極端天氣下電網塔架的安全與防護

李 軍，孫小平，苗 興，張 昕，王 斌，高 健

（國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730050）

極端天氣下電網塔架的安全與防護

李 軍，孫小平，苗 興，張 昕，王 斌，高 健

（國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730050）

針對西北地區電網的安全穩定運行易受極端氣候影響的情況，分析了冰雪天氣、大風(沙塵)天氣對電力設備的危害，通過試驗結果分析了傾覆塔架樣品的厚度、成分、機械性能，總結了塔架失效的原因，提出了應對極端天氣、增強電網防御能力的措施和方法。

極端天氣；電網；塔架

1 概述

隨著國家電網特高壓項目的快速建設和全力推進，西北地區電網逐步成為國家電網的關鍵樞紐，承載著甘肅河西地區風電和新疆自治區電力的大規模外送任務。由于西北地區電網跨越地域廣闊，局部區域經常出現沙塵暴、大風、暴雪等極端天氣，嚴重影響電網的安全運行。

據報道，1986—1990年間，加拿大Alberta電力公司33 %的停電事故是由惡劣天氣引起的，240 kV線路上45 %的故障發生在惡劣天氣條件下。隨著全球變暖現象的加劇，極端天氣的頻率和強度也逐步提高。因此，關注極端天氣下區域電網的安全穩定運行，并提出相應防護措施，顯得尤為重要。

2 極端天氣的影響分析

2.1 冰雪天氣

冰雪災害主要影響電網中的輸變電線路。如輸電線路的導線、地線、塔架等，當其覆冰過重時，極易處于臨界應力狀態，再加上導地線融冰、大風原因造成的載荷沖擊，易發生輸電線路斷線、塔架傾覆等事故。除此之外，周圍的樹木因承受不了冰雪重量而發生傾倒壓在輸電線路上，將造成線路接地、跳閘事故，嚴重時會發生導線斷裂進而導致橫擔變形、拉脫或金具失效、變形等。

2.2 大風(沙塵)天氣

大風(沙塵)主要會引起電網中高壓輸電線路絕緣體短路，造成線路、導線、復合絕緣子等部件舞動劇烈，塔架局部位置會因承載超過臨界應力而發生塑性變形、折彎、傾倒等，導致輸配電線路跳閘。除此之外，大風(沙塵)不僅會造成空氣的介電常數增大、電阻率減小，使其產生強烈的電場活動，還會改變輸電鐵塔塔頭電場分布。國外研究人員通過實驗研究，發現大風(沙塵)會使空氣間隙的沖擊放電電壓降低。因此，大風(沙塵)有可能是造成導線工頻電壓下空氣間隙閃絡放電的原因。

3 極端天氣引起的事故案例分析

3.1 冰雪天氣引起的事故

2013年，西北地區某330 kV線路因覆冰嚴重造成鐵塔扭曲傾倒故障。根據國家電網公司《角鋼塔抽檢作業規范》及其他相關標準要求，對此次事件塔材關鍵部位的樣品(見圖1)進行了檢測和分析。經外觀檢查及尺寸測量，塔材鍍鋅層及表面狀況完好，材料選用規格與原設計相符(見表1)。

圖1 塔架樣品

表1 鐵塔樣品厚度測量mm

從成分分析結果(見表2)看，抽取樣品所含元素及含量與標稱牌號(Q235)相符，滿足相關標準要求。

表2 鐵塔樣品成分分析測量%

機械性能試驗結果(見表3)顯示，抽取樣品常溫機械性能均符合GB/T700—2006《碳素結構鋼》、GB/T1591—2008《低合金高強度結構鋼》標準要求。金相結果顯示：抽取樣品基本組織均為鐵素體和珠光體，組織均勻，未發現有超標夾雜物和異常組織存在。

表3 鐵塔樣品機械性能試驗結果

3.2 大風(沙塵)天氣引起的事故

2011年，某地區330 kV線路因大風(沙塵)天氣造成變電站門型架橫梁跌落，鐵塔扭曲折彎，線路PT、避雷器等設施嚴重損傷，線路短路進而造成母線失壓、主變跳閘。

對扭曲折彎的塔架關鍵部位抽取樣品(圖2)進行試驗檢測。結果顯示塔材規格與設計參數相同，壁厚偏差在公差允許范圍之內，塔材樣品化學成分、力學性能等試驗結果的各項性能指標均滿足相關標準的要求。金相結果顯示：塔架抽取樣品基本組織均為鐵素體和珠光體，組織均勻，未發現有超標夾雜物和異常組織存在。

