強臺風近海地區高位桿塔的防風設想措施

摘要：強臺風襲擊給沿海地區經濟帶來嚴重損失，尤其是對高位桿塔的危害較為顯著。文章根據相關理論數據及相關設計要求，分析了臺風對高位桿塔的影響，針對現有的防臺風措施，以旋渦理論為主，假設高位桿塔節點處加裝圓環抱箍，達到在比較經濟的情況下對現有高位桿塔進行改造，以提升防臺風的能力。

關鍵詞：強臺風;近海地區;高位桿塔;防風設想;旋渦理論 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM75 文章編號：1009-2374（2015）02-0043-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0120

2013年南方都市報《各方支援送光明——廣東“天兔”臺風受災地區昨晚供電基本搶通》中報道：“9月22日在汕尾登陸的‘天兔’強臺風對我省，特別是粵東地區電網造成嚴重破壞，全省110kV以上電網線路跳閘354條次，鐵塔倒塌8基，10kV及以下電桿倒桿4萬多根，2000多千米線路受損壞。”因此，提升高位桿塔防臺風能力顯得尤為重要。

1 臺風簡述及相關數據

臺風，中心持續風速在12～13級（即32.7～41.4

米/秒）的熱帶氣旋為臺風（typhoon），是自然災害的一種。臺風過境常伴隨著大風和暴雨或特大暴雨等強對流天氣。風向在北半球地區呈逆時針方向旋轉，所以我國所說的防臺風就是說防最大風速12級以上（32.7米/秒以上）逆時針旋轉的臺風。據《中國天氣臺風網》的資料顯示：2010年以來，我國沿海登陸的風速達12級的臺風：2010年6起臺風登陸我國，2011年7起臺風，2012年6起，2013年9起，2014年9月止5起。登陸地點多為浙江、福建、廣東、海南。

2 防臺風的設計要求

根據《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》（GB/T 11022-2011）對戶外設備的要求風速不超過34米/秒﹙相應于圓柱表面上的700Pa﹚，高位電力、通信桿塔的的抗臺風設計基本分為如下六個方面：（1）加重;（2）提高防風設計系數;（3）降鐵塔高度;（4）固定鐵塔上的零部件;（5）防止鋼管構件的渦激振動;（6）調整直線桿塔縱向不平衡張力，控制耐張段長度。此幾項研究電網及設計單位都進行了相應的研究，但幾項都適用于新建桿塔且投資增大較多。從投資及抗臺風的綜合考慮，對高位桿塔如電桿、避雷針、通信鐵塔等，設計的一般要求是防風速35米/秒（12級臺風）。2008年前的設備防風基本為此，2008年雪災后期各地重視自然災害（風、雪、地震等），在設計上提高了防風參數，對以前的設備進行了相應的加固（如增設擋土墻、加固基礎），但據官方的電力倒桿統計，2010年以來沿海地區在高位桿塔設備臺風來襲時尚有倒桿或折斷的現象。

3 臺風對高位桿塔的影響

現有的高位桿塔國內基本上采取的是加擋墻，錨固，對臺風被動防御，這造成了現有多節高位桿塔抗風能力差，臺風來襲時易出現傾倒或折斷的現象（如圖1所示，鐵路及通信的高位桿塔都存在此現象），給經濟造成了巨大的損失。

圖1 高位桿塔傾倒

4 防臺風的現有措施

根據南方電網《輸電線路防風綜合措施》的風洞試驗專題研究報告的相關結論：鐵塔橫擔較長時，宜在橫擔中間位置設置豎向隔面以提高橫擔抗扭剛度（如圖2所示）。鐵塔扭轉頻率過低時，在振型上主要表現在塔頭的變形，需加強塔頭和塔身及連接部位的剛度;試驗結果和理論計算均表明加強塔頭斜材對減小扭轉振動效果較好;加強塔頭斜材和主材可以提高塔頭的抗扭和抗彎剛度。

圖2 豎向隔面

5 綜合防風措施的工程實踐

5.1 直線塔改造

在2009年9月24日發生風速達15級的超強臺風黑格比，超出了線路的最大風速設計能力12級，導線風偏超過了塔身的安全距離，導致臺山電廠沿海送出線路：220kV銅唐甲線、220kV銅唐乙線、220kV銅水線、220kV銅能線發生多次跳閘。要求對不滿足風偏要求的220kV銅唐甲線#1-#49塔段、220kV銅唐乙線#1-#43塔段、220kV銅水線#1-#12塔段、220kV銅能線#1-#46塔段直線塔進行改造。對原塔窗尺寸進行擴大，同時增大懸垂絕緣子串的搖擺角度，提高設計風速在原來30米/秒的基礎上增加5米。

