（國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司檢修分公司 福建福州350000）

0 引言

目前500 kV電網(wǎng)網(wǎng)架已成為福建省內(nèi)南北電力交換的主通道，形成了全省大環(huán)網(wǎng)和“沿海雙通道”的500 kV骨干電網(wǎng)。根據(jù)福建省電源點(diǎn)及負(fù)荷中心分布特點(diǎn)，500 kV主網(wǎng)架大部分位于沿海地區(qū)。

福建地處我國(guó)東南沿海，海岸帶南北長(zhǎng)530多km。受菲律賓東北海面生成的熱帶氣旋影響，平均每年有3～5個(gè)臺(tái)風(fēng)在福建沿海登陸，常導(dǎo)致輸電線路發(fā)生桿塔損壞及倒塔等機(jī)械過(guò)載事故、跳線（含跳線串）及懸垂串風(fēng)偏跳閘、金具絕緣子串磨損及掉串，給輸電線路帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p害［1-5］。

2015年第13號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“蘇迪羅”在福建莆田登陸，中心附近最大風(fēng)力達(dá)到13級(jí)（38 m/s），導(dǎo)致500 kV輸電線路共6條線路（9條次）跳閘，重合成功3條次，重合不成功的6條次。2016年第14號(hào)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”登陸廈門(mén)，登陸時(shí)中心最大風(fēng)力15級(jí)，造成500kV廈滄Ⅰ、Ⅱ路和500 kV漳泉Ⅰ、Ⅱ路7基500 kV鐵塔破壞，同時(shí)導(dǎo)致500 kV線路跳線風(fēng)偏跳閘11條次。2018年第8號(hào)臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”在福建寧德登陸，造成500 kV川崇Ⅱ路#75塔上相變下相跳線的下跳線橫擔(dān)根部斷裂，并造成500 kV川崇Ⅰ路#147和川榕Ⅱ路#10、#57、#63發(fā)生跳線風(fēng)偏跳閘。

為提高沿海500 kV主干輸電線路運(yùn)行可靠性，有必要結(jié)合500 kV線路的特點(diǎn)，研究提高其抵御臺(tái)風(fēng)災(zāi)害能力的技術(shù)措施。

1 臺(tái)風(fēng)災(zāi)害機(jī)理

1.1 桿塔損壞及倒塔

桿塔在臺(tái)風(fēng)作用下發(fā)生損壞及倒塔事故與風(fēng)速、桿塔設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、桿塔所處地理位置、微地形微氣象條件等因素相關(guān)。臺(tái)風(fēng)風(fēng)速超過(guò)了桿塔設(shè)計(jì)的抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)是造成桿塔倒塌的主要原因，以2016年“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)為例，臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力有15級(jí)，倒塔事故段附近實(shí)測(cè)風(fēng)速10 min平均最大風(fēng)速42.9 m/s、瞬時(shí)最大風(fēng)速63.1 m/s。受損的7基500 kV線路桿塔全部位于臺(tái)風(fēng)路徑中心兩側(cè)5 km內(nèi)，最近的倒塔位置距離臺(tái)風(fēng)路徑中心約600 m。大風(fēng)導(dǎo)致桿塔角鋼構(gòu)件受力遠(yuǎn)超其承載力，最后失穩(wěn)破壞。

1.2 風(fēng)偏跳閘

風(fēng)偏閃絡(luò)跳閘主要由導(dǎo)線懸垂絕緣子串和跳線（串）的風(fēng)偏角過(guò)大導(dǎo)致空氣間隙距離不足所致。風(fēng)災(zāi)事故調(diào)查及相關(guān)的運(yùn)行資料顯示，福建沿海地區(qū)的500 kV線路風(fēng)偏閃絡(luò)事故以耐張塔跳線（串）風(fēng)偏居多，直線塔風(fēng)偏閃絡(luò)次之。風(fēng)偏跳閘主要原因?yàn)椋?/p>

