台山沿海220 kV线路直线塔抗风加固方案研究

陈 亦

0 引言

2008年9月24日晚，受热带风暴“黑格比”影响，台山电厂4回220 kV出线铜唐甲、乙线，铜水线、铜能线先后跳闸，重合不成功，强送成功后又跳闸。巡查结果分析认为，故障是由于铜唐甲线#5塔等直线塔的绝缘子串在台风的作用下风偏过大，导致导线对杆塔工频电气距离不足，造成放电跳闸。台山电厂是江门乃至珠三角的重要电源，为保证电源送出，有必要对上述故障原因进行分析，提出改进方案，避免同类故障再次发生。

1 故障过程

9月24日上午，第14号热带风暴“黑格比”在茂名市电白县陈村镇沿海地区登陆，登陆时中心附近最大风力15级，阵风17级。根据气象台资料，台山电厂附近的瞬时风速达到了51.6 m/s，为近年罕见。在本次台风中，铜唐甲、乙线，铜水线、铜能线先后多次跳闸，台风造成上述线路停电时间1～10 h不等，严重影响了台山电厂电能的送出。经故障查找发现，铜唐甲线#5塔（Z633-21）、铜唐乙线 #5（Z633-21）塔导线边相（C相）对塔身多次放电，导线轻微灼伤，但不影响线路运行；铜水线#7塔（Z634-30）导线边相（A相）对塔身放电，#7～#8塔三相的双分裂子导线缠绕；其他杆塔没发现异常。台风过后，运行单位处理故障缺陷，线路恢复正常运行。

2 跳闸原因分析

分析认为上述3条线路跳闸原因如下：

（1）铜唐甲线#5、铜唐乙线#5、铜水线#7塔均位于海边高山迎风面上，刚好位于风口处，处于一般杆塔应避开的地势，距离海岸线约1 000 m，杆塔大号侧位置相对较高，当台风来袭时，强风直吹这些杆塔，所受风力较一般杆塔大。

（2）当风速在51.6 m/s时，绝缘子串风偏超过杆塔设计允许风偏值，导线对杆塔下曲臂放电。经过验算当风速为51.6 m/s时绝缘子串的风偏值最大能达到73.4°，超过允许风偏角63°，导线对塔身的距离为0.3 m，小于0.55 m的工频安全距离，因此对塔身放电。

（3）台风影响时间长，从9月23日23：51：41至24日04：01：00这段时间，上述线路连续故障跳闸，线路经强送成功后又再次跳闸，导致线路无法平稳运行。

（4）Z633、Z634的塔型的横担长度偏小，边相横担长度只有2 700 mm。这2种塔型的原设计条件：垂直档距为600 m，水平档距为400 m，三相绝缘子串采用I、V、I（中相为V型串）的挂线方式。

下列计算公式及结果，以铜唐甲线#5塔为例。

原设计最大风速V=35 m/s，Lh=509 m，Lv=421 m，玻璃绝缘子14片单串。

计算绝缘子串的风偏角［1］，比较风速V=35m/s和V=51.6m/s下绝缘子串的风偏角分别为57.1°和73.4°。而该塔形的最大风偏角为63°40′，在51.6 m/s的风速下电气距离不足放电。

3 解决方案

国内其他地方也进行过类似研究，如500 kV漫昆I回线风偏放电故障分析的结论解决办法为更换抗风偏能力强的直线塔［2］；其他方法还有杆塔加挂重锤，将边相的单绝缘子串改为“八”字串，中相改为“V”形串，以限制其摇摆角的幅度［3］等措施。

台山电厂出线几条线路是在2003—2005年陆续建成的，铁塔运行时间较短，资料齐全，能较好地对设计资料进行分析并对线路进行改造。参照国内其他地方的做法以及结合线路的运行实际情况，提出了以下几个可行的改造方案。

