一起强风天气下某1010100 kVkVkVV线路杆塔串倒分析

邓　杰，陈　霖，朱志杰，李升健，安　义

（1.国网江西省电力有限公司，江西　南昌 330077；2.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西 南昌 330096）

0　引言

2018年3月某日，受短时强对流及雷雨大风等恶劣天气影响，江西公司部分地区配电设施受损停运，给公司配电网造成重大损失。本文对某公司一起强风天气下10 kV线路杆塔串倒原因进行分析，找出了该线路杆塔存在的设计与工艺缺陷，提出了相应的整改建议。

1　基本情况

3月某日下午，某地区平均风速达到8级（20 m/s）以上，局部地区风速达到11级（32 m/s）以上，某10 kV线路发生30基断杆倒杆，断杆地带地势平坦，电杆高于周围建筑物。

如图1所示，某10 kV线路为同杆四回出线，断杆倒杆发生在3号杆至35号杆之间，档距为50 m~60 m，导线采用JKLYJ-10/240绝缘导线，18号杆为直线钢管塔，20号、35号杆为耐张钢管塔，其余电杆均为Ф190×18×M×G型组装杆（非预应力），3号杆至35号杆之间共29基组装杆发生断杆，35号耐张钢管塔倒塔（电缆下地），3号杆至35号杆未发生断线。

图1　某10 kV线路杆塔分布示意图

29基组装杆均从钢圈与主钢筋处断裂，上下钢圈焊接处未断裂，断裂电杆（含35号耐张钢管塔）均倒向马路外侧，杆头方向均朝电源侧，断杆具体情况如表1所示：

表1　断杆情况统计

2　倒杆过程分析

根据该线路设备情况及故障时的气候条件，本文建立了该线路杆塔受力情况的理论计算模型，即计及导线承受水平应力和杆塔风载荷计算出该线路耐张钢管塔和组装杆弯矩，通过计算结果对现场倒杆情况进行分析。

2.1　导线水平应力计算

3月某日，某10 kV线路在无冰强风中运行，风速达到32 m/s及以上，涉及断杆杆塔所承受弯矩只需考虑风压比载和自重比载。

风速作用于架空导线或杆塔上，会产生水平方向的荷载，风速越大，风压越大，相应地风载也就越大，风压的大小一般与风速的平方成正比，水平风荷载使架空导线的应力增大，杆塔会产生附加弯矩，根据流体力学中的伯努利方程[1]，理论风压为：

式中：Wv为风速为v时的理论风压，N/m2或Pa；v为风速，m/s；ρ为空气密度，kg/m3。

为便于分析，一般情况下可采用气温15℃、绝对干燥时的空气密度ρ=1.225 5 kg/m3。此时的理论风压Wv计算式为：

考虑导线没有覆冰，架空线的迎风面积形状（体型）对空气流动的影响，以及风向与线路走向间存在一定的角度，无冰时的导线风压比载γ1如公式3所示：

式中：αf为风速不均匀系数，对于10 kV线路而言，取0.85；c为风载体型系数，对于240 mm2的绝缘导线考虑为1.15；d为架空导线外径，mm；Wv为风速为v时的理论风压，N/m2；A为架空导线截面积，mm2；θ为风向与线路方向的夹角。

除了风速作用于架空导线或杆塔上会对杆塔产生水平方向的荷载之外，导线本身自重比载也会对杆塔产生水平方向作用力，自重比载是架空线自身的质量引起的比载，其大小可认为不受气象条件变化的影响。自重比载γ2由式4计算：

式中：q为架空线的单位长度质量，kg/km；A为架空线的截面积，mm2；g为重力加速度，g=9.8 m/s2。

由此可得，无冰有风时的综合比载γ3是架空线自重比载γ2和无冰时的导线风压比载γ1的矢量和，即：

根据公式5求出导线无冰有风时的综合比载，应用架空线路弧垂公式，即可求出无冰有风时水平应力：

其中：fm为导线最低点弧垂，m；γ为导线综合比载MPa/m；l为导线档距，m；σ0为导线水平应力，N/mm2。

2.2　杆塔风荷载计算

电杆的弯矩校验按首先对作用在电杆上的水平荷载计算。

1）一根导线上的风荷载P1：

式中：c为风载体型系数，对于240 mm2的绝缘导线考虑为1.1；Wv为风速为v时的理论风压，N/m2；S为导线的截面积，mm2；L为水平档距，m。

2）电杆上的风荷载P2：

式中：Wv为风速为v时的理论风压，N/m2；H为电杆地面上部高度，m；D1为电杆梢径，m；D2为电杆根部直径，m。

2.3　35号耐张钢管塔弯矩计算

考虑风压比载和自重比载时，导线型号为JKLYJ-10/240，导线单位质量为0.948 kg/m，截面积为244.39 mm2，直径为26.8 mm，不均匀系数0.85，风载体型系数1.15，风向与导线夹角90℃，档距50 m，根据公式（6）可求出风速为20、25、30、35 m/s时单根导线水平应力及导线对杆塔水平作用力如表2所示。

