧线路加强改造时，建议对于杆塔与基础、直线塔与耐张塔，采取不同的加固措施。

(4)新建沿海地区输电线路依据最新的风速分区图采用风速取值，对于重要通道、微地形区域提高风速的防御标准。

[1] 吴明祥，包建强，叶尹.超强台风“桑美”引起温州电网输电线路事故的分析[J].电力建设，2007，28(9):39-41.

[2] 张锋，吴秋晗，李继红.台风“云娜”对浙江电网造成的危害与防范措施[J].中国电力，2005，38(5):39-42.

[3] 张勇.输电线路风灾防御的现状与对策[J].华东电力，2006，34(3):28-31.

[4] DL/T 5154-2002架空输电线路杆塔结构设计技术规定[S].2002.

[5] DL/T 5092-1999 110～500kV架空送电线路设计技术规程[S].1999.

Analysis for tower collapses of 500kV transmission line induced by the typhoon

CHENXiaowei

(State Grid Zhejiang Electric Power Company Lishui Power Supply Company, Lishui 323000)

The Xiamen power grid was seriously damaged by the 14th Typhoon Meranti in 2016. The analysis was carried out for a damaged 500kV transmission line in this natural disaster. According to meteorological observation data, site investigation aftermath and computational analysis, the causes of tower collapses were investigated, and several recommendations were proposed for the transmission line design differentiations.

Transmission line tower； Tower analysis; Typhoon

陈小伟(1961.4- )，男，高级工程师。

E-mail:chxwls@126.com

2017-04-10

TM

A

1004-6135(2017)08-0099-04