風(fēng)荷載作用下配電線路易損性分析

汪世健 張子靈 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司句容市供電分公司

配電塔－線體系建造中通常采用的建筑材料有鋼材和混凝土等，鋼材雖然不具備混凝土的復(fù)雜成分，但是在鋼材生產(chǎn)加工的過程會(huì)對(duì)構(gòu)件本身造成不確定的缺陷如雜渣和裂隙等，這使得實(shí)際工程中鋼材的材料特性取值并不是唯一確定的值，而是在其規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值左右一定范圍內(nèi)浮動(dòng)。配電塔－線體系的穩(wěn)定安全運(yùn)行對(duì)社會(huì)發(fā)展的重要性顯而易見，所以在其發(fā)生嚴(yán)重破壞致倒塌現(xiàn)象時(shí)將產(chǎn)生巨大損失與危害。因此有必要在充分考慮材料主要參數(shù)的可變性的條件下對(duì)配電塔－線體系進(jìn)行倒塌分析。

一、臺(tái)風(fēng)對(duì)10kV配網(wǎng)線路的影響

我國南部的沿海區(qū)域多屬于熱帶氣旋多發(fā)的氣候性區(qū)域，在進(jìn)行10kV配電線路的安裝時(shí)，就需要達(dá)到更高的區(qū)域性質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。如在廣東省內(nèi)恩平市的橫陂鎮(zhèn)，有著21km長的海岸線，具有典型的亞熱帶季風(fēng)氣候特性，臺(tái)風(fēng)發(fā)生的概率極高，常年經(jīng)受多次臺(tái)風(fēng)的襲擊，每次都會(huì)造成大量的電力線路跳閘等事故，使人們正常的生活和工作秩序都被打亂，限制了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。對(duì)配電線路的故障進(jìn)行深入分析后還能夠發(fā)現(xiàn)，除了受到臺(tái)風(fēng)的破壞性影響之外，與配電架空線路的抗風(fēng)能力不足也有著很大的相關(guān)性。在臺(tái)風(fēng)的影響下，配電線路經(jīng)常會(huì)發(fā)生跳閘、斷線、倒桿等現(xiàn)象。部分配電線路在設(shè)計(jì)或安裝過程中，就存在一定程度的質(zhì)量問題，導(dǎo)致電桿的設(shè)計(jì)風(fēng)速無法達(dá)到實(shí)際的風(fēng)速要求，再加上其他施工期間的質(zhì)量問題，強(qiáng)降雨后還會(huì)產(chǎn)生泥石流等災(zāi)害。線路跳閘通常是由于配電線路的設(shè)計(jì)風(fēng)速不達(dá)標(biāo)所引起的，強(qiáng)大的風(fēng)力使導(dǎo)線的位置產(chǎn)生了偏移，導(dǎo)線之間將會(huì)產(chǎn)生影響形成放電現(xiàn)象，以及沒有將導(dǎo)線附近的樹障進(jìn)行徹底的清理，使樹障成為導(dǎo)線偏移的影響因素。斷線通常是由于沒有掌控合理的導(dǎo)線距離所引起的，當(dāng)部分電線的風(fēng)速影響過強(qiáng)，就會(huì)導(dǎo)致斷線的發(fā)生。臺(tái)風(fēng)對(duì)配電線路的電網(wǎng)和電網(wǎng)電壓等級(jí)之間的影響都較大，通過大量的跳閘事故數(shù)據(jù)的分析能夠發(fā)現(xiàn)，10~220kV的線路跳閘頻率較高，而10kV的配電線路最多。導(dǎo)致這種情況發(fā)生的主要原因就在于10kV配電線路的防風(fēng)措施嚴(yán)重不足，其次是泥石流的產(chǎn)生導(dǎo)致電桿基礎(chǔ)被破壞，以及樹枝或廣告牌等物體使電線被偏移或壓斷等。如果電桿設(shè)置在水田區(qū)域，還需要對(duì)電桿進(jìn)行更加嚴(yán)格的加固措施，否則電桿長期在水田中浸泡，地基會(huì)逐漸松軟，導(dǎo)致倒桿的發(fā)生。