表2　不同风速时导线水平应力

35号耐张钢管塔型号为GN39-16，杆高16 m，根部直径为890 mm，顶部为390 mm，根据公式7、8求出风速为20、25、30、35 m/s时电杆上风荷载，如表3所示。

表3　不同风速时耐张钢管塔风荷载

考虑12根导线对杆塔产生的水平应力和电杆风荷载，则钢管塔所受弯矩如表4所示。

表4　不同风速时耐张钢管塔弯矩

3月某日所处线路通道风速达到35m/s，钢管塔弯矩1 524.10 kN·m，无风时钢管塔弯矩677.76 kN·m，有风是无风时钢管塔弯矩的2.4倍，钢管塔根部弯曲标准值1 572.25 kN·m，有风时钢管塔所受弯矩是标准值0.97倍，有风时钢管塔所受弯矩未达到弯曲标准值，进而对钢管塔根部焊接部分进行检查。

图2　35号耐张钢管塔现场检查情况

如图2所示，35号钢管杆采用灌注桩基础，地脚螺栓与基础连接牢固，钢管杆法兰盘与钢管杆底部焊接不实，部分焊接部分未焊透情况，焊接部位存在夹渣及表面气孔等缺陷，焊接后钢管塔根部弯矩未达到额定标准值，在强风作用下首先发生倒杆。

2.4　组装杆弯矩计算

考虑35号耐张钢管杆倒杆后，继而引发直线组装杆串倒，直线组装杆承受不平衡张力，只受一侧导线水平力，考虑组装杆为Ф190×18×M×G，采用焊接方式，杆高18 m，底部直径为470 mm，顶部为190 mm，则风速为20、25、30、35 m/s时电杆上风压产生的水平作用力如表5所示：

表5　不同风速时组装杆风荷载

考虑12根导线对杆塔产生的水平应力和电杆风荷载，则组装杆所受弯矩如表6所示：

表6　不同风速时组装杆弯矩

在耐张钢管塔倒塔后，直线杆受承受的弯矩急剧增加，在风速35 m/s时，远远大于直线装杆标准值（91.5 kN·m），在受力薄弱处首先发生断杆，如图3所示，组装杆均从钢圈与电杆主钢筋处断裂，上下钢圈焊接未发生断裂。对钢圈与电杆主钢筋处断裂处进行检查，电杆主钢筋与钢圈存在焊接不牢或没有焊接的情况，根据《环形混凝土电杆》（2014版）标准要求，纵向受力钢筋与连接件的连接，普通钢筋应采用焊接方式[2]。

图3　组装杆现场检查情况

2.5杆塔串倒原因

35号耐张钢管杆在风速35 m/s的情况下，35号耐张钢管杆实际弯矩是无风工况下的所承受弯矩的2.4倍，达到设计标准弯矩值的90%，在设计标准弯矩值范围内，因钢管杆法兰盘与钢管杆底部焊接存在缺陷导致实际承受弯矩小于设计标准弯矩值，出现钢管杆倒杆，而钢管杆地脚螺栓与基础连接牢固，未在连接处出现断裂，钢管杆倒杆后，直线组装杆因一侧受力所承受水平力大幅增加，达到直线组装杆标准弯矩15倍以上，导致从组装杆受力薄弱处首先发生断杆，钢圈与电杆主钢筋处焊接处因存在缺陷导致断裂，从而引起直线组装杆串倒。

3　结论

1）组装杆不满足典型设计要求。根据国网配电网工程典型设计（2016版）要求[3]，对于同杆4回出线，B类气象区电杆应采用Ф230×18×N×G（非预应力）或者是Ф230×18×O×BY（部分预应力），而某10kV线路电杆采用Ф190×18×M×G（非预应力）电杆，不满足典型设计要求；同一马路相邻10 kV线路双回出线，导线采用JKLYJ-10/240绝缘导线，电杆采用Ф190×15×M×G（非预应力）电杆，满足典型设计双回出线电杆型号要求，相应线路未发生串倒事件。

2）杆塔生产工艺存在缺陷。从钢管杆、直线组装杆断裂部位来看，均存在不同程度的焊接缺陷，连接处存在未焊透、夹渣的情况，此类缺陷属于设备出厂前缺陷，而施工过程中，直线组装杆钢板圈焊接处、钢管杆地脚螺栓与基础连接牢固，未在强风情况下出现断裂，未反映出出厂后施工工艺缺陷。

4　建议

1）建议新建与改造线路严格按照典设要求设计。对不满足典型设计要求，建议要根据气象条件重新校核。

2）建议开展线路差异化抗风改造。一是排查已发生过强风天气倒杆断杆区段，建立强风天气倒杆断杆区段明细；二是对发生过强风天气倒杆断杆区段应通过打防风拉、缩小耐张段等措施提高配电线路抗风水平。

3）提升配电线路工程验收水平。一是加强电杆质量抽检水平，加大关键项目检测力度，二是加强线路工程现场验收水平，特别是杆塔加工及现场安装工艺的检查。