一起下擊暴流導致500kV輸電線路倒塔事故原因分析

王振國，劉 黎，周嘯宇，劉 巖，倪宏宇，李 特，潘 鋒，李丹煜

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007；3.國網浙江省電力有限公司紹興供電公司，浙江 紹興 312099；4.中國能源建設集團浙江省電力設計研究院有限公司，杭州 310012；5.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192）

0 引言

架空輸電線為風敏感結構，具有柔性大、阻尼小的特點，且點多面廣，分布范圍廣泛，易受強風影響。其中強對流引發的雷暴大風對輸電線路安全穩定運行的影響尤其顯著[1-4]。雷暴天氣下，云層中的水滴及冰晶下落過程中，其表面產生的摩擦會帶動四周的空氣下沉，并逐步增強下墜力從而產生下降氣流，高空下降的冷氣流在到達地面時會水平展開，形成猛烈陣風。澳大利亞對輸電桿塔倒塔事故的調查發現，90%的倒塔事故與雷暴強風有關。南非、美國、澳大利亞等國家統計發現，80%以上天氣因素導致的倒塔事故與局地雷暴強風密切相關[5]。

雷暴可以分為單體雷暴、多單體雷暴、颮線及超級單體雷暴四種類型。下擊暴流作為雷暴大風的一種，又稱為雷暴沖擊風，是由雷暴云中局部性的強下沉氣流到達地面后產生的直線型大風，最早由氣象學家藤田哲也發現并命名，其典型特征為高度輻散的直線大風或者曲線型大風，山地和丘陵地區是下擊暴流的多發區域[6-8]。區別于臺風，下擊暴流無固定影響區域，具有局地性、小尺度、突發性特點，現有的監測預警能力無法實現有效預警。目前國內的輸電線路設計規范中亦不考慮下擊暴流，線路設防水平有限[9-10]。近年來隨著全球變暖，強對流天氣頻發，下擊暴流等強對流天氣對輸電線路的安全穩定運行威脅不斷加大。

目前國內已有眾多學者關注到下擊暴流對輸電線路運行的危害，并開展了相關的理論研究[8-10]。然而由于國內對下擊暴流的研究起步較晚，早期輸電線路倒塔事故分析中強對流天氣引發的災害大風通常只劃分為龍卷風和颮線風兩類，未能進一步有效識別下擊暴流，因此國內少有報道下擊暴流引發輸電線路故障[11-14]。

本文針對一起下擊暴流導致的500 kV 輸電線路倒塔事故開展分析，結合現場調查及桿塔力學分析，判斷此次倒塔為下擊暴流導致。分析結果可為后續研究下擊暴流作用下的輸電線路失效機理提供參考。

1 事故基本情況

1.1 事故概述

2021 年5 月14 日晚，紹興地區出現強對流大風天氣，22:15:06，500 kV 某線路B 相故障，0.7 s 后A 相故障，線路三相跳閘，故障測距6.5 km；5 月15 日00:15，強送失敗。該線路于1997年12 月投運，線路全長48.677 km，共102 基桿塔，全線單回路架設，平均高程250 m，設計風速27 m/s（離地10 m 高）。故障段導線采用4×LGJ-400/35，地線采用LGJ-95/55 及OPGW-120，設計風速27 m/s，設計覆冰厚度10 mm，與現行風區圖、冰區圖匹配。采用的桿塔設計風速、導地線與工程使用一致，設計水平檔距、垂直檔距、轉角度數與工程實際使用情況如表1 所示。對14—19 號桿塔在27 m/s 風速下按工程實際使用條件進行校驗，各桿件均不超載，滿足規范要求。

表1 桿塔設計條件及使用條件

1.2 現場勘查及桿塔受損情況

對線路受損情況進行檢查巡視發現，故障線路14—19 號共6 基塔受損，其中：14 號、17 號、19 號塔塔身上部扭曲受損；16 號塔受損最嚴重，主材完全變形傾倒；15 號、18 號塔橫擔受損，基礎無異常；受損線路14 號、15 號、17 號、18 號、19 號塔周圍植被無明顯損傷，與該線路平行架設、中心距離60 m 的某500 kV 線路未發現損傷情況；緊鄰16 號塔附近有大量的樹木傾倒，樹木大面積折損或連根拔起；17 號塔附近存在樹木倒伏情況。具體受損情況如圖1—圖5 所示。

圖1 14 號塔、15 號塔受損情況

圖2 16 號塔塔身受損情況

圖3 17 號塔塔身及附近植被受損情況

圖4 18 號塔塔身受損情況

圖5 19 號塔塔身受損情況

故障桿塔所屬耐張段為11—40 號段，耐張段長度14.871 km，屬于超長耐張段。故障區段，最大檔距段為18—19 號檔，檔距984 m，其次為16—17 號檔，檔距637 m；最大高程差檔距段為16—17 號檔，高程差67 m。導線風荷載較大檔段為16—17 號檔與18—19 號檔。