（1）風(fēng)速超設(shè)計(jì)條件。臺(tái)風(fēng)風(fēng)荷載作用下懸垂串和跳線串風(fēng)偏角超過(guò)了設(shè)計(jì)值，造成帶電部分對(duì)塔頭或塔身電氣間隙不足。

（2）臺(tái)風(fēng)時(shí)常伴有暴雨，暴雨在強(qiáng)風(fēng)作用下會(huì)沿風(fēng)向形成間斷型水線，如果水線方向與閃絡(luò)路徑相同，將使間隙的擊穿電壓明顯降低。

（3）臺(tái)風(fēng)所產(chǎn)生的虹吸效應(yīng)也加劇了風(fēng)偏閃絡(luò)。

1.3 絕緣子掉串和金具損壞

（1）絕緣子掉（斷）串。在風(fēng)災(zāi)事故中，絕緣子發(fā)生掉（斷）串的概率低于風(fēng)偏閃絡(luò)，但掉（斷）串事故的搶修時(shí)間往往較長(zhǎng)，影響嚴(yán)重。球碗連接結(jié)構(gòu)（帶R或W銷）是最為靈活的絞接結(jié)構(gòu)之一，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，安裝方便，因此在V形串絕緣子和金具的連接中得到廣泛應(yīng)用。但從理論上講，只要存在風(fēng)的作用，球頭和碗頭之間就會(huì)發(fā)生摩擦，導(dǎo)致磨損；當(dāng)風(fēng)速較大、風(fēng)作用的頻次較高且聯(lián)結(jié)金具轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活時(shí)，則會(huì)加劇球碗間的磨損；磨損累積到一定程度后，就易引起R（W）銷變形和球頭受損。

（2）金具磨損。輸電線路連接金具除承受導(dǎo)線自身的重力、張力外，還應(yīng)考慮風(fēng)載荷引起的循環(huán)、彎曲、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。金具長(zhǎng)時(shí)間承受不規(guī)則的風(fēng)力的交變荷載作用，造成金具疲勞損傷，在達(dá)到一定程度超過(guò)材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)將形成失效［6］。此外，對(duì)于沿海大風(fēng)盛行區(qū)域而言，由于環(huán)境、氣候的因素，連接金具容易出現(xiàn)不同程度的磨損。

2 抵御臺(tái)風(fēng)災(zāi)害措施

2.1 路徑選擇

（1）避讓臺(tái)風(fēng)區(qū)及微地形區(qū)。臺(tái)風(fēng)災(zāi)害統(tǒng)計(jì)分析表明，目前福建沿海500 kV線路故障主要分布在沿海半島、平原、沿海向內(nèi)陸方向的第一重山地高海拔處，且事故點(diǎn)一般在海岸線往內(nèi)地方向15 km以內(nèi)。此外，高山風(fēng)水嶺或埡口、峽谷風(fēng)道、抬升型地形的迎風(fēng)坡等區(qū)域容易發(fā)生局部風(fēng)速突增效應(yīng)，引起風(fēng)偏閃絡(luò)事故，成為線路安全運(yùn)行的隱患。新建線路宜避開(kāi)上述區(qū)域，當(dāng)無(wú)法避讓時(shí)應(yīng)充分考慮臺(tái)風(fēng)的影響并采取必要的差異化加強(qiáng)措施。

2014年1月至2015年8月我院對(duì)68例復(fù)雜脛骨平臺(tái)粉碎性骨折合并三柱損傷患者進(jìn)行了分析研究,我們將患者分成了對(duì)照組和觀察組,均有34例,兩組的一般性資料對(duì)比不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異性,能夠進(jìn)行對(duì)比分析。

（2）避免大檔距、大高差及前后檔距懸殊情況。導(dǎo)、地線受溫度變化或者風(fēng)壓時(shí)，將在大高差或檔距相差懸殊的桿塔上產(chǎn)生較大的縱向不平衡張力。在臺(tái)風(fēng)等極端天氣下，當(dāng)桿塔承受的水平荷載接近限值時(shí)，疊加的縱向不平衡張力使得桿塔承擔(dān)的實(shí)際綜合荷載超出設(shè)計(jì)值，從而導(dǎo)致桿塔發(fā)生損壞。