圖2 塔架樣品

3.3 事故結論

綜合上述試驗結果，可得出以下幾點結論。

(1) 受損的鐵塔取樣樣品規格與設計參數相同，壁厚偏差在公差允許范圍之內，且其化學成分、金相試驗組織、力學性能試驗結果的各項性能指標均滿足相關標準要求。

(2) 樣品斷口一般發生在塔材螺栓孔、變截面等薄弱及應力集中部位，塔材樣品斷裂受力部位在斷裂前均產生了明顯的塑性變形，未發現有脆性斷口的跡象。

(3) 塔材在斷裂前承受了很大的彎曲和扭轉應力，超過了材料的斷裂強度，引起應力聚集產生變形、開裂，致使整個鐵塔傾覆。

4 措施和建議

電力系統作為一種極其龐大的人造系統，其所處環境的氣象條件是電網安全運行的重要因素。由于全球變暖顯著地改變了電力系統的運行環境，影響了電網的安全穩定運行，所以應該采取合理措施防止類似事故的再次發生。

4.1 提高設計標準

電網規劃設計單位應該改變以往的設計標準，對重要關鍵樞紐電網應考慮按百年一遇的標準設計。另外，對局部氣象環境惡劣的區域，應提高鐵塔使用的拉線、橫擔、金具等級和規格，必要時加裝撐腳、連扳等附件，以提高鐵塔的安全裕度。

4.2 采用最新技術

采用最新技術、新產品對關鍵區域電網設備的運行狀態和氣象環境實行在線檢測，提高輸電線路、塔架對極端天氣的防御能力。通過局部網絡定時將局部區域溫度、風速、風向、沙塵濃度等數據傳送到數據中心，以利于掌握氣象狀況，便于組織力量，采取科學、合理補救措施，確保輸電線路安全、可靠運行。

4.3 開發電網塔架運行仿真系統

根據不同的地域特點、氣象環境、鐵塔的實際運行狀態，開發電網塔架運行仿真系統。通過計算機系統模擬分析各種極端天氣下電網塔架等關鍵設備的承載受力狀態，并對塔架薄弱部位(變截面或螺栓孔等部位)及時進行改造、加固，提前預防極端天氣下倒塔故障的發生。

4.4 完善極端天氣下的應急機制

保持信息渠道的通暢，完善極端天氣下的應急機制非常重要。氣候環境的變化反復無常，在發生強對流、暴雪(雨)冰凍、沙塵暴等天氣時，應該加強與當地政府、氣象等相關部門的溝通。通過建立應急響應平臺，及時獲取氣象部門實時提供的預測的降雨量、風力、溫度和實際的氣象環境參數。根據預警等級，制定搶修方案，組織實施，并合理調整電網運行方式和負荷，盡最大可能降低極端天氣造成的人力和物力損失，保證電網設備安全平穩運行。

1 林建勤．建立科學高效的電網防臺風暴雨應急機制[J]．供用電，2007(4).

2 吳向東，張國威．冰雪災害對電網的影響及防范措施[J].農村電氣化，2009(1)．

3 蘇 盛，李銀紅．電網故障自組織臨界性及其在應對極端天氣中的應用[J]．中國科學，2009(3).

孫小平(1966-)，高級工程師，主要從事電力設備、材料的無損檢測及失效分析。

苗 興(1958-)，男，高級工程師，主要從事電力設備、部件壽命評估與材料理化檢驗分析。

張 昕(1965-)，男，高級工程師，主要從事電力設備、部件壽命評估與材料理化檢驗分析。

王 斌(1965-)，男，高級工程師，主要從事電力設備、部件壽命評估與無損檢測分析。

高 健(1981-)，男，高級工程師，主要從事電力設備、材料的無損檢測和失效分析。

2014-11-02。

李 軍(1981-)，男，高級工程師，主要從事電力設備、材料的無損檢測及失效分析，email：564899130@qq.com。