臺山沿海220 kV線路直線塔抗風加固方案研究

陳 亦

0 引言

2008年9月24日晚，受熱帶風暴“黑格比”影響，臺山電廠4回220 kV出線銅唐甲、乙線，銅水線、銅能線先后跳閘，重合不成功，強送成功后又跳閘。巡查結果分析認為，故障是由于銅唐甲線#5塔等直線塔的絕緣子串在臺風的作用下風偏過大，導致導線對桿塔工頻電氣距離不足，造成放電跳閘。臺山電廠是江門乃至珠三角的重要電源，為保證電源送出，有必要對上述故障原因進行分析，提出改進方案，避免同類故障再次發生。

1 故障過程

9月24日上午，第14號熱帶風暴“黑格比”在茂名市電白縣陳村鎮沿海地區登陸，登陸時中心附近最大風力15級，陣風17級。根據氣象臺資料，臺山電廠附近的瞬時風速達到了51.6 m/s，為近年罕見。在本次臺風中，銅唐甲、乙線，銅水線、銅能線先后多次跳閘，臺風造成上述線路停電時間1～10 h不等，嚴重影響了臺山電廠電能的送出。經故障查找發現，銅唐甲線#5塔（Z633-21）、銅唐乙線 #5（Z633-21）塔導線邊相（C相）對塔身多次放電，導線輕微灼傷，但不影響線路運行；銅水線#7塔（Z634-30）導線邊相（A相）對塔身放電，#7～#8塔三相的雙分裂子導線纏繞；其他桿塔沒發現異常。臺風過后，運行單位處理故障缺陷，線路恢復正常運行。

2 跳閘原因分析

分析認為上述3條線路跳閘原因如下：

（1）銅唐甲線#5、銅唐乙線#5、銅水線#7塔均位于海邊高山迎風面上，剛好位于風口處，處于一般桿塔應避開的地勢，距離海岸線約1 000 m，桿塔大號側位置相對較高，當臺風來襲時，強風直吹這些桿塔，所受風力較一般桿塔大。

（2）當風速在51.6 m/s時，絕緣子串風偏超過桿塔設計允許風偏值，導線對桿塔下曲臂放電。經過驗算當風速為51.6 m/s時絕緣子串的風偏值最大能達到73.4°，超過允許風偏角63°，導線對塔身的距離為0.3 m，小于0.55 m的工頻安全距離，因此對塔身放電。

（3）臺風影響時間長，從9月23日23：51：41至24日04：01：00這段時間，上述線路連續故障跳閘，線路經強送成功后又再次跳閘，導致線路無法平穩運行。

（4）Z633、Z634的塔型的橫擔長度偏小，邊相橫擔長度只有2 700 mm。這2種塔型的原設計條件：垂直檔距為600 m，水平檔距為400 m，三相絕緣子串采用I、V、I（中相為V型串）的掛線方式。

下列計算公式及結果，以銅唐甲線#5塔為例。

原設計最大風速V=35 m/s，Lh=509 m，Lv=421 m，玻璃絕緣子14片單串。

計算絕緣子串的風偏角［1］，比較風速V=35m/s和V=51.6m/s下絕緣子串的風偏角分別為57.1°和73.4°。而該塔形的最大風偏角為63°40′，在51.6 m/s的風速下電氣距離不足放電。

3 解決方案

國內其他地方也進行過類似研究，如500 kV漫昆I回線風偏放電故障分析的結論解決辦法為更換抗風偏能力強的直線塔［2］；其他方法還有桿塔加掛重錘，將邊相的單絕緣子串改為“八”字串，中相改為“V”形串，以限制其搖擺角的幅度［3］等措施。

臺山電廠出線幾條線路是在2003—2005年陸續建成的，鐵塔運行時間較短，資料齊全，能較好地對設計資料進行分析并對線路進行改造。參照國內其他地方的做法以及結合線路的運行實際情況，提出了以下幾個可行的改造方案。