（3）縮小耐張段長(zhǎng)度。由于各檔檔距分布不均，各檔的地形、高差也不盡相同，各相鄰的直線檔間存在不平衡張力，該不平衡張力逐檔累積后將導(dǎo)致耐張段末端的直線塔和耐張塔承受較大的不平衡張力。當(dāng)發(fā)生斷線或者倒塔等嚴(yán)重事故，可以控制事故范圍，減小搶修復(fù)電的作業(yè)范圍。強(qiáng)風(fēng)區(qū)域新建線路建議將耐張段長(zhǎng)度控制在3～5 km。

2.2 設(shè)計(jì)風(fēng)速取值

（1）充分收集國(guó)家氣象站、國(guó)家海洋站和有關(guān)行業(yè)設(shè)立的專用站的風(fēng)速、風(fēng)向資料，并開(kāi)展臺(tái)風(fēng)（大風(fēng)）災(zāi)害的調(diào)查。

（2）收集的原始資料需進(jìn)行代表性、可靠性和一致性分析，對(duì)特大風(fēng)速值可通過(guò)天氣系統(tǒng)分析、重現(xiàn)期分析、地區(qū)比審、氣象要素相關(guān) （如極端最大風(fēng)速的變化與氣壓突降的關(guān)系）、查閱史籍記載等方法，進(jìn)行科學(xué)客觀、合理嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶彶椤?/p>

（3）當(dāng)工程地點(diǎn)與參考?xì)庀笳竞０胃叨群偷匦螚l件不一致、氣象站資料對(duì)工程地點(diǎn)的代表性較差時(shí)或風(fēng)區(qū)圖無(wú)法表示的局部地形，必須根據(jù)地形條件進(jìn)行訂正，并搜集調(diào)查沿線微地形、微氣象區(qū)的影響和風(fēng)速變化特征。按工程實(shí)際情況進(jìn)行大風(fēng)調(diào)查和對(duì)比觀測(cè)，分析訂正附近氣象參證站或風(fēng)區(qū)圖的設(shè)計(jì)風(fēng)速至工程地點(diǎn)。無(wú)法得到可靠資料的地區(qū)，受微地形、微氣象影響塔位的設(shè)計(jì)基本風(fēng)速宜較普通塔位提高不小于10%。

2.3 防風(fēng)導(dǎo)線選型

作用于架空線路導(dǎo)線的風(fēng)荷載約占整個(gè)輸電線路受到風(fēng)荷載的50%～70%，桿塔需承受導(dǎo)線及桿塔本身受到風(fēng)荷載的聯(lián)合作用，因此導(dǎo)線的風(fēng)荷載對(duì)桿塔的設(shè)計(jì)強(qiáng)度影響重大。在保障線路安全性的前提下，采用防風(fēng)導(dǎo)線可以減少導(dǎo)線的風(fēng)荷載及工程投資。

目前防風(fēng)導(dǎo)線主要有型線、低風(fēng)壓導(dǎo)線等兩種。

（2）低風(fēng)壓導(dǎo)線。低風(fēng)壓導(dǎo)線是一種架空輸電線路用的特種導(dǎo)線，通過(guò)對(duì)導(dǎo)線表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)形成一定 “粗糙度”，使迎風(fēng)側(cè)邊界層分離發(fā)生在超臨界區(qū)，從而降低導(dǎo)線的風(fēng)阻系數(shù)［7］。研究表明，低風(fēng)阻導(dǎo)線的風(fēng)壓只有常規(guī)導(dǎo)線的60%～70%左右。圖1為低風(fēng)壓導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)圖。

2.4 鐵塔設(shè)計(jì)優(yōu)化

（1）采用雁翅塔。直線塔采用抗風(fēng)能力強(qiáng)的3 V型絕緣子串，橫擔(dān)設(shè)計(jì)為雁翅狀（見(jiàn)圖2），比常規(guī)橫擔(dān)層高降低0.4 m，走廊寬度減小約27.45%，電氣間隙緊湊、結(jié)構(gòu)受力合理，每層橫擔(dān)宛如大雁的翅膀，造型靈動(dòng)優(yōu)美。

