提高沿海台风区500 kV输电线路抗风能力措施

（国网福建省电力有限公司检修分公司 福建福州350000）

0 引言

目前500 kV电网网架已成为福建省内南北电力交换的主通道，形成了全省大环网和“沿海双通道”的500 kV骨干电网。根据福建省电源点及负荷中心分布特点，500 kV主网架大部分位于沿海地区。

福建地处我国东南沿海，海岸带南北长530多km。受菲律宾东北海面生成的热带气旋影响，平均每年有3～5个台风在福建沿海登陆，常导致输电线路发生杆塔损坏及倒塔等机械过载事故、跳线（含跳线串）及悬垂串风偏跳闸、金具绝缘子串磨损及掉串，给输电线路带来严重损害［1-5］。

2015年第13号超强台风“苏迪罗”在福建莆田登陆，中心附近最大风力达到13级（38 m/s），导致500 kV输电线路共6条线路（9条次）跳闸，重合成功3条次，重合不成功的6条次。2016年第14号台风“莫兰蒂”登陆厦门，登陆时中心最大风力15级，造成500kV厦沧Ⅰ、Ⅱ路和500 kV漳泉Ⅰ、Ⅱ路7基500 kV铁塔破坏，同时导致500 kV线路跳线风偏跳闸11条次。2018年第8号台风“玛莉亚”在福建宁德登陆，造成500 kV川崇Ⅱ路#75塔上相变下相跳线的下跳线横担根部断裂，并造成500 kV川崇Ⅰ路#147和川榕Ⅱ路#10、#57、#63发生跳线风偏跳闸。

为提高沿海500 kV主干输电线路运行可靠性，有必要结合500 kV线路的特点，研究提高其抵御台风灾害能力的技术措施。

1 台风灾害机理

1.1 杆塔损坏及倒塔

杆塔在台风作用下发生损坏及倒塔事故与风速、杆塔设计标准、杆塔所处地理位置、微地形微气象条件等因素相关。台风风速超过了杆塔设计的抗风标准是造成杆塔倒塌的主要原因，以2016年“莫兰蒂”台风为例，台风登陆时中心附近最大风力有15级，倒塔事故段附近实测风速10 min平均最大风速42.9 m/s、瞬时最大风速63.1 m/s。受损的7基500 kV线路杆塔全部位于台风路径中心两侧5 km内，最近的倒塔位置距离台风路径中心约600 m。大风导致杆塔角钢构件受力远超其承载力，最后失稳破坏。

1.2 风偏跳闸

风偏闪络跳闸主要由导线悬垂绝缘子串和跳线（串）的风偏角过大导致空气间隙距离不足所致。风灾事故调查及相关的运行资料显示，福建沿海地区的500 kV线路风偏闪络事故以耐张塔跳线（串）风偏居多，直线塔风偏闪络次之。风偏跳闸主要原因为：

（1）风速超设计条件。台风风荷载作用下悬垂串和跳线串风偏角超过了设计值，造成带电部分对塔头或塔身电气间隙不足。

（2）台风时常伴有暴雨，暴雨在强风作用下会沿风向形成间断型水线，如果水线方向与闪络路径相同，将使间隙的击穿电压明显降低。

（3）台风所产生的虹吸效应也加剧了风偏闪络。

1.3 绝缘子掉串和金具损坏

（1）绝缘子掉（断）串。在风灾事故中，绝缘子发生掉（断）串的概率低于风偏闪络，但掉（断）串事故的抢修时间往往较长，影响严重。球碗连接结构（带R或W销）是最为灵活的绞接结构之一，运行经验丰富，安装方便，因此在V形串绝缘子和金具的连接中得到广泛应用。但从理论上讲，只要存在风的作用，球头和碗头之间就会发生摩擦，导致磨损；当风速较大、风作用的频次较高且联结金具转动不灵活时，则会加剧球碗间的磨损；磨损累积到一定程度后，就易引起R（W）销变形和球头受损。

（2）金具磨损。输电线路连接金具除承受导线自身的重力、张力外，还应考虑风载荷引起的循环、弯曲、扭转应力。金具长时间承受不规则的风力的交变荷载作用，造成金具疲劳损伤，在达到一定程度超过材料的断裂强度时将形成失效［6］。此外，对于沿海大风盛行区域而言，由于环境、气候的因素，连接金具容易出现不同程度的磨损。