二、關(guān)于多大風(fēng)地區(qū)10kV配電線路的風(fēng)災(zāi)成因分析

導(dǎo)致常年多大風(fēng)地區(qū)10kV配電線路易形成風(fēng)災(zāi)，其成因既有來自自然方面的，也有來自人為方面的。具體來看，主要有以下這些方面：第一，大風(fēng)自身風(fēng)力大于配電線路的風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)；大風(fēng)特有的載荷特點(diǎn)，這是形成架空線路風(fēng)災(zāi)的一個(gè)主要原因，由于大風(fēng)在運(yùn)行過程中常產(chǎn)生瞬時(shí)風(fēng)速大于線路桿塔最大防風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，致使配電線路桿塔無法抗拒此風(fēng)力，而引起10kV配電線路出現(xiàn)跳閘、線路斷線等故障；此外，大風(fēng)來臨之前常會(huì)出現(xiàn)某些極端惡劣天氣，這也是造成10kV配電線路易受風(fēng)力影響的一個(gè)因素。第二，某些配電線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不高或電力設(shè)施出現(xiàn)老化，難以抵抗較大風(fēng)力的影響；特別是碰到風(fēng)力較大的大風(fēng)天氣，那些設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低、運(yùn)行年限較長的配電線路，因防風(fēng)能力低，自然就更易形成風(fēng)災(zāi)；此外，在我國東部沿海地區(qū)，所處環(huán)境因常年鹽密值較大，致使配電線路的金屬部件易受氧化腐蝕而加快老化，若未能及時(shí)予以更換防護(hù)，一遇大風(fēng)天氣，就極易產(chǎn)生線路故障。第三，桿塔自身質(zhì)量較低；桿塔是架空導(dǎo)線的重要支撐載體，在配電線路建設(shè)中的需求量極大，這些桿塔來自不同廠家，這些廠家桿塔生產(chǎn)技術(shù)及所生產(chǎn)桿塔質(zhì)量無法做到統(tǒng)一管控，致使部分新入網(wǎng)桿塔可能存在制造質(zhì)量問題，再加上施工過程中，若未能按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，也極易出現(xiàn)桿塔施工質(zhì)量不良，所有這些問題的存在，都會(huì)大大削弱10kV配電線路的防風(fēng)抗風(fēng)能力。第四，防風(fēng)運(yùn)行維護(hù)工作做得不好；在大風(fēng)預(yù)警后和大風(fēng)來臨前，未能有效完成特巡特護(hù)，以至大風(fēng)來臨后對(duì)配電線路帶來較大危害。

三、風(fēng)荷載作用下配電線電塔對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

配電線電塔在自然狀況下，主要受到風(fēng)荷載和纜線拉力的影響，對(duì)邊坡破壞方式的主要影響是通過配電線電塔的樁基將自重、風(fēng)荷載和纜線拉力傳遞到土體中，再將力轉(zhuǎn)化為影響邊坡破壞方式的滑動(dòng)力矩或抗滑力矩，并進(jìn)一步根據(jù)應(yīng)力狀況影響土體性質(zhì)，進(jìn)而對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。由于力是通過配電線電塔樁基傳遞到土體中的，配電線所受的纜線拉力，風(fēng)荷載及自身自重可以用樁基所受的水平向分力和豎向分力來代替。與不考慮風(fēng)荷載的情況相對(duì)比，風(fēng)荷載作用下樁基受力在樁底所產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍與形狀不同。

四、配網(wǎng)線路的防風(fēng)措施

（一）采用套筒式的混凝土基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

由于套筒式的混凝土基礎(chǔ)不需要支模板，施工難度比普通的電桿基礎(chǔ)低，能夠提升施工效率，而且對(duì)于地質(zhì)條件相對(duì)較差的區(qū)域，套筒式的混凝土基礎(chǔ)開挖面積相對(duì)較小，可以進(jìn)一步減小施工影響。從套筒式混凝土基礎(chǔ)的施工技術(shù)來說，內(nèi)套筒中預(yù)留了立桿使用的孔洞，所以在立桿時(shí)可以把水泥桿放到內(nèi)套筒里，然后再注入中砂填充空隙，內(nèi)套筒最頂面僅50mm左右的地方是用混凝土的砂漿密封的。在更換電桿時(shí)，可以只把表層的砂漿鑿開，就可以進(jìn)行后期的維護(hù)操作。

（二）安裝防風(fēng)拉線

在直線桿中安裝防風(fēng)拉線是提高架空電力線路防風(fēng)能力的主要措施，對(duì)于具備安裝防風(fēng)拉線的直線桿來說，在對(duì)其進(jìn)行防風(fēng)加固時(shí)，應(yīng)該首先選擇安裝防風(fēng)拉線的方式進(jìn)行加固處理。直線桿需要滿足《10kV直線桿防風(fēng)拉線配置表》中電桿強(qiáng)度、埋藏深度、安裝角度以及拉線型號(hào)等方面的要求。首先，應(yīng)該使用鍍鋅鋼絞線作為拉線，確保拉線的截面≥50mm2，且電桿與拉線之間的夾角應(yīng)在45°，最低不可以低于30°。其次，對(duì)于橫穿道路或者跨越的拉線來說，應(yīng)確保其對(duì)路面中心的垂直距離＞6m，且拉線棒的直徑應(yīng)≥16mm。最后，應(yīng)該根據(jù)《附件1：10kV直線桿防風(fēng)拉線配置表》中的要求選擇防風(fēng)拉線的接盤，并將楔形線夾安裝到橫擔(dān)裝置最下方的抱箍中。

（三）采用微地形氣象條件的工程設(shè)計(jì)