3.1 方案1：絕緣子串增加重錘

在線路設計時，當遇到垂直檔距較小，驗算后絕緣子串風偏角過大，不滿足安全電氣距離時，可通過增加絕緣子串上的垂直荷載來解決。增加重錘就是一種有效的改善絕緣子風偏角的方法，是成熟而且最為簡便的途徑。

以銅唐甲線#5塔為例，在風速達到51.6 m/s的情況下，要絕緣子串保持在63°以下時，計算結果顯示需要增加的重錘重量約為600 kg。由于需要增加的重量較大，并且是在不改變絕緣子串長度的情況下實施，難度較大。

3.2 方案2：更換抗風偏能力強的塔型

根據前面的計算結果顯示，為防止絕緣子風偏不滿足要求，可將塔型的橫擔改為較長橫擔的塔型。經過驗算，在不改變鐵塔呼稱高的前提下，只加大塔頭邊相橫擔，桿塔受力相對于原塔型只是塔頭受風面積稍微增大，對于基礎受力變化很小。所以，通過更換新塔型，增大邊相導線橫擔的長度，或將絕緣子串更改為V型串，可達到直線塔抗風加固的目的。以3條線路3基塔為例，共需要更換3基直線塔，以每基鐵塔停電施工時間為1天半計算，共需要6天時間。該方案需要重新設計桿塔并校驗原基礎受力情況。

3.3 方案3：將直線塔改為耐張塔，導線跳線使用硬跳線

由于直線塔在山頭位于風口位置，可將該塔改造成耐張塔。耐張塔的掛線方式能避免直線塔懸垂串風偏過大的問題。由于中相跳線在小轉角的情況下容易出現對塔身距離不足的情況，因此跳線串應使用已有成熟使用經驗的硬跳線串。此方案需要重新建筑基礎，立塔及對導地線壓接，施工工期及成本較大，風險高。

3.4 方案4：利用原鐵塔改造部分橫擔

經過上述計算，比較Z402、Z633型直線鐵塔邊相橫擔發現Z633塔型邊橫擔較短，若通過改造Z633、Z634型鐵塔邊橫擔的長度亦可達到增大鐵塔風偏角的目的。

具體做法為更換鐵塔兩邊相橫擔的塔材，令邊橫擔的長度滿足在瞬時大風的情況下不發生閃絡的長度，具體長度在驗算后確定。由于加長邊橫擔的長度后，部分塔頭主材的受力與聯板的螺栓孔位已不適應新的橫擔，因此需要對塔頭部分的塔材進行驗算，對塔頭主材進行補強。而中相橫擔及地線橫擔不需要進行改造，因此中相橫擔的結構及材料不發生變化。

本方案中，鐵塔呼稱高沒發生變化，整基桿塔的垂直檔距、水平檔距等都沒改變，因此鐵塔桿件受力變化小。本方案改造難度較小，易于施工。

3.5 方案比較

方案1造價最低，但需要增加重錘的重量較大，實施技術上難度較大。

方案2優勢為僅需要重新設計加工一座橫擔較寬的直線鐵塔，施工過程簡單，風險較小。此方案單基改造費用約30萬元，臺山電廠出線的線路在沿海10 km范圍內有14基這類型鐵塔，若全部更換，費用較大，施工周期長。

方案3可以徹底解決風口位置的直線塔風偏不足問題。此方案需要重新做基礎及立塔，需混凝土約80 m3，耐張塔塔材20 t，對耐張段導線進行裁剪、壓接及重新緊線，單基改造費用約為60萬元。但該方案施工周期長，需要重新澆注基礎，立塔以及裁剪導線，施工難度大，不便于大面積開展改造。

方案4是在方案2的基礎上進行精簡，只需要更換部分塔頭，施工時間短，單基改造費用約10萬元。此方案需要對鐵塔進行驗算，對部分塔材進行補強和更換，單基需要塔材1 t，只要將導線卸載后放至塔身上臨時掛點即可進行。但該方案需要校核加長橫擔后鐵塔各材的受力情況，計算過程較為復雜，并且在施工過程中容易出現新加工的塔材與原塔材孔位、規格不對應的情況，有一定技術風險。