2 抵御台风灾害措施

2.1 路径选择

（1）避让台风区及微地形区。台风灾害统计分析表明，目前福建沿海500 kV线路故障主要分布在沿海半岛、平原、沿海向内陆方向的第一重山地高海拔处，且事故点一般在海岸线往内地方向15 km以内。此外，高山风水岭或垭口、峡谷风道、抬升型地形的迎风坡等区域容易发生局部风速突增效应，引起风偏闪络事故，成为线路安全运行的隐患。新建线路宜避开上述区域，当无法避让时应充分考虑台风的影响并采取必要的差异化加强措施。

2014年1月至2015年8月我院对68例复杂胫骨平台粉碎性骨折合并三柱损伤患者进行了分析研究,我们将患者分成了对照组和观察组,均有34例,两组的一般性资料对比不存在统计学差异性,能够进行对比分析。

（2）避免大档距、大高差及前后档距悬殊情况。导、地线受温度变化或者风压时，将在大高差或档距相差悬殊的杆塔上产生较大的纵向不平衡张力。在台风等极端天气下，当杆塔承受的水平荷载接近限值时，叠加的纵向不平衡张力使得杆塔承担的实际综合荷载超出设计值，从而导致杆塔发生损坏。

（3）缩小耐张段长度。由于各档档距分布不均，各档的地形、高差也不尽相同，各相邻的直线档间存在不平衡张力，该不平衡张力逐档累积后将导致耐张段末端的直线塔和耐张塔承受较大的不平衡张力。当发生断线或者倒塔等严重事故，可以控制事故范围，减小抢修复电的作业范围。强风区域新建线路建议将耐张段长度控制在3～5 km。

2.2 设计风速取值

（1）充分收集国家气象站、国家海洋站和有关行业设立的专用站的风速、风向资料，并开展台风（大风）灾害的调查。

（2）收集的原始资料需进行代表性、可靠性和一致性分析，对特大风速值可通过天气系统分析、重现期分析、地区比审、气象要素相关 （如极端最大风速的变化与气压突降的关系）、查阅史籍记载等方法，进行科学客观、合理严谨的审查。

（3）当工程地点与参考气象站海拔高度和地形条件不一致、气象站资料对工程地点的代表性较差时或风区图无法表示的局部地形，必须根据地形条件进行订正，并搜集调查沿线微地形、微气象区的影响和风速变化特征。按工程实际情况进行大风调查和对比观测，分析订正附近气象参证站或风区图的设计风速至工程地点。无法得到可靠资料的地区，受微地形、微气象影响塔位的设计基本风速宜较普通塔位提高不小于10%。

2.3 防风导线选型

作用于架空线路导线的风荷载约占整个输电线路受到风荷载的50%～70%，杆塔需承受导线及杆塔本身受到风荷载的联合作用，因此导线的风荷载对杆塔的设计强度影响重大。在保障线路安全性的前提下，采用防风导线可以减少导线的风荷载及工程投资。

目前防风导线主要有型线、低风压导线等两种。

（2）低风压导线。低风压导线是一种架空输电线路用的特种导线，通过对导线表面结构进行特殊设计形成一定 “粗糙度”，使迎风侧边界层分离发生在超临界区，从而降低导线的风阻系数［7］。研究表明，低风阻导线的风压只有常规导线的60%～70%左右。图1为低风压导线的结构图。

2.4 铁塔设计优化

（1）采用雁翅塔。直线塔采用抗风能力强的3 V型绝缘子串，横担设计为雁翅状（见图2），比常规横担层高降低0.4 m，走廊宽度减小约27.45%，电气间隙紧凑、结构受力合理，每层横担宛如大雁的翅膀，造型灵动优美。

（2）应 用 Q420 高强钢管。铁塔主材采用Q420钢管，风压体型系数仅为角钢的65%，减小塔身风荷载作用，提高线路的抗风能力，铁塔重量降低约10%，基础作用力减小约8%。

（3）合理布置横隔面。模态分析和抗风拟静力分析表明，根据标准［8］设 计 的 杆 塔 ，由 于横隔面数量的不足，塔身第一、二塔段斜撑产生较大的平面外位移。局部振型和平面外位移同时出现在塔身第一、二塔段斜撑上，而风荷载本身又是一个动力荷载，导致在该部位出现斜撑失稳及倒塔事故。

