极端天气下电网塔架的安全与防护

李 军，孙小平，苗 兴，张 昕，王 斌，高 健

（国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730050）

极端天气下电网塔架的安全与防护

李 军，孙小平，苗 兴，张 昕，王 斌，高 健

（国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730050）

针对西北地区电网的安全稳定运行易受极端气候影响的情况，分析了冰雪天气、大风(沙尘)天气对电力设备的危害，通过试验结果分析了倾覆塔架样品的厚度、成分、机械性能，总结了塔架失效的原因，提出了应对极端天气、增强电网防御能力的措施和方法。

极端天气；电网；塔架

1 概述

随着国家电网特高压项目的快速建设和全力推进，西北地区电网逐步成为国家电网的关键枢纽，承载着甘肃河西地区风电和新疆自治区电力的大规模外送任务。由于西北地区电网跨越地域广阔，局部区域经常出现沙尘暴、大风、暴雪等极端天气，严重影响电网的安全运行。

据报道，1986—1990年间，加拿大Alberta电力公司33 %的停电事故是由恶劣天气引起的，240 kV线路上45 %的故障发生在恶劣天气条件下。随着全球变暖现象的加剧，极端天气的频率和强度也逐步提高。因此，关注极端天气下区域电网的安全稳定运行，并提出相应防护措施，显得尤为重要。

2 极端天气的影响分析

2.1 冰雪天气

冰雪灾害主要影响电网中的输变电线路。如输电线路的导线、地线、塔架等，当其覆冰过重时，极易处于临界应力状态，再加上导地线融冰、大风原因造成的载荷冲击，易发生输电线路断线、塔架倾覆等事故。除此之外，周围的树木因承受不了冰雪重量而发生倾倒压在输电线路上，将造成线路接地、跳闸事故，严重时会发生导线断裂进而导致横担变形、拉脱或金具失效、变形等。

2.2 大风(沙尘)天气

大风(沙尘)主要会引起电网中高压输电线路绝缘体短路，造成线路、导线、复合绝缘子等部件舞动剧烈，塔架局部位置会因承载超过临界应力而发生塑性变形、折弯、倾倒等，导致输配电线路跳闸。除此之外，大风(沙尘)不仅会造成空气的介电常数增大、电阻率减小，使其产生强烈的电场活动，还会改变输电铁塔塔头电场分布。国外研究人员通过实验研究，发现大风(沙尘)会使空气间隙的冲击放电电压降低。因此，大风(沙尘)有可能是造成导线工频电压下空气间隙闪络放电的原因。

3 极端天气引起的事故案例分析

3.1 冰雪天气引起的事故

2013年，西北地区某330 kV线路因覆冰严重造成铁塔扭曲倾倒故障。根据国家电网公司《角钢塔抽检作业规范》及其他相关标准要求，对此次事件塔材关键部位的样品(见图1)进行了检测和分析。经外观检查及尺寸测量，塔材镀锌层及表面状况完好，材料选用规格与原设计相符(见表1)。

图1 塔架样品

表1 铁塔样品厚度测量mm

从成分分析结果(见表2)看，抽取样品所含元素及含量与标称牌号(Q235)相符，满足相关标准要求。

表2 铁塔样品成分分析测量%

机械性能试验结果(见表3)显示，抽取样品常温机械性能均符合GB/T700—2006《碳素结构钢》、GB/T1591—2008《低合金高强度结构钢》标准要求。金相结果显示：抽取样品基本组织均为铁素体和珠光体，组织均匀，未发现有超标夹杂物和异常组织存在。

表3 铁塔样品机械性能试验结果

3.2 大风(沙尘)天气引起的事故

2011年，某地区330 kV线路因大风(沙尘)天气造成变电站门型架横梁跌落，铁塔扭曲折弯，线路PT、避雷器等设施严重损伤，线路短路进而造成母线失压、主变跳闸。

对扭曲折弯的塔架关键部位抽取样品(图2)进行试验检测。结果显示塔材规格与设计参数相同，壁厚偏差在公差允许范围之内，塔材样品化学成分、力学性能等试验结果的各项性能指标均满足相关标准的要求。金相结果显示：塔架抽取样品基本组织均为铁素体和珠光体，组织均匀，未发现有超标夹杂物和异常组织存在。