（2）應(yīng) 用 Q420 高強(qiáng)鋼管。鐵塔主材采用Q420鋼管，風(fēng)壓體型系數(shù)僅為角鋼的65%，減小塔身風(fēng)荷載作用，提高線路的抗風(fēng)能力，鐵塔重量降低約10%，基礎(chǔ)作用力減小約8%。

（3）合理布置橫隔面。模態(tài)分析和抗風(fēng)擬靜力分析表明，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［8］設(shè) 計(jì) 的 桿 塔 ，由 于橫隔面數(shù)量的不足，塔身第一、二塔段斜撐產(chǎn)生較大的平面外位移。局部振型和平面外位移同時(shí)出現(xiàn)在塔身第一、二塔段斜撐上，而風(fēng)荷載本身又是一個(gè)動(dòng)力荷載，導(dǎo)致在該部位出現(xiàn)斜撐失穩(wěn)及倒塔事故。

塔身變坡以下增加兩處橫隔面（見(jiàn)圖3），抗風(fēng)極限承載力提高10.5%，次彎矩減小48%，交叉斜撐最大變形由40 mm左右控制到2 mm左右，保證了其對(duì)主材的有效約束，使主材的彎扭失穩(wěn)得到抑制，提升塔身的抗風(fēng)承載力和變形能力。增加塔身橫隔面前后內(nèi)力對(duì)比情況見(jiàn)圖4所示。

2.5 金具串優(yōu)化

（1）直線塔V型串設(shè)計(jì)及優(yōu)化。復(fù)合絕緣子兩端采用環(huán)環(huán)聯(lián)結(jié)形式，能有效解決臺(tái)風(fēng)區(qū)V型串易發(fā)生球頭、碗頭脫落的問(wèn)題。此外，通過(guò)提高V型串外肢金具的強(qiáng)度，當(dāng)內(nèi)肢發(fā)生斷串時(shí)，外側(cè)肢變?yōu)閼掖笽串，可以繼續(xù)承受導(dǎo)線荷載而不至立即放電，給巡檢人員提供充足的搶修時(shí)間［9］。

（2）采用鼠籠式剛性跳線。目前500 kV轉(zhuǎn)角塔中普遍采用加裝1～2串跳線絕緣子串并加裝重錘片的方式以增加跳線串的垂直荷重，由于臺(tái)風(fēng)的脈動(dòng)性及瞬時(shí)性，該跳線串型式仍難以避免跳線風(fēng)偏跳閘的發(fā)生。剛性跳線是將引流線弧垂部分采用剛性固定（見(jiàn)圖5）。相對(duì)于軟跳線，剛性跳線美觀、整體自重大，鼠籠式剛性跳線風(fēng)偏角較常規(guī)跳線減少近30°，有效防止臺(tái)風(fēng)作用下轉(zhuǎn)角塔引流線風(fēng)偏閃絡(luò)跳閘的發(fā)生。

（3）聯(lián)塔金具優(yōu)化。聯(lián)塔金具受力方向變化較多，可能是順線方向也可能是垂直線路方向，受力較為復(fù)雜。耐張串、懸垂串聯(lián)塔金具由常規(guī)的U型掛環(huán)優(yōu)化為GD板、EB耳軸掛板，保證金具轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、強(qiáng)度高，有效避免臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的瞬時(shí)性和連續(xù)性導(dǎo)致的導(dǎo)線強(qiáng)烈擺動(dòng)及掛點(diǎn)金具疲勞斷裂（見(jiàn)圖6）。

（4）耐磨型金具的應(yīng)用。沿海大風(fēng)盛行區(qū)域由于環(huán)境、氣候的因素，連接金具容易出現(xiàn)不同程度的磨損，尤其是環(huán)環(huán)連接的部位，磨損更為嚴(yán)重，因此大風(fēng)區(qū)金具因采用耐磨材料，推薦螺栓及鍛造類金具采用耐磨材料以提高金具的壽命，保證金具的安全可靠性。懸垂線夾螺栓及鍛造類金具采用35CrMo材料，提高金具的安全可靠性及使用壽命。