塔身变坡以下增加两处横隔面（见图3），抗风极限承载力提高10.5%，次弯矩减小48%，交叉斜撑最大变形由40 mm左右控制到2 mm左右，保证了其对主材的有效约束，使主材的弯扭失稳得到抑制，提升塔身的抗风承载力和变形能力。增加塔身横隔面前后内力对比情况见图4所示。

2.5 金具串优化

（1）直线塔V型串设计及优化。复合绝缘子两端采用环环联结形式，能有效解决台风区V型串易发生球头、碗头脱落的问题。此外，通过提高V型串外肢金具的强度，当内肢发生断串时，外侧肢变为悬垂I串，可以继续承受导线荷载而不至立即放电，给巡检人员提供充足的抢修时间［9］。

（2）采用鼠笼式刚性跳线。目前500 kV转角塔中普遍采用加装1～2串跳线绝缘子串并加装重锤片的方式以增加跳线串的垂直荷重，由于台风的脉动性及瞬时性，该跳线串型式仍难以避免跳线风偏跳闸的发生。刚性跳线是将引流线弧垂部分采用刚性固定（见图5）。相对于软跳线，刚性跳线美观、整体自重大，鼠笼式刚性跳线风偏角较常规跳线减少近30°，有效防止台风作用下转角塔引流线风偏闪络跳闸的发生。

（3）联塔金具优化。联塔金具受力方向变化较多，可能是顺线方向也可能是垂直线路方向，受力较为复杂。耐张串、悬垂串联塔金具由常规的U型挂环优化为GD板、EB耳轴挂板，保证金具转动灵活、强度高，有效避免台风风场的瞬时性和连续性导致的导线强烈摆动及挂点金具疲劳断裂（见图6）。

（4）耐磨型金具的应用。沿海大风盛行区域由于环境、气候的因素，连接金具容易出现不同程度的磨损，尤其是环环连接的部位，磨损更为严重，因此大风区金具因采用耐磨材料，推荐螺栓及锻造类金具采用耐磨材料以提高金具的寿命，保证金具的安全可靠性。悬垂线夹螺栓及锻造类金具采用35CrMo材料，提高金具的安全可靠性及使用寿命。

（5）预绞丝式防护金具应用。预绞丝式阻尼间隔棒借助预绞丝将导线固定，将导线上的风振能量通过预绞丝最大限度的传递给间隔棒回转轴，利用橡胶阻尼部件很好地吸收了振动能量。

预绞式防振锤主要特点是基本解决防振锤采用普通线夹长期运行容易滑移的问题，保证了防振效果及设备的使用寿命。防振锤锤体本身采用高强度的合金钢，表层镀锌，既能防腐又能防风，线夹本体采用铝合金，能够降低连接处的接触电阻，减小电能损耗。

2.6 安装台风区杆塔力学监测平台

在易遭台风破坏的杆塔上安装力学监测装置（见图7）。在输电塔关键部位布置振弦式应变计，实时监测测点应变；在输电塔布置精密倾斜监测仪，实时监测输电塔倾斜变化情况；在塔身不同高度安装测风仪，捕捉实时风速与风向。实现同步采集风速、风向、位移、杆塔应力，通过无线传输模块将所有数据传递到监测平台，通过PC终端软件及手机APP实时对数据进行监测并预警。

通过数据分析，可以得到台风风场下实际杆塔受力特征，这是风洞试验、数值模拟都无法取得的真实数据，再进一步利用这些数据分析台风对杆塔的破坏机理，总结台风风场下的杆塔设计方法。

3 结论

针对台风导致500 kV线路发生杆塔损坏、风偏闪络、金具损坏等方面事故的机理，可采取以下措施提高线路抵御台风灾害的能力。

（1）路径选择时应避让台风区及微地形区，避免大档距、大高差及前后档距相差悬殊的情况，缩小耐张段长度。

（2）设计风速应在区域大风调查的基础上，通过当地气象站统计风速计算及风压反算，参考附近已建工程的设计及运行情况，经综合分析后确定。

（3）采用型线、低风压导线等防风导线，可以减小导线的风荷载及工程投资。

（4）铁塔方面，可采用雁翅塔、应用Q420高强钢管、合理布置横隔面等措施，提高铁塔整体刚度。

（5）金具及绝缘子串方面可采用V型串环—环连接结构、鼠笼式刚性跳线、耐磨金具、预绞式金具等措施。

（6）在易遭台风破坏的杆塔上安装力学监测装置，记录实际杆塔在台风作用下的受力特性，验证提高杆塔抗风能力措施的有效性并积累经验。