图2 塔架样品

3.3 事故结论

综合上述试验结果，可得出以下几点结论。

(1) 受损的铁塔取样样品规格与设计参数相同，壁厚偏差在公差允许范围之内，且其化学成分、金相试验组织、力学性能试验结果的各项性能指标均满足相关标准要求。

(2) 样品断口一般发生在塔材螺栓孔、变截面等薄弱及应力集中部位，塔材样品断裂受力部位在断裂前均产生了明显的塑性变形，未发现有脆性断口的迹象。

(3) 塔材在断裂前承受了很大的弯曲和扭转应力，超过了材料的断裂强度，引起应力聚集产生变形、开裂，致使整个铁塔倾覆。

4 措施和建议

电力系统作为一种极其庞大的人造系统，其所处环境的气象条件是电网安全运行的重要因素。由于全球变暖显著地改变了电力系统的运行环境，影响了电网的安全稳定运行，所以应该采取合理措施防止类似事故的再次发生。

4.1 提高设计标准

电网规划设计单位应该改变以往的设计标准，对重要关键枢纽电网应考虑按百年一遇的标准设计。另外，对局部气象环境恶劣的区域，应提高铁塔使用的拉线、横担、金具等级和规格，必要时加装撑脚、连扳等附件，以提高铁塔的安全裕度。

4.2 采用最新技术

采用最新技术、新产品对关键区域电网设备的运行状态和气象环境实行在线检测，提高输电线路、塔架对极端天气的防御能力。通过局部网络定时将局部区域温度、风速、风向、沙尘浓度等数据传送到数据中心，以利于掌握气象状况，便于组织力量，采取科学、合理补救措施，确保输电线路安全、可靠运行。

4.3 开发电网塔架运行仿真系统

根据不同的地域特点、气象环境、铁塔的实际运行状态，开发电网塔架运行仿真系统。通过计算机系统模拟分析各种极端天气下电网塔架等关键设备的承载受力状态，并对塔架薄弱部位(变截面或螺栓孔等部位)及时进行改造、加固，提前预防极端天气下倒塔故障的发生。

4.4 完善极端天气下的应急机制

保持信息渠道的通畅，完善极端天气下的应急机制非常重要。气候环境的变化反复无常，在发生强对流、暴雪(雨)冰冻、沙尘暴等天气时，应该加强与当地政府、气象等相关部门的沟通。通过建立应急响应平台，及时获取气象部门实时提供的预测的降雨量、风力、温度和实际的气象环境参数。根据预警等级，制定抢修方案，组织实施，并合理调整电网运行方式和负荷，尽最大可能降低极端天气造成的人力和物力损失，保证电网设备安全平稳运行。

1 林建勤．建立科学高效的电网防台风暴雨应急机制[J]．供用电，2007(4).

2 吴向东，张国威．冰雪灾害对电网的影响及防范措施[J].农村电气化，2009(1)．

3 苏 盛，李银红．电网故障自组织临界性及其在应对极端天气中的应用[J]．中国科学，2009(3).

孙小平(1966-)，高级工程师，主要从事电力设备、材料的无损检测及失效分析。

苗 兴(1958-)，男，高级工程师，主要从事电力设备、部件寿命评估与材料理化检验分析。

张 昕(1965-)，男，高级工程师，主要从事电力设备、部件寿命评估与材料理化检验分析。

王 斌(1965-)，男，高级工程师，主要从事电力设备、部件寿命评估与无损检测分析。

高 健(1981-)，男，高级工程师，主要从事电力设备、材料的无损检测和失效分析。

2014-11-02。

李 军(1981-)，男，高级工程师，主要从事电力设备、材料的无损检测及失效分析，email：564899130@qq.com。