2 事故原因分析

2.1 強對流天氣背景

氣象監測顯示，14 日浙北地區和浙中的西部地區午后到夜里出現8～10 級局地11～12 級雷雨大風、強雷電、短時暴雨等強對流天氣。氣象雷達監測數據如圖6 所示，可以看出22:10—22:20有強回波移動至故障區域，最大強度達到61 dB，說明故障區段存在強對流天氣，具備引發局部大風氣象條件。故障區段所在的柯橋區監測到風速33.7 m/s（12 級），監測點位于距離故障區段16.5 km 的平原地區。線路故障區段沿山脊走線，基本走向為東北—西南走向，位于浙中延綿山區，周圍植被茂盛。故障桿塔多位于迎風面的最高點，除14 號桿塔外，其他桿塔附近地形多以山頂、山梁為主，強對流天氣過程中，山頂風場加速效應明顯。

圖6 故障區域雷達回波監測

2.2 氣象原因分析

雷暴大風按其形式可以分為直線風和龍卷風。其中直線風指造成風災且移動路徑為直線的地表風，與移動路徑為曲線的龍卷風相區別[1]。災損現場16 號、17 號塔附近樹木就地折斷倒伏，并無移位現象，災損點間無連續通道，不符合龍卷風造成的災損特點，排除強對流引發龍卷風災害的可能性。本次大風天氣受災點的分布范圍較小，并且較為分散，災損點樹木倒向具有明顯輻散特點（圖7、圖8）。結合故障點樹木零星折斷等跡象，高度符合強對流天氣中的下擊暴流引發災害空間分布不連續、多尺度和強災害時空尺度小等顯著特征，判斷為強對流天氣引發下擊暴流，下擊暴流引發的強風疊加主導風引發此次大風災害。16 號塔附近出現較大硬木樹干折斷，如圖9所示。參考氣象EF 等級對風災的定級標準，此次下擊暴流強度最強達EF2 級，現場瞬時風速可能已超過50 m/s[15-16]。

圖7 16 號塔附近樹木倒伏情況

圖8 故障區段樹木受損區域

圖9 16 號塔附近出現較大硬木樹干折斷

2.3 跳閘與桿塔受損過程分析

1）同通道某500 kV 線路風偏跳閘

與倒塔線路同通道的某500 kV 線路17 號塔于22:15:05:186 發生風偏跳閘，跳閘時間比倒塔線路跳閘時間提前1 s，且發生風偏跳閘的17 號桿塔位于倒塔線路16 號桿塔西側，距離約為92 m，說明兩條線路均是在由西向東大風作用下發生的懸垂串風偏對塔身放電閃絡。發生風偏跳閘的17 號塔距離倒塔線路16 號塔約92 m，未受到下擊暴流影響，故未發生線路本體受損。經計算，發生風偏跳閘線路17 號塔發生兩相風偏的風速至少為28.7 m/s，倒塔線路16 號塔發生兩相風偏的風速至少為28.2 m/s，說明倒塔故障發生時存在自西向東、風速至少為28 m/s 的大風。

2）倒塔線路跳閘

根據氣象臺站信息，故障區域14 日夜間主導風向為西風，在故障發生時間段氣象站記錄到最大風速，說明故障時刻在由西向東大風作用下，倒塔線路發生B 相、A 相相繼風偏跳閘。在風偏跳閘停運后，22:15:10—22:15:14 之間倒塔線路16 號塔北側發生下擊暴流，給倒塔線路16 號塔帶來了更大的疊加風荷載，導致16 號塔嚴重受損。16 號塔附近受下擊暴流沖擊后的風向如圖10 所示。

圖10 16 號塔附近受下擊暴流沖擊后的風向

3）跨越220 kV 某同塔雙回線跳閘

與倒塔線路交叉跨越的某220 kV 同塔雙回線路分別于22:15:21，22:15:22 發生故障跳閘，兩回線路故障時間比倒塔線路跳閘時間晚約15 s。巡視發現倒塔線路17—18 號檔掉落導線導致其跨越的220 kV 某同塔雙回線發生故障停運（圖11），故判斷倒塔線路受損時間可能發生在22:15:10—22:15:14 之間，并在7～10 s 時間內引起17 號、18號塔受損，導線掉落，引起下方的220 kV 同塔雙回某線路發生接地故障跳閘。全部線路受損時序如圖12 所示。

圖11 倒塔線路掉落導線導致跨越的220 kV 某線停運

圖12 線路受損過程時序圖

結合故障現場查勘，倒塔線路的14 號、17號、19 號3 基塔塔身上部彎曲受損，16 號塔受損最嚴重（從塔腿底部傾倒），15 號、18 號塔橫擔受損，以上桿塔基礎均未受損。各受損桿塔彎折及受損方向如圖13 所示，全部朝東南方向，基本與16 號塔一致。結合各塔抗風能力仿真計算和現場實際損毀情況，判斷16 號塔為本次事故首基受損桿塔。

