配電線路臺風災損機理研究進展

江思杰 易 弢 張孔林 江修波

（1. 福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108；2. 福建省電力科學研究院，福州 350007；3. 福建省電力有限公司檢修分公司，福州 350011）

配電線路臺風災損機理研究進展

江思杰1,2易 弢2張孔林3江修波1

（1. 福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108；2. 福建省電力科學研究院，福州 350007；3. 福建省電力有限公司檢修分公司，福州 350011）

為了應對配電線路面臨臺風襲擊時受災嚴重的問題，研究配電線路臺風災損機理具有重要意義。本文首先介紹了配電線路臺風災害特點和災損主要形式，然后從輸電塔和混凝土電桿兩個類別系統總結了配電線路荷載研究現狀與成果，接著指出了目前配電線路臺風災損機理研究中存在的問題與不足，具體從配電線路臺風災損影響因子辨識的方面提出了當前迫切需要進行研究的內容，最后展望了有待進一步深化研究的方向。

配電線路；風荷載；災損機理；影響因子

臺風災害引起的線路故障已嚴重影響到電網，尤其是配電網的安全穩定運行。配電網相比輸電網架具有天然的結構和供電脆弱性，隨著城市化后配電網規模的不斷增加，其遭受極端自然災害性天氣破壞的概率或風險越來越大。以福建電網為例，2016年“尼伯特”臺風一度導致閩清、永泰兩地全縣95%低壓用戶停電，僅閩清一地配電網直接經濟損失就達2.2億元，整個閩清配電網幾乎重建；2016年“莫蘭蒂”臺風造成福建電網各電壓等級設備受損嚴重，其中 10kV線路故障跳閘 2000余條，倒斷桿 4000余基。配電線路作為電力系統的重要組成部分，處于電力輸送的末端，直接面向用戶，配電線路的安全可靠是整個電力系統安全、穩定、經濟運行的集中體現[1]。然而強臺風容易導致大范圍的配電線路跳閘、桿塔倒/斷、斷線，同時惡劣的天氣也嚴重影響搶修工作的順利開展。

傳統的對臺風災害毫無應對能力的配電網已經不能完全適應新的發展需求，亟需加強對臺風災害時空分布特性的及時把握，以及深入探究臺風災害對配電線路安全運行的影響機理。臺風災害對配電線路的影響大，涉及廣，時間長。在配電線路應對臺風災害方面，對配電線路自身的結構特點、物理屬性進行深入的分析和挖掘，明確致災機理與致災規律，可以更加有效地支持監測、預警關鍵技術研發，從而最大限度地提高電網災害應急處置能力與應急搶修水平。因此，針對臺風災害的配電線路災損機理研究就顯得尤為重要。

1 配電線路臺風災損分析

根據世界氣象組織定義，臺風指中心持續風速在 12～13級（即 32.7～41.4m/s）的熱帶氣旋。臺風過境常伴隨著大風和暴雨或特大暴雨等強對流天氣，通常導致配電線路大量的群發性故障，分為瞬時故障和永久性災損[2]。最常出現大范圍的配電線路跳閘，當臺風風力超過線路或桿塔的設計標準時，可能引發斷線、倒桿、斷桿、桿傾斜等災損事故[3]。

1.1 災害特點

臺風對配電線路帶來的損害主要是臺風災害（風災）以及降雨帶來的地質災害。風災與地質災害主要是對桿塔、架空線路造成損害。

1）風災。臺風導致桿塔兩側橫向水平力在順線路方向差距過大時，容易引發桿塔傾倒。特別是桿塔處于臺風登陸點附近海岸處、海拔較高的上風口處、臺風移動路徑以及旋轉的上風處時傾倒現象明顯，當臺風與線路方向接近垂直時桿塔災損最為嚴重。