施工注意事項：（1）因為在施工過程中需要更換較多的塔材，在施工前先在Z633、Z634塔型上進行試裝，試裝沒問題后再對其他線路的塔材進行加工，這樣就減少了因加工原因而增加施工的困難，也避免了塔材在施工中無法更換的現象;（2）在施工過程中，尤其注意耐張段內的導地線，在塔材更換前應先對其進行松拆。更換的新加工的塔材要看其尺寸是否與原尺寸相符，不相符的塔材要及時請施工單位與設計及制造廠進行聯系，確認其尺寸是否正確，絕不能盲目施工，造成塔材變形;（3）在這次施工中只需要更換上曲臂外側面、邊橫擔及相應的斜材和輔材，與之對應面不需更換，對于需要更換的塔材均按照原來的布置方式進行布置，這就需要我們注意新加工塔材的編號及位置是否與原來相符。

5.2 “干”字型耐張塔中相跳線防風偏改造方案

獨立掛點的雙絕緣子串加裝支撐槽鋼可以對“干”字型鐵塔中相防風偏裝置進行改造，在改造中兩絕緣子串中間的距離一定要取好，最好在1.5～1.8米之間。首先兩絕緣子產生的不同期搖擺可以減小部分風力，縮小了風偏搖擺的角度的同時增大了引流線與塔身主材的空氣間隙;其次在原來的單串玻璃絕緣子的基礎上采用雙放風偏絕緣子串，比原來的單絕緣子串增加了近一倍的重量，這樣在很大程度上縮小了跳線的擺動幅度，減少了刮風時跳線風偏對塔身放電導致線路跳閘的

風險。

5.3 “干”字型耐張塔邊相跳線防風偏改造方案

對“干”字型耐張塔邊相跳線防風偏裝置改造時可以把防風偏合成絕緣子串上端垂直固定在外側桿塔橫擔頭水平鐵上，這樣可以縮小外側跳線的擺動幅度。該防風偏絕緣子端采用金具的“T”形端頭與鐵塔橫擔相聯接，既保證了連接的穩定性，也增加了兩者之間的接觸面積，此外還增加了絕緣子的重量，使其防風偏能力更強，降低了風偏放電事故的發生幾率，同時絕緣子玻璃引拔棒的柔韌性較好，能有效地應對瞬時風偏產生的大力矩，保證發揮合成絕緣子承受拉伸及彎曲載荷，對預防跳線風偏跳閘事故也起到了有效作用，對線路的安全也提供了保障，較強的柔性和抑制風偏的能力也增強了承受風偏擺動的能力。

6 防臺風的假設

6.1 防風設想

在高位桿塔上節點連接處（即主材分段連接處）加裝一圓環形的抱箍，如圖3所示：即相當于在鐵塔的腰部加裝皮帶。

圖3

6.2 受力分析

除掉各種零件，在腰部受力簡化如圖4所示：

橫隔面受力 " "橫隔面單環抱箍 " "橫隔面圓環抱箍

圖4

根據旋渦理論，旋渦中心的受力是最小的，基本上對連接點的螺栓受力減少，提高了螺栓的抗剪抗彎能力。以風速V作用于截面簡化分析如下：

圖5

根據伯努利方程得出WP=V2/1600（風速估算風壓的通用公式）。

圓柱受力（以順時針旋轉分析，方向相反，受力一樣）。

沿圓柱表面對壓力積分得理想流體對旋轉圓柱體作用力的合力。

圖6

作用在dS上的壓力：

作用在整個表面上的壓力：

在圓柱表面，法線方向為：

作用在單位長度圓柱體上：

阻力：

升力：

單位長圓柱所受到的升力：

圖7

升力的大小：等于密度、流速、環量、柱體長度的乘積。

升力的方向：沿來流逆速度環量旋轉90°所對應的方向。

在理想分析狀態下，可得出單位圓柱受的力較單位方體受力少。此狀態以順時針臺風分析，逆時針分析的結果一樣可得出圓形受力比方形受力少。

6.3 經濟分析

簡單、方便、投資成本少。從投資分析，在橫隔面上加裝圓形抱箍，成本低，對于已有的高位桿塔可以在較少投資的基礎上達到提升抗風能力的目的。

7 結語

綜上所述，在高位桿塔的連接節點加裝上加裝抱箍，達到提升防臺風能力。此假設基于理想狀態，且防臺風的試驗尚未進行，需相關人員進行試驗，達到經濟防臺風。

參考文獻

[1] 高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求（GB/T 11022-2011）[S].北京：中國標準出版社，2012.

[2] 南方電網.輸電線路防風綜合措施[S].

[3] 110～750kV架空送電線路設計技術規范（DL/T 5092）[S].北京：中國電力出版社，2010.

[4] 張海兵，黃坤，何發亮，黃梓容.110kV/220kV防風偏硬跳線復合絕緣子[J].廣東電力，2010，（2）.

作者簡介：張桂棠（1975-），男，廣東清遠人，供職于廣東深茂鐵路有限責任公司，研究方向：電氣工程。

（責任編輯：秦遜玉）