針對(duì)各類微地形區(qū)域，需要結(jié)合地區(qū)的自身氣象條件特點(diǎn)來制定不同的技術(shù)方案。比如在容易受到臺(tái)風(fēng)、大風(fēng)等氣象災(zāi)害襲擊的地區(qū)，在線路設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該考慮風(fēng)口地形的影響。在氣流的抬升隘口和大陸的沿海風(fēng)口，風(fēng)速一般為10m/s，而在背風(fēng)側(cè)的標(biāo)準(zhǔn)則達(dá)到35m/s，所以在設(shè)計(jì)線路時(shí)，需要考慮在檔距大的區(qū)域增加電桿數(shù)目以縮小檔距，同時(shí)還可以通過增加橫桿的長度、增加導(dǎo)線之間的距離、延長防風(fēng)的拉線等操作來降低微地形地區(qū)氣象條件帶來的不利影響。

（四）使用加強(qiáng)版的絕緣子

使用加強(qiáng)版的絕緣子對(duì)預(yù)防斷線、倒桿故障具有重要作用，一旦瓷橫擔(dān)位置剪切螺栓被剪斷，可能導(dǎo)致該裝置整體出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)或傾斜，威脅線路、周邊設(shè)施及居民的安全。因此，技術(shù)人員應(yīng)選擇加強(qiáng)版的絕緣子，并有效利用其孔洞，保障固定螺栓和剪切螺栓分開安裝，且安裝在不同孔洞內(nèi)，有效降低導(dǎo)線拉力對(duì)電桿的影響，此法對(duì)提高電桿的可靠性與安全性具有重要作用。

（五）使用高強(qiáng)度的水泥電桿

如果10kV架空電力線路的直線檔距離長度以及耐張段均符合綜合加固標(biāo)準(zhǔn)，則應(yīng)以耐張段作為基礎(chǔ)單位，充分地考慮現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，對(duì)每一個(gè)基礎(chǔ)直線桿安裝防風(fēng)拉線，在不具備防風(fēng)拉線時(shí)，則須通過使用高強(qiáng)度電桿配置的方式，確保電桿的埋藏深度、強(qiáng)度等基礎(chǔ)配置能夠滿足《各種風(fēng)速條件下10kV直線電桿強(qiáng)度與基礎(chǔ)配置表》中的要求。

（六）使用埋藏深度淺、底板大的鐵塔基礎(chǔ)

鐵塔基礎(chǔ)是防風(fēng)加固的關(guān)鍵設(shè)施，特別是針對(duì)地質(zhì)較為松軟的地區(qū)，埋藏深度不宜過深，同時(shí)還應(yīng)具有大底板的鐵塔基礎(chǔ)設(shè)施，可提高10kV電力線路的抗性能力，增大防風(fēng)指數(shù)，避免倒桿現(xiàn)象的出現(xiàn)。針對(duì)濕地、沙灘、淤泥等地區(qū)，同樣十分適用這種設(shè)計(jì)，其具有強(qiáng)大的基礎(chǔ)承載能力，對(duì)提升電桿的穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵作用。

（七）采用配網(wǎng)的電力線路納入電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將配網(wǎng)的電力線路納入電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有故障點(diǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，進(jìn)而從根本上解決可能出現(xiàn)的故障問題。此外，還可以協(xié)助有關(guān)部門對(duì)電力線路運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)掌控，提高電力管理的效率，避免盲管現(xiàn)象，增強(qiáng)供電的可靠性。當(dāng)大風(fēng)天氣出現(xiàn)時(shí)，電力線路可能會(huì)出現(xiàn)故障，電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、迅速地排查故障出現(xiàn)的位置，從而在最短的時(shí)間內(nèi)開展有針對(duì)性的維修處理，進(jìn)而縮短停電的時(shí)間，增加供電的可靠性。

五、結(jié)束語

（1）在選定的源自配電塔體構(gòu)件的不確定性參數(shù)中，令結(jié)構(gòu)的倒塌臨界風(fēng)速變化最敏感的參數(shù)是材料的屈服強(qiáng)度，其余不確定參數(shù)按敏感程度大小排序依次是鋼管半徑、鋼管厚度、彈性模量和泊松比。（2）LHS方法面對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)同樣具備適用性，不僅減少樣本數(shù)量節(jié)約分析時(shí)間，而且分層抽樣出的參數(shù)樣本在概率上依然服從原本的分布類型，所以LHS方法可以在提高效率的同時(shí)保證分析的準(zhǔn)確性。（3）對(duì)考慮了結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定性而生成的模型進(jìn)行風(fēng)致倒塌計(jì)算時(shí)，其易損性明顯低于確定性模型的計(jì)算結(jié)果。因?yàn)檫M(jìn)行LHS抽樣時(shí)鋼材的屈服強(qiáng)度樣本多大于標(biāo)準(zhǔn)值，這使得不確定模型的結(jié)構(gòu)抗倒塌能力增強(qiáng)，降低了結(jié)構(gòu)易損性。