2）地質災害。桿塔基礎受損或因桿塔本身受沖擊時易發生傾倒。處于低洼地帶的桿塔，由于雨水無法及時排出桿塔基礎被長時間浸泡；阻塞導致大量積水區域，桿塔本身受到水流的沖擊作用；泥石流或山體滑坡直接導致桿塔被直接破壞[4]。

1.2 災損主要形式

線路跳閘是臺風對配電線路損毀影響的主要表現之一。臺風造成配電線路跳閘故障經常發生，特別是10kV線路跳閘經常達數10條次，乃至上百條次[5]。

桿塔主要以桿塔傾斜、倒桿、斷桿為主。桿塔受災受到多種因素影響，包括風速、桿塔自身的特性和地形等[6]。桿塔和導線所承受的垂直風荷載超過其設計極限時會出現橫傾；桿塔在沿線路方向產生的不平衡力時會導致縱傾；塔基上拔或下沉。桿塔傾倒往往導致斷線，而斷線引起的張力不平衡也會影響桿塔。

導線以斷線為主，當承受的荷載超過其設計極限時會造成斷股或斷線的現象；大風引起的異物掛線，可能出現短路甚至擊斷線路。10kV導線弧垂較少，幾乎不發生風偏放電，同時微風造成的線路擺動較小，電線疲勞損傷較小，導線與金具不易在大風的作用下長期磨損。

設備在臺風中的損失相對較小，大部分由于桿塔傾倒或者拉扯引起。如在強風中線路阻波器的拉扯下會導致絕緣子、避雷器以及閘刀的瓷套等設備損壞；特別應該提高變壓器抗短路的能力以應對頻發的10kV低壓側倒斷桿事故。

2 配電線路荷載研究現狀

按電壓等級劃分，可將配電網分為高壓、中壓、低壓；按地域劃分，可將其分為城市和農村。混凝土電桿是配電線路的重要組成部分，但隨著經濟的不斷發展，負荷的逐漸提高，配電線路包含的電壓等級也越來越高，一些直接供電到用戶的線路已經為110kV或220kV。鐵塔在配電線路中的應用范圍也越來越廣，已有對輸電塔線結構的研究成果，對于配電線路荷載研究具有重要的借鑒意義。

2.1 輸電塔

輸電線路的安全性和可靠性一直受到全社會的關注，國內外學者針對輸電塔線結構的風振響應開展了廣泛深入的研究，形成了較為完善的理論體系和設計規范。

1）風荷載與風場模擬

荷載指的是使結構或構件產生內力和變形的外力及其他因素，主要包括恒載、地震和環境荷載（指風、雨和覆冰等的隨機作用）[7]。

風荷載是當前電力設計中考慮的主要環境荷載，也是臺風造成線路災損的主要外力作用，影響風荷載作用的主要因素是風速和風向。風荷載一般可被分為平均風荷載和脈動風荷載。可將平均風荷載對結構的產生的作用當做靜力荷載；將脈動風荷載會使結構產生動力響應當做動荷載[8]。脈動風荷載的湍流尺度、湍流強度以及相干函數等物理特征會對線路動荷載效應產生影響。

臺風風場具有高湍流度、強離散性和強變異性等特征，相比常規風場會產生較為復雜的風振效應。分析不同風場對結構的風振效應首先需要得到風速時程曲線，即根據脈動風速的風功率譜，生成一系列隨機序列的時程樣本。可以采用諧波疊加、線性回歸濾波和小波分析等方法對脈動風速進行數值模擬。如果已知風場的脈動風的功率譜密度函數，就可以得到相應的風速時程曲線[9]。

2）力學模型與仿真分析

合理的力學模型是研究輸電塔動力特性的關鍵，主要理論分析方法是時域方法和頻域方法。頻域法是通過描繪頻域內傳遞函數激勵和響應之間的關系，時域法是一種直接積分法，不僅對結構的動力特性，而且幾何非線性也可以較為全面體現。由于導線的非線性，所以當前多采用時域分析方法。