3.1 方案1：绝缘子串增加重锤

在线路设计时，当遇到垂直档距较小，验算后绝缘子串风偏角过大，不满足安全电气距离时，可通过增加绝缘子串上的垂直荷载来解决。增加重锤就是一种有效的改善绝缘子风偏角的方法，是成熟而且最为简便的途径。

以铜唐甲线#5塔为例，在风速达到51.6 m/s的情况下，要绝缘子串保持在63°以下时，计算结果显示需要增加的重锤重量约为600 kg。由于需要增加的重量较大，并且是在不改变绝缘子串长度的情况下实施，难度较大。

3.2 方案2：更换抗风偏能力强的塔型

根据前面的计算结果显示，为防止绝缘子风偏不满足要求，可将塔型的横担改为较长横担的塔型。经过验算，在不改变铁塔呼称高的前提下，只加大塔头边相横担，杆塔受力相对于原塔型只是塔头受风面积稍微增大，对于基础受力变化很小。所以，通过更换新塔型，增大边相导线横担的长度，或将绝缘子串更改为V型串，可达到直线塔抗风加固的目的。以3条线路3基塔为例，共需要更换3基直线塔，以每基铁塔停电施工时间为1天半计算，共需要6天时间。该方案需要重新设计杆塔并校验原基础受力情况。

3.3 方案3：将直线塔改为耐张塔，导线跳线使用硬跳线

由于直线塔在山头位于风口位置，可将该塔改造成耐张塔。耐张塔的挂线方式能避免直线塔悬垂串风偏过大的问题。由于中相跳线在小转角的情况下容易出现对塔身距离不足的情况，因此跳线串应使用已有成熟使用经验的硬跳线串。此方案需要重新建筑基础，立塔及对导地线压接，施工工期及成本较大，风险高。

3.4 方案4：利用原铁塔改造部分横担

经过上述计算，比较Z402、Z633型直线铁塔边相横担发现Z633塔型边横担较短，若通过改造Z633、Z634型铁塔边横担的长度亦可达到增大铁塔风偏角的目的。

具体做法为更换铁塔两边相横担的塔材，令边横担的长度满足在瞬时大风的情况下不发生闪络的长度，具体长度在验算后确定。由于加长边横担的长度后，部分塔头主材的受力与联板的螺栓孔位已不适应新的横担，因此需要对塔头部分的塔材进行验算，对塔头主材进行补强。而中相横担及地线横担不需要进行改造，因此中相横担的结构及材料不发生变化。

本方案中，铁塔呼称高没发生变化，整基杆塔的垂直档距、水平档距等都没改变，因此铁塔杆件受力变化小。本方案改造难度较小，易于施工。

3.5 方案比较

方案1造价最低，但需要增加重锤的重量较大，实施技术上难度较大。

方案2优势为仅需要重新设计加工一座横担较宽的直线铁塔，施工过程简单，风险较小。此方案单基改造费用约30万元，台山电厂出线的线路在沿海10 km范围内有14基这类型铁塔，若全部更换，费用较大，施工周期长。

方案3可以彻底解决风口位置的直线塔风偏不足问题。此方案需要重新做基础及立塔，需混凝土约80 m3，耐张塔塔材20 t，对耐张段导线进行裁剪、压接及重新紧线，单基改造费用约为60万元。但该方案施工周期长，需要重新浇注基础，立塔以及裁剪导线，施工难度大，不便于大面积开展改造。

方案4是在方案2的基础上进行精简，只需要更换部分塔头，施工时间短，单基改造费用约10万元。此方案需要对铁塔进行验算，对部分塔材进行补强和更换，单基需要塔材1 t，只要将导线卸载后放至塔身上临时挂点即可进行。但该方案需要校核加长横担后铁塔各材的受力情况，计算过程较为复杂，并且在施工过程中容易出现新加工的塔材与原塔材孔位、规格不对应的情况，有一定技术风险。