綜合比較后采用方案4，其優勢為單基改造時間短，在停電期間可同時進行多基鐵塔的改造，改造資金較少，施工技術難度不高，在本次改造中最優，故建議選用方案4對這4條線路進行改造。

4 計算結果

確認方案選擇后，需要對Z633、Z634塔型進行驗算，對部分更換的塔材進行計算，對增加橫擔長度后塔身進行補強。本次改造中利用VTLA可視化桿塔計算程序進行快速、方便的建模，并比較改造前后各桿件的受力對比。

計算條件：（1）校核取值按照桿塔結構設計規范（DL/T5092—1999）進行。（2）最大風按照原塔設計最大風速取值V=35 m/s，最低氣溫0℃，覆冰為0 mm。（3）邊橫擔長度取值為3 200 mm，不改變絕緣子串的掛線方式。（4）邊橫擔加長后，導線防雷保護角為 9°33′，滿足單回路塔防雷保護角小于 20°的要求。（5）盡量不改變塔的結構受力方式，若對結構受力有利，則減小桿件的受力值。

邊橫擔長度取值為3 200 mm，不改變絕緣子串的掛線方式。需要更換的主材為 301、302、305、306、307、308、315、316，并補強部分輔材。經過計算，鐵塔基礎受力變化很小，基礎上拔力增加500 N。原鐵塔基礎能滿足鐵塔上拔下壓作用力，無需另外加固基礎。

5 實施過程

方案確定后，利用年底停電檢修機會，提前加工好各構件，安排施工隊對桿塔進行改造。由于本次改造設計4條220 kV臺山電廠出線，同時停電施工影響較大，因此本次改造按照多次停電的計劃進行。

（1）合理安排工期與施工段，盡量在一個耐張段內進行施工，提前加工好塔材。

（2）線路停電后，將導、地線從掛點卸荷后掛在塔身臨時掛點，中相導線松至塔頸部位，使塔頭各個掛點均不受力，整個施工過程需要做好導地線的保護，防止導線損傷。

（3）將一側邊相橫擔拆除，對需要更換或補強的構件進行更換，安裝好新的橫擔，完成一側后再進行另外一側的更換與安裝。

（4）所有橫擔完成安裝并上緊螺栓后，進行提線，安裝附件。

通過合理安排人力，完成1基塔的改造只需要半天時間，達到了快速、合理、經濟的目標。

6 改造總結

本次工程經過1年多的分次停電后，完成了共14基Z633、Z634等塔頭的改造，取得了良好效果。（1）改造后至今未發生由于臺風造成的直線鐵塔原因線路跳閘故障；（2）線路改造停電時間短，改造費用較低；（3）工程量最小，在上述塔的改造中每基只需要更換約1 000 kg的塔材，對位于高山上運輸困難的塔位具有明顯的效益。

7 結語

位于沿海高山迎風面側的直線塔在遭遇臺風等惡劣極端天氣時，會由于塔頭橫擔的長度不足而發生風偏過大而導致的跳閘故障。在以后的設計中應盡量避免在這些地方進行立塔等，而應采取對絕緣子串風偏進行校驗，看是否滿足由于風速過大而造成的風偏過大；或者在這些風口處優化導線掛線方式采用V型串等形式，減少由于風偏角過大而可能造成的線路跳閘，提高線路運行的可靠性。

輸電線路點多面廣，大部分線路處在曠野中，提高線路抗各種自然災害的能力非常重要。隨著電網的不斷發展，通過復雜地形及惡劣氣候條件地區的輸電線路日益增多，電力設計、生產運行各部門可進一步深入開展對有關微地形對風速的影響、局部地區大風等災害性天氣規律的研究，提高線路抵抗暴雨、臺風、強雷惡劣天氣的能力，從而提高線路設計水平和減少輸電線路由于災害天氣故障所造成的損失。

［1］張殿生.電力工程高壓送電線路設計手冊［M］.第2版.北京：中國電力出版社，2010

［2］李林易.500 kV漫昆I回線風偏放電故障分析［J］.云南電力技術，2010（2）

［3］趙文元.輸電線路風偏故障的預防和抑制［J］.電力學報，2004，19（1）