文獻[10]介紹了索振動特性的分析方法，并分析了索兩端固定時的情況，提出了連續體模型。文獻[11]通過大量試驗提出了兩種合理可行的簡化計算模型，可以用于分析平面內塔線動力特性。文獻[12]將輸電塔簡化為梁和桿，提出了一種較簡便的確定輸電塔及輸電線阻尼的方法。文獻[13]簡化了結構中各個梁單元，采取數值模擬的方式計算非線性。

文獻[14]使用有限元分析進行了大量強風作用下體系的響應仿真。文獻[15]提出了塔線體系風力數值模擬計算方法，為后期的輸電線路工程結構的可靠性研究提供了理論基礎。文獻[16]建立了輸電線路體系耦合振動方程，提出了分析塔線關聯性的研究思路。文獻[17]對輸電桿塔桿件的材料、幾何非線性和初始缺陷等進行了深入地研究分析，取得了開拓性的進展和大量的研究成果。

隨著對常規風場作用下的風振效應研究地不斷深入，特別針對臺風風場也開展了一系列的研究。文獻[18]以廣東湛江的氣象條件為基礎生成風速時程曲線，分析了當地某220kV輸電線路的風致動力響應情況，比較了鐵塔動力響應與擬靜力的計算結果，發現相比擬靜力的結果，鐵塔動力響應順線路位移和垂直線路位移均較大，表明當前設計規范的設計安全裕度還需進一步提高。文獻[19]分析了桿塔在臺風“卡努”5個不同時刻風場下的受力情況，結果表明其變化規律與平均風速一致；在同一設計風速的條件下，對比兩類風場的風荷載和受力情況，表明臺風風場的風剖面指數差異產生了較為顯著地影響，建議臺風多發地區的桿塔設計要求應高于常規風滿應力設計。因此，設計臺風多發地區的輸電塔必須考慮臺風高湍流引起的動力風荷載增大效應。

3）現場實測與風洞試驗

現場實測可以獲得大量的一手數據，為風洞試驗提供必要的參數依據。文獻[20]對高聳格構式塔架的風荷載進行了現場實測，數據表明響應在橫和順兩個風向的量級相同，驗證了輸電線和輸電塔之間存在明顯的耦合。文獻[21]進行實測認為風攻角的不同和輸電塔線之間的耦合作用會對結構在大風中的動力響應產生影響，表現為內力和位移的變化與風速的變化呈一定的相關性。文獻[22]根據隨機振動理論，研究了以江陰800kV輸電塔為背景的脈動實測，由結果分析得到一系列相關參數，為以后的試驗和進一步的理論研究奠定了堅實的基礎。

風的隨機性以及線路結構自身的復雜性，使得其風效應十分復雜，無法純粹通過理論分析對這些問題得到很好的解釋，所以在風洞試驗中進行測試研究依然是當前被接受的合理有效的方法。風洞試驗模型一般有剛性和氣動彈性兩類，測取結構表面承受風荷載時產生的壓力使用剛性模型；測取結構在大風中的動力響應使用氣動彈性模型。文獻[23]研究了在試驗模型設計時無法兼顧相似定律與風洞尺寸的問題，采用修正模型試驗進行了一系列的開拓性研究分析。

我國學者以現實應用中的輸電線路為研究對象開展了風洞試驗研究，主要集中在高壓輸電塔的動力響應研究方面。文獻[24]制作了以椒江大跨越塔架為研究對象的氣彈模型，進行了橫風向荷載的風洞試驗研究，并與國外的現場測試數據比對，驗證了橫風向的風振效應與順風向大致相同，給出了可以對橫風向風振效應簡化計算的公式。文獻[25]設計制作了鋼管塔全塔氣動彈性模型，對風荷載及風振響應進行了試驗研究，得到了相應的設計參數。文獻[26]以昌西至南昌 500kV輸電工程為背景，設計并制作了輸電塔線體系的完全氣彈模型，嚴密把握了結構的氣動、質量和剛度等重要參數。