综合比较后采用方案4，其优势为单基改造时间短，在停电期间可同时进行多基铁塔的改造，改造资金较少，施工技术难度不高，在本次改造中最优，故建议选用方案4对这4条线路进行改造。

4 计算结果

确认方案选择后，需要对Z633、Z634塔型进行验算，对部分更换的塔材进行计算，对增加横担长度后塔身进行补强。本次改造中利用VTLA可视化杆塔计算程序进行快速、方便的建模，并比较改造前后各杆件的受力对比。

计算条件：（1）校核取值按照杆塔结构设计规范（DL/T5092—1999）进行。（2）最大风按照原塔设计最大风速取值V=35 m/s，最低气温0℃，覆冰为0 mm。（3）边横担长度取值为3 200 mm，不改变绝缘子串的挂线方式。（4）边横担加长后，导线防雷保护角为 9°33′，满足单回路塔防雷保护角小于 20°的要求。（5）尽量不改变塔的结构受力方式，若对结构受力有利，则减小杆件的受力值。

边横担长度取值为3 200 mm，不改变绝缘子串的挂线方式。需要更换的主材为 301、302、305、306、307、308、315、316，并补强部分辅材。经过计算，铁塔基础受力变化很小，基础上拔力增加500 N。原铁塔基础能满足铁塔上拔下压作用力，无需另外加固基础。

5 实施过程

方案确定后，利用年底停电检修机会，提前加工好各构件，安排施工队对杆塔进行改造。由于本次改造设计4条220 kV台山电厂出线，同时停电施工影响较大，因此本次改造按照多次停电的计划进行。

（1）合理安排工期与施工段，尽量在一个耐张段内进行施工，提前加工好塔材。

（2）线路停电后，将导、地线从挂点卸荷后挂在塔身临时挂点，中相导线松至塔颈部位，使塔头各个挂点均不受力，整个施工过程需要做好导地线的保护，防止导线损伤。

（3）将一侧边相横担拆除，对需要更换或补强的构件进行更换，安装好新的横担，完成一侧后再进行另外一侧的更换与安装。

（4）所有横担完成安装并上紧螺栓后，进行提线，安装附件。

通过合理安排人力，完成1基塔的改造只需要半天时间，达到了快速、合理、经济的目标。

6 改造总结

本次工程经过1年多的分次停电后，完成了共14基Z633、Z634等塔头的改造，取得了良好效果。（1）改造后至今未发生由于台风造成的直线铁塔原因线路跳闸故障；（2）线路改造停电时间短，改造费用较低；（3）工程量最小，在上述塔的改造中每基只需要更换约1 000 kg的塔材，对位于高山上运输困难的塔位具有明显的效益。

7 结语

位于沿海高山迎风面侧的直线塔在遭遇台风等恶劣极端天气时，会由于塔头横担的长度不足而发生风偏过大而导致的跳闸故障。在以后的设计中应尽量避免在这些地方进行立塔等，而应采取对绝缘子串风偏进行校验，看是否满足由于风速过大而造成的风偏过大；或者在这些风口处优化导线挂线方式采用V型串等形式，减少由于风偏角过大而可能造成的线路跳闸，提高线路运行的可靠性。

输电线路点多面广，大部分线路处在旷野中，提高线路抗各种自然灾害的能力非常重要。随着电网的不断发展，通过复杂地形及恶劣气候条件地区的输电线路日益增多，电力设计、生产运行各部门可进一步深入开展对有关微地形对风速的影响、局部地区大风等灾害性天气规律的研究，提高线路抵抗暴雨、台风、强雷恶劣天气的能力，从而提高线路设计水平和减少输电线路由于灾害天气故障所造成的损失。

［1］张殿生.电力工程高压送电线路设计手册［M］.第2版.北京：中国电力出版社，2010

［2］李林易.500 kV漫昆I回线风偏放电故障分析［J］.云南电力技术，2010（2）

［3］赵文元.输电线路风偏故障的预防和抑制［J］.电力学报，2004，19（1）