基于低温、暴风雪、冰冻、凝冻突袭输电线路引发事故的分析

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  [摘要]当覆冰线路的直径超过40~60mm(湖南)或500mm(贵州),比成人的手臂还粗,超过或远远超过线路15~30mm的设计值的要求导致220kV/500kV输电线路铁塔倒塔,故障停运,造成特大自然灾害性事故,致使国家电网公司和南方电网公司所属输电线路遭受重创,严重威胁电网安全运行。文章从输电线路的基础、铁塔、金具、导线的振动和舞动、巡检新技术、检修、外力破坏、线路管理等方面进行分析,力求对线路覆冰倒塔事故作一个较好的解释。
  [关键词]暴雪凝冻;超设计值;输电线路;振动舞动;铁塔倒塔;电网安全
  
  1、引言
  
  风雪交加袭神洲抗灾抢险保供电,新年伊始,气温骤降,大雪漫天。我国南方地区出现50年一遇的严重雨雪冰冻灾害天气,尤其是贵州、湖南、湖北、广东、广西、江西等地区电网遭到严重毁坏,事故频发,造成大面积停电,严重影响了国民经济的正常运行和人民群众的生产生活。这是一次和大自然抗争的无硝烟战争。在党中央和国务院的统一部署下,在中央领导同志的亲切关怀下,各级地方党委、政府及电力监管机构和各电力企业(国家电网公司颁发公司令(2008)第1号)全力以赴,全体动员,克服重重困难,组织除雪除冰,奋力抢修受损设施。尤其是人民解放军的积极支援,在极短的时间内尽快地恢复了大部分地区的供电,减少了灾害造成的不利影响,保障了居民生活、医院、学校、铁路(牵引变电站)、交通、广播电视、金融系统等涉及公众利益和重要用户的用电需求,增强了人民群众战胜雨雪冰冻灾害的坚强信心。
  2008年1月12日开始贵州陆续出现暴雪天气,18日以后,全省87个县有76个出现凝冻并由东向西延伸发展成为近53年来最严重的凝冻,至25日贵州电网遭受到雪凝灾害破坏的电力线路已达到2803条,其中500kV/220kV/110kV/35kV/10kV线路11/28/125/34/2297条。
  2008年1月13日以来,湖南遭遇30年一遇到的严寒天气,受雨雪、霜、冻三种灾害气象夹击,线路覆冰层坚硬如钢铁,光滑如玻璃。冰冻导致500kV/220kV/110kV线路跳闸55/163/2000条次,500kV/220kV/11OkV/35 kV线路倒塔89/108/55/200基(杆),9座220kV变电站全停。
  华中地区的河南、湖南、湖北、江西、四川、重庆(直辖市)电网及华东地区的浙江、安徽电网共发生500kV/220kV线路倒塔114/1154基。
  2008年1月22日安徽大别山区普降大雪,气温突降。积极雪达到60-70cm。三峡电力大动脉——500kV宜华直流输电线路安徽金寨张冲段****号塔位覆冰严重,导致相近4座500kV铁塔损毁严重,紧急停运。
  2008年1月26日13时,因线路覆冰太厚、铁塔不堪重负,华电长沙电厂一沙坪变电站500kV线路3基铁塔突然坍塌,致使正在线路上除冰抢险的湖南送变电建设公司的三名员工从50多米的高空坠地,以身殉职。在此我们表示沉痛的哀悼和崇高的敬意。
  在主网受到严重破坏的同时,湖南(其他省份同样)农村配网设备同样遭受重创,至1月26日全省lOkV线路倒杆6837基,断线5652处,断线长度1400km,损坏配电变压器457台,7850个村组4034个台区停电。
  由于我国能源资源与用电负荷的分布极不均衡,以煤、水电为主的电源结构在很长时期内难以改变,电力跨区域大规模输送必然选择超(特)高压输电因为其具有输电容量大、送电距离长、线路损耗低、工程投资省、走廊利用率高和联网能力强等优越性,是满足我国经济快速发展对电力需求迅速增长的必然选择。目前的省级联网方式仍将继续下去。
  
  2、基础设计选型优化原则的确定
  
  2.1基础和上部结构的强度配合
  输电线路是由地基、基础、杆塔、绝缘子和导地线组成的系统,其安全可靠性属于概率理论中串联事件,系统安全程度将取决于概率较低的部分。
  在我国,110~500kV输电线路设计中考虑的故障顺序一般是:
  (1)直线塔;(2)直线塔基础;(3)悬垂绝缘子金具串;(4)转角塔;(5)转角塔基础;(6)终端塔;(7)终端塔基础;(8)导地线;(9)耐张绝缘子金具串。以上各组成部分之间的故障顺序通过了相应的专业设计规范的安全系数或分项系数特性。
  目前按我国规范设计计算得到的各类基础安全度是杆塔部分的1.2倍。
  