圖13 倒塔線路桿塔彎折及受損方向

倒塔線路的具體受損過程如下：

1）在倒塔線路16 號塔小號側：16 號塔受風力作用側向倒伏，由于導地線未斷，鄰近的15號直轉塔受側向風荷載、側向拉力和縱向不平衡張力差共同作用，導致局部塔頭向內角側拉出；14 號塔由于距離15 號塔較近（檔距120 m），承受側向風荷載和側向拉力，導致塔身部折斷；13 號塔承受的傳導側向拉力減弱，且縱向不平衡張力也未超設計條件，因此未受損。

2）在倒塔線路16 號塔大號側：16 號塔受風力作用側向倒伏，17 號塔受側向拉力和風力同時作用，塔身上部側向倒伏。由于17 號塔受損，導致17—18 號檔張力釋放，18 號塔受側向拉力和縱向不平衡張力作用，導致18 號塔頭往偏大號方向側向傾倒；18 號塔塔頭傾倒后導致18—19號檔張力釋放，19 號塔縱向不平衡張力超設計條件，19 號塔塔頭往大號側傾倒；20 號塔縱向不平衡張力未超設計條件，故未受損。

2.4 桿塔力學狀態仿真計算分析

按常規桿塔設計方法對受損桿塔區段進行設計校驗（考慮荷載分項系數），結果如表2 所示：16 號塔受損風速臨界值最小，為33 m/s，其抗風能力相對較弱；15 號塔受損風速臨界值最大，為42 m/s；14 號、17 號、18 號、19 號塔受損風速均大于33 m/s。

表2 桿塔受損風速（離地10 m 高，10 min 平均值）

為進一步明確16 號塔倒塔原因，對16 號塔結構受力進行仿真模擬，若垂直倒塔線路方向風速按28.2 m/s（發生兩相風偏時的風速）考慮，當順線路方向自北向南給16 號塔身疊加33 m/s 風速（故障區域實測最大風速）時，該工況下該塔應力比超限部位為2 號腿底部兩節主材，此時該兩節主材應力比達到1.02～1.03。由西向東的橫向風和由北向南的下擊暴流大風都會使2 號腿主材受壓，對其形成了受壓內力的疊加，成為4 根主材中壓力最大的一根。根據計算結果，底部兩節主材的應力顯著大于其余段主材的應力，并已超限。因此在西側橫向風和下擊風作用下，2 號腿底部兩節主材會首先達到承載力極限，形成失穩破壞。

當2 號腿底部主材失穩后，失穩主材將成為無效構件，鐵塔內力分布如圖14 所示。2 號腿主材從上至下將基本失去承擔受壓的能力，大部分壓力將轉由1 號腿主材承受，1 號腿底部主材很快也會因內力超限而失穩破壞。從2 號腿主材失穩退出工作到內力重分布導致1 號腿主材失穩，整個過程是在很短時間內完成的，因此倒塌模式上接近于1 號、2 號腿主材同時失穩破壞。計算模擬結果顯示鐵塔整體以向側面傾覆為主，并未表現出明顯的前后方向傾覆。結合氣象過程分析和仿真分析，判斷16 號塔嚴重受損是在由西向東的主導風疊加瞬時下擊暴流大風共同作用下引發。仿真得到16 號塔倒塔時鄰近15 號塔和17號塔的不平衡張力分別為267 kN 和223 kN，均超過桿塔塔頭屈服強度，導致15 號塔和17 號塔受損。與此同時，13 號塔和20 號塔不平衡張力分別為58 kN 和73 kN，小于桿塔塔頭設計應力值，未發生桿塔受損。

圖14 16 號塔2 號腿失穩后軸力云圖

3 結語

本文針對一起下擊暴流導致的倒塔事故進行了分析。在下擊暴流作用下，由北向南的下擊暴流大風與由西向東的主導大風風荷載共同疊加在倒塔線路16 號塔上，超過塔材承受極限而導致桿塔嚴重受損。16 號塔受損后，受側向風荷載、側向拉力和縱向不平衡張力差及風力共同作用，引起14—19 號塔受損。同通道某500 kV 線路在由西向東主導大風作用下發生了懸垂串風偏對塔身放電閃絡，但由于發生風偏跳閘桿塔距離下擊暴流較遠，未受到下擊暴流影響，因此未發生線路本體受損。

為提升輸電線路抵御下擊暴流等非典型強對流大風能力，一是提高輸電線路防風設計水平。收集和分析輸電線路附近氣象臺站監測數據及歷史風害故障數據，開展輸電線路風險評估，針對風害高發區域，考慮下擊暴流等災害大風的影響，適當提高設計水平。二是提升電網強對流大風災害監測預警能力。針對下擊暴流等強對流大風具有時間和空間尺度小、突變性強的特點，綜合利用衛星、雷達等多源數據，建立災害預警機制，提前采取有效應對措施。