高頻測力天平技術（high frequency forcebalance,HFFB）是一種有效應用于對結構進行風洞試驗研究的方法，通過測量得到結構模型的基底剪力、彎矩和扭矩，就能計算出結構上相應的風荷載作用力。我國學者在風洞試驗中也經常采用高頻測力天平技術，文獻[27]得到了輸電塔、通信塔和電視塔 3種典型格構式塔架的風荷載體型系數。文獻[28]基于大量數據發現了平均風荷載與風向角之間的變化關系，表明當風向角為20°～30°時此時位移的響應最為明顯。文獻[29]根據鋼管塔的塔身和橫擔的荷載試驗分析，研究了模型整體平均風荷載和體型系數，得出當風向角為15°、75°時會對鋼管塔產生最大的影響。

4）微地形風速修正

在風速修正中一般將微地形分為山峰和山坡；山間盆地、谷地等閉塞地形；與風向一致的谷口、山口。微地形使得線路風荷載效應顯著增大，相應的設計規范都對微地形下的設計方法進行了規定。GB 50009—2001《建筑結構荷載規范》規定山區建筑物的風壓高度變化系數采用修正系數進行修正。DL/T 5158—2002《電力工程氣象勘測技術規程》給出了修正系數的取值范圍。GB 50545—2010《110～750kV 架空輸電線路設計規范》規定在沒有可靠資料時，山區送電線路的最大設計風速的調整系數都取1.1。

針對現有的線路設計規程中微地形區域的線路桿塔結構風荷載設計較為簡單或模糊的問題，我國學者開展了進一步研究。文獻[30]采用CFD方法對埡口微地形下線路空氣動力學過程進行數值計算并確定了其修正系數。文獻[31]針對平地和不同微地形，計算了典型桿塔相應的風荷載效應，結果說明山丘和埡口的效應增強最為明顯，懸崖次之，相比平地時整體荷載增大了 10%～30%，對于山丘和埡口當前設計規范值明顯偏小；平坦地形下線條風荷載效應占總體風荷載效應的60%以上，也應適當增加塔身的抗風強度。

5）降雨疊加效應

架空線路暴露在大氣環境中，不可避免地受到極端天氣因素的影響，如強臺風環境時強風、暴雨會造成影響范圍內線路大面積故障，在風雨荷載的作用下發生大量永久性事故。在目前輸電線路設計中，均已冰、風為主要荷載，大多忽略了雨荷載對線路的影響，但事實表明風雨荷載對線路正常運行產生了極大的威脅[32]。

文獻[33-34]在風洞中模擬降雨對電纜動力響應影響試驗，在降雨量不同的條件下研究了特定截面導線的氣動阻力，結果表明雨量的增強使得其垂直方向上的阻力系數也會顯著增強。但試驗僅局限于電纜，缺乏對雨量影響機理的進一步分析，也沒考慮風的作用。文獻[35-36]基于降雨的基本概念，研究了雨滴的沖擊作用，給出了可以計算降雨分布力的方法。基于Kaimal譜生成脈動風速，采用諧波疊加法提出一種用于模擬風雨激勵的方法；對單風和風雨同時激勵兩種情況進行了有限元仿真計算，結果表明，相比較單風情況下，風雨同時激勵的效應明顯增強，雨荷載產生的荷載效應不能忽略。文獻[37]進一步研究了強風雨荷載對輸電線路可靠性的影響，根據結構可靠性的概念，得到了輸電線路強度和荷載的隨機特性，并得出強度和荷載間的聯合概率密度函數，進而建立了線路可靠性模型。

文獻[38]特別開展了良態風及臺風兩種風場下風雨耦合對結構影響的研究，根據風譜生成了兩種風雨荷載時程曲線，分析了對應輸電塔頂點加速度均方根，得出了臺風風譜下大于良態風風譜下的均方根，臺風風場的高湍流特性及降雨的作用要得到重視。