  2.2基于可靠度理论的杆塔基础设计
  据统计分析我国50多年来电网运行情况发现,基础出现事故概率小于杆塔倒塔概率。基础出现事故的主要原因集中于地质资料不正确、施工方法不当和外界环境变化等因素。
  目前,输电线路杆塔基础已采用以概率理论为基础的极限状态设计方法,用可靠度指标度量基础与地基的安全性,在规定的各种荷载独立和组合作用以及各种变形要求的限值条件下,满足线路各项安全性要求。基础稳定和承载力采用荷载设计值计算,地基不均匀沉降、基础位移动等采用荷载标准值计算。
  基础上拔和倾覆荷载稳定性计算:基础荷载设计值×基础附加分项系数应小等于基础承载力计算函数。
  基础承受下压荷载时,基础底面处的压应力应满足:基底平均压力设计值应小等于轴心荷载,基底最大压力设计值应小等于偏心荷载。
  
  2.3基础选型原则与要求
  输电线路距离长,跨越区域广,沿徒地形与地质条件复杂,地基性质差异性大。每种杆塔基础形式都有自身的特点和优势,可应用于超(特)高压线路工程的基础形式也是多种多样。经济性、环境保护是超(特)高压杆塔基础设计中需自始至终加以考虑的因素。除此之外还需考虑地质条件、荷载特性、地基和基础承载、施工方法等多种因素。对不良地基可采用特殊的基础形式和地基处理方案。为充分发挥每种基础形式的优点,确定基础方案时应遵循以下原则:
  (1)选用合理的基础结构形式,改善基础受力状态。
  (2)充分发挥地基自身承载特性,因地制宜采用原状态基础。
  (3)注意环境保护和可持续发展战略。
  
  2.4基础形式及其工程技术方案简介
  (1)在无地下水的硬塑、可塑性黏土地质条件和强风化地基岩中采用直柱全(半)掏挖、斜柱全掏挖原状态基础是一种既经济又安全的方法。
  (2)超(特)高压杆塔基础可采用斜插式基础。
  (3)在微风化和中等风化的岩石地基可因地制宜采用锚柱基础(支锚式和群锚式)和嵌固式基础。
  另外还有灌注桩基础,斜坡地形全方位铁塔长短腿和不等高基础,煤矿采用影响区杆塔基础等。
  
  2.5杆塔基础水土保持问题
  (1)基面排水通畅良好有利于基面挖方边坡及基础保护范围外临空面的土体稳定。   (2)护坡通常是沿着塔位周围自然边坡或基面挖方后的缓坡面采用砌块石贴于坡面的原状土上,并用水泥沙浆砌筑、勾缝。
  (3)塔基基面保护和人工植被可保护基面及边坡。
  
  3、超(特)高压输电铁塔
  
  3.1超(特)高压输电铁塔风震动荷载
  超(特)高压输电杆塔高度增加,结构柔度增大,脉动风引起的振动效应增强,需要在结构设计中合理考虑风振动力荷载,增强结构的抗风能力。
  目前杆塔结构设计引入风荷载调整系数(即风振系数)来对此动力效应加以考虑,但系数的选取应能满足超(特)高压输电杆塔对结构安全性和经济性的要求。
  风荷载为输电杆塔的主要可变荷载,它可看作由远离结构自振频率、属静力性质的平均风和与结构自振频率较为接近、具有动力和随机性质的脉动风两部分组成。其中自振频率会使结构产生受迫振动。
  输电杆塔属于高耸结构,自振频率较低与脉动风频率接近,容易发生共振,产生大位移,对结构造成破坏,因而需要在结构设计中考虑风荷载的动力效应,增强结构的抗风能力。
  
  3.2输电线路增容改造中铁塔结构安全评定
  铁塔安全性评定是输电线路的重要环节,铁塔构件锈蚀是铁塔损伤的主要形式之一,往往导致其材料性能劣化和强度降低,从而影响铁塔结构的承载能力,影响结构安全性。
  铁塔构件锈蚀往往导致构件材料力学性能和构件强度的降低,影响铁塔结构的承载能力,威胁输电线路的安全稳定运行。分析铁塔锈蚀构件材料力学性能和不同锈蚀程度的关系,提出了铁塔安全性评定准则和相应的处理及对策和措施。
  
  3.3锈蚀铁塔安全性评定
  按照构件在铁塔结构中所起的作用,铁塔构件可分为主材、斜材和辅材三类。评定主要是主材和斜材,辅材应考虑其构件连接完整性。
  我国输电线路铁塔结构常用的钢材为Q235、Q345、Q390,现行设计标准以材料屈服强度为标准强度,结构应力小于设计强度时结构安全,当构件截面锈蚀使得构件应力达到材料屈服强度时构件发生屈服破坏、结构强度失效,处于不安全状态。
  锈蚀铁塔的安全评定准则和处理对策和措施如下:
  (1)一级构件,无损伤,为完好构件,无需处理。
  (2)二级构件,截面损失率小于10%,需采取必要的加固修复措施。
  (3)三级构件,截面损失率大于10%,为危险构件,建议拆除更换。
  