（5）預(yù)絞絲式防護(hù)金具應(yīng)用。預(yù)絞絲式阻尼間隔棒借助預(yù)絞絲將導(dǎo)線固定，將導(dǎo)線上的風(fēng)振能量通過(guò)預(yù)絞絲最大限度的傳遞給間隔棒回轉(zhuǎn)軸，利用橡膠阻尼部件很好地吸收了振動(dòng)能量。

預(yù)絞式防振錘主要特點(diǎn)是基本解決防振錘采用普通線夾長(zhǎng)期運(yùn)行容易滑移的問(wèn)題，保證了防振效果及設(shè)備的使用壽命。防振錘錘體本身采用高強(qiáng)度的合金鋼，表層鍍鋅，既能防腐又能防風(fēng)，線夾本體采用鋁合金，能夠降低連接處的接觸電阻，減小電能損耗。

2.6 安裝臺(tái)風(fēng)區(qū)桿塔力學(xué)監(jiān)測(cè)平臺(tái)

在易遭臺(tái)風(fēng)破壞的桿塔上安裝力學(xué)監(jiān)測(cè)裝置（見(jiàn)圖7）。在輸電塔關(guān)鍵部位布置振弦式應(yīng)變計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變；在輸電塔布置精密傾斜監(jiān)測(cè)儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸電塔傾斜變化情況；在塔身不同高度安裝測(cè)風(fēng)儀，捕捉實(shí)時(shí)風(fēng)速與風(fēng)向。實(shí)現(xiàn)同步采集風(fēng)速、風(fēng)向、位移、桿塔應(yīng)力，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將所有數(shù)據(jù)傳遞到監(jiān)測(cè)平臺(tái)，通過(guò)PC終端軟件及手機(jī)APP實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并預(yù)警。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析，可以得到臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)下實(shí)際桿塔受力特征，這是風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬都無(wú)法取得的真實(shí)數(shù)據(jù)，再進(jìn)一步利用這些數(shù)據(jù)分析臺(tái)風(fēng)對(duì)桿塔的破壞機(jī)理，總結(jié)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)下的桿塔設(shè)計(jì)方法。

3 結(jié)論

針對(duì)臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致500 kV線路發(fā)生桿塔損壞、風(fēng)偏閃絡(luò)、金具損壞等方面事故的機(jī)理，可采取以下措施提高線路抵御臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的能力。

（1）路徑選擇時(shí)應(yīng)避讓臺(tái)風(fēng)區(qū)及微地形區(qū)，避免大檔距、大高差及前后檔距相差懸殊的情況，縮小耐張段長(zhǎng)度。

（2）設(shè)計(jì)風(fēng)速應(yīng)在區(qū)域大風(fēng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過(guò)當(dāng)?shù)貧庀笳窘y(tǒng)計(jì)風(fēng)速計(jì)算及風(fēng)壓反算，參考附近已建工程的設(shè)計(jì)及運(yùn)行情況，經(jīng)綜合分析后確定。

（3）采用型線、低風(fēng)壓導(dǎo)線等防風(fēng)導(dǎo)線，可以減小導(dǎo)線的風(fēng)荷載及工程投資。

（4）鐵塔方面，可采用雁翅塔、應(yīng)用Q420高強(qiáng)鋼管、合理布置橫隔面等措施，提高鐵塔整體剛度。

（5）金具及絕緣子串方面可采用V型串環(huán)—環(huán)連接結(jié)構(gòu)、鼠籠式剛性跳線、耐磨金具、預(yù)絞式金具等措施。

（6）在易遭臺(tái)風(fēng)破壞的桿塔上安裝力學(xué)監(jiān)測(cè)裝置，記錄實(shí)際桿塔在臺(tái)風(fēng)作用下的受力特性，驗(yàn)證提高桿塔抗風(fēng)能力措施的有效性并積累經(jīng)驗(yàn)。