2.2 混凝土電桿

我國對混凝土電桿的荷載分析研究大都采用了試驗和經驗結合的方法，尤其對電桿的荷載效應研究頗多，對于借用軟件分析電桿數據的方法尚處于起步階段。

導線荷載是指作用在導線上的風以及自身質量引起的重力和水平風荷載。電桿荷載不僅包括電桿桿身上受到的風荷載，也包括桿上導線受到的水平風荷載作用于兩端連接點處的導線張力[39]。由臺風引起的倒桿、斷桿通常發生在電桿桿根，主要原因是桿根截面彎矩過大。

通過理論驗算得出電桿的研究數據的大小，然后在試驗中計算得出實際值，最后分析比較得出最終具有工程實用價值的結論，得到了一系列行業設計規程，包括《66kV及以下架空電力線路設計規范》、《10kV及以下架空配電線路設計技術規程》及《城市配電網規劃設計規范》等。

文獻[39]基于結構可靠性的概念研究了外部荷載作用下電桿傾倒的問題，總結了海南電網 10kV線路多年運行的經驗，發現電桿的分散性較大，驗證了混凝土電桿的破壞彎矩符合正態分布，并結合海南的氣象條件計算了 10kV電桿的可靠性指標。文獻[40-44]結合我國沿海臺風多發區域電桿災損的基本現狀，對電桿受災的主要原因進行了定性分析，包括：設計標準過低，風力超出設計標準，設施過于老舊、施工質量未達標、電桿質量不佳等；并對提高電桿的防臺風能力提出了建議：提高設計標準，加強防串倒措施，加裝防風拉線，監控電桿制造與施工質量，設立專項技改資金等。

3 存在的問題及相應的解決對策

3.1 存在的問題

當前輸電塔線動力特性的力學模型研究已近較為完備，基本滿足了有限元軟件仿真模擬的需求。現場實測可以為理論研究和風洞試驗提供重要的參考依據，但由于測試費用不菲、現場環境惡劣，現場實測無法經常性開展。當前風洞試驗的研究中己經充分運用了氣動彈性模型和高頻測力天平技術，但由于試驗條件目前受到一定的限制，尚不能達到理想的要求。設計規范多以風速為參考標準，未明確對臺風做出規定，特別是規范中關于微地形的風速修正仍需調整修正。已經將降雨的疊加激勵作用考慮在內，但其作用機理缺乏更深入地研究。

混凝土電桿荷載的理論計算已形成相關規范，軟件仿真方面尚處于起步階段。針對臺風造成的電桿災損進行了較為全面地定性分析，混凝土電桿實際情況復雜多變，風洞模型試驗難以進行全面模擬，研究手段缺乏，難以滿足當前實際需要。

配電線路臺風災損涉及到電氣學、力學、氣象學、地理學、空氣動力學、材料學等，當前研究成果主要是對線路荷載效應進行定性研究，缺乏對其他影響因子作用的評估和定量評價。在配電線路設計規程中，對于影響因子辨識的研究較為薄弱，相關的依據和標準缺乏，現場條件影響因子千變萬化，某些局部防風災治理經驗難以全面推廣，防風設計存在一定困難。

3.2 相應的解決對策

1）收集歷次臺風下配電線路的災損相關信息，基于大量數據梳理歸納出強臺風環境下配電線路的典型災損場景。

2）根據關鍵參數建立以配電桿塔、配電架空線路段為基本單位的災損機理力學分析模型。研究風（雨）荷載、地形地貌、次生災害、施工情況、設備自身材質、使用年限等因素對設備的影響，篩選得到相關的影響因子。