  3.4铁塔耐张线夹钢锚拉出故障及处理
  220kV铁塔双分裂导线在正常运行情况下突然滑出,导线弧垂大幅度下降,严重危及电网的安全运行,后经停电抢修恢复送电。确认故障原因为:耐张线夹压接施工工艺不符合有关施工工艺规程中的规定,铝管负一模压接位置出现较大偏差,钢锚与耐张线夹铝管没有连为一体,在导线长期荷载和微震动作用下,造成导线钢芯断裂,导致耐张线夹钢锚拉出。
  
  3.5超(特)高压输电线路铁塔的可靠性
  铁塔结构作为输电线路的直接支撑结构,其可靠性关系到整个线路的安全,合理的做法是应以结构构件的可靠概率或可靠指标进行比较,或者是通过一定的推导建立相当安全系数方法来进行比较。
  输电线路铁塔构件的可变荷载有风荷载、冰荷载、导地线荷载等,其中大风荷载是活风荷载即可变荷载是设计中主要考虑的因素。
  对于输电线路用铁塔的基本构件可取轴心受压构件来决定输电线路用杆塔的可靠度设置水平。
  我国500kV普通线路的气象荷载重现期为30年,2级可靠度等级,考虑1.2倍的风荷载调整系数后,其可靠度设置水平达到美国导则的100年一遇的4级结构重要性的可靠度水平;与欧洲标准相比而言,我国500kV线路的可靠度水平相当欧洲标准的150年一遇的2级可靠度等级,这说明与国外同类规范相比我国500kV输电线路是安全的。
  
  4、超(特)高压输电线路
  
  4.1超(特)高压输电线路巡检新技术开发和应用
  超(特)高压输电线路具有铁塔高、线路长、绝缘子串长、绝缘子片数多、运行安全可靠性要求高等特点。现有的传统的定期检查与维护方法已很难适用。以“紫外检测—红外检测—直升飞机”为核心组成的线路巡检新技术系统构想已经提出,它具有安全、快速、准确、灵敏、省时、省力等许多优点,必将成为超(特)高压输电线路巡检现代化的理想工具。
  
  4.2输电线路外力破坏分析与对策
  针对输电线路发生的外力破坏(一般所占比例为20%)的情况,对其规律、特点进行总结,分析原因和存在问题,提出对策。
  输电线路故障跳闸主要分为三大类:
  (1)自然灾害,如雷击、覆冰、台风、鸟粪、环境污染等。
  (2)人为的外力破坏,如斗车、大吊车、挖土机等高大器械碰挂导线等。
  (3)其他原因,如设备本身故障等。
  外力破坏分类及原因:
  (1)输电线路本身性质决定很难彻底防止外力破坏,由于其多为野外露天架设,线路距离比较长,这为运行维护工作带来极大不便,运行维护部门很难在第一时间发现并制止外力破坏。
  (2) 线路保护区内野蛮施工,线路保护区内乱搭建,电力设施遭盗窃。
  希望各级政府及相关部门对电力设施安全问题引起足够重视。加强新闻媒体的宣传力度。建立专业电力设施保护队伍。
  
  4.3超(特)高压输电线路防振
  架空输电线路导线的微风振动是威胁输电线路安全运行的重要因素之一,是线路设计、建设和运行管理部门必须引起高度重视的问题。导线的微风振动超标常常引起导线疲劳断股、金具损坏等,对线路的安全稳定运行造成威胁。通常普通线路通过安装防振锤来防振,一般而言安装1-3个防振锤能有效控制导线和地线的微风振动。大跨越工程由于挂高、档距大、所处地形开阔等特点,水面上空容易形成流风,而且引起导线激振风速的范围广,因此导线微风振动的频率范围宽,而且吸收风能较普通档距线路大得多,所以必须设计专门的防振装置,否则极有可能发生导线断线事故。
  
  4.4超(特)高压输电线路舞动
  架空输电线路的舞动是一种空气动力不稳定的现象,是输电线路导线在不均匀覆冰后在风力作用下以前的一种低频率(约为0.1~3Hz)、大振幅(约为导线直径的20~300倍)的自激动振动,舞动严重威胁架空输电线路的安全稳定运行。
  由于超(特)高压输电线路与较低电压等级的输电线路相比具有导线截面大,对地距离大、档距大、电压等级高等特点,因此防舞动设计也应该与其他线路的防舞动措施有所不同。其设计宜采取将改变覆冰形状,减轻风的激励与采取提高线路稳定性相结合的方法采用已经开发出的二种新型防舞动装置,分别是线夹回转式间隔棒和线夹回转式间隔棒双摆防舞器。
  线夹回转式间隔棒是通过特殊的设计使得间隔棒的部分线夹可以自由或在一定的角度范围内回转,以达到
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