3）構建結合線路臺風故障與其對應的微地形因子、氣象因子及設備信息的典型場景，以已有的力學分析模型為基礎，進行逐步回歸分析，建立配電線路災損回歸模型，完成影響因子的識別研究，分析線路臺風故障與顯著影響因子的定量關系，解析影響因子對線路臺風故障敏感性等級，根據各影響因子不同的權重，進而掌握配電線路災損機理。

4 研究發展趨勢

傳統的對臺風災害毫無應對能力的配電網已經不能完全適應新的發展需求，亟需最大限度地提高配電網抵抗臺風災害性破壞的能力。配電線路臺風災損機理作為一個重要的基礎研究領域，在應用方面有大量空間有待拓展。其發展的趨勢包括以下幾個方面。

1）監測與預警

在配電網應對臺風災害方面，既要對傳統的、面向社會大眾的臺風預警信息服務進行針對性的研究深化，也要依據致災機理與致災規律，從而更加有效地指導監測、預警關鍵技術研發，最大限度地提高電網災害應急處置能力與應急搶修水平。研究配電網臺風臺風災害監測預警體系，為時空無縫隙的氣象災害監測網絡提供了堅實可靠的系統級解決方案，為提升強臺風環境監測、預警及智能化應用提供必要的設計依據與科學經驗。

2）搶修搶建

基于致災機理，結合監測與預警的成果，加強臺風即將來臨和發生后的實時性的致災因素跟蹤，有針對的整合人員和物資設備，深化搶修服務的技術支持能力。做好實時和全面的災情評估，防范次生災害造成的不良影響，及時掌握配網受損情況，成立指揮機構，針對不同階段制定好切實的防災減災應急措施，組織好搶險救災隊伍，利用好搶修物資，爭取系統的的做好各項工作，盡量降低受損程度，及時恢復正常供電。

3）規劃設計

當前配電網規劃設中用可靠性來衡量滿足用戶供電需求的能力，但臺風災害發生概率較小影響卻很大，現有配電網以可靠性為優化目標的規劃已不能滿足應對臺風災害的需要。極端自然災害造成電網大規模故障的事件頻發，使得韌性的概念被越來越多的電力系統研究者關注。配電網韌性是用于評估極端天氣災害中配電網對關鍵負荷的支撐和恢復能力[45]。計算指標作為評價規劃方案優劣的標準和進行優化的目標，在配電網韌性規劃中非常重要。由于規劃的目的是提高配電網自身的災害應對能力，所以基于致災機理，根據災損形成影響因子的權重大小，可以針對性的選取配電網韌性指標，實現配電網韌性規劃。

5 結論

配電網是電力系統的重要組成部分，配電線路臺風災損問題是影響配電網安全穩定運行的重要因素，因此，配電線路臺風災損機理研究是亟待解決的重要課題。本文全面分析了配電線路臺風災損機理研究成果及存在的問題，并提出了相應的對策及今后的研究重點，對未來發展趨勢進行了展望，為增強配電線路抵抗臺風災害性破壞的能力及完善配電線路設計的標準具有重要意義。

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Research Progress of Typhoon Damage Mechanism of Distribution Line

Jiang Sijie1,2Yi Tao2Zhang Konglin3Jiang Xiubo1
(1. College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108;2. Electric Power Reserch Institute of Fujian Electric Power Co., Ltd, Fuzhou 350007；3. Fujian Electric Power Co., Ltd, Maintenance Branch, Fuzhou 350011)

In order to deal with the serious problems of the typhoon attack on the distribution lines,it is very important to study the mechanism of typhoon damage in distribution lines.This paper first introduces the characteristics of typhoon disaster and the main form of disaster. And then summarizes the current situation and achievements of distribution line load from the two categories of transmission tower and concrete pole. Then, it points out the problems and shortcomings in the study of typhoon disaster mechanism of distribution line. At present, the urgent need to study the current situation of typhoon disaster distribution factor identification is pointed out. Finally, the future direction of further research is expected.

distribution line; wind load; disaster mechanism; influencing factor

國家電網公司科技項目（521304170026）