輸電線路大范圍覆冰倒塔事故的特點(diǎn)及原因

輸電線路大范圍覆冰倒塔事故的特點(diǎn)及原因覆冰對線路的危害有過負(fù)荷、覆冰舞動和脫冰跳躍、絕緣子冰閃，會造成桿塔變形、倒塔、導(dǎo)線斷股、金具和絕緣子損壞、絕緣子閃絡(luò)等事故。如圖3-4所示。(a)導(dǎo)線覆冰(b)桿塔覆冰(c)導(dǎo)線上掉下的冰塊(d)絕緣子串覆冰(e)地線支架變形(f)倒塔(g)塔頭損壞(h)桿塔基礎(chǔ)破壞(i)金具損壞(j)金具損壞(k)絕緣子脫落及斷線(l)導(dǎo)線斷股及間隔棒破裂(m)絕緣子破裂(n)絕緣子脫落及斷線圖3-4輸電線路覆冰的危害過荷載過荷載，即線路覆冰后的實(shí)際重量超過設(shè)計(jì)值很多，從而導(dǎo)致架空輸電線路機(jī)械和電氣方面的事故。從負(fù)荷方向分，可分為垂直負(fù)荷、水平負(fù)荷、縱向負(fù)荷。垂直負(fù)荷：當(dāng)導(dǎo)線、桿塔覆冰時(shí)，冰的重量會增加所有支持結(jié)構(gòu)和金具的垂直負(fù)載。導(dǎo)致架空線的弧垂變大，使導(dǎo)線間或者導(dǎo)地線之間的檔距減小，當(dāng)風(fēng)吹動時(shí)會由于絕緣距離不夠而發(fā)生短路。另外，由于覆冰會增大導(dǎo)線張力，從而增大桿塔及其基礎(chǔ)的力矩，如增大轉(zhuǎn)角塔的扭矩，造成桿塔扭轉(zhuǎn)、彎曲、基礎(chǔ)下沉、傾斜，甚至在拉線點(diǎn)以下發(fā)生折斷。水平負(fù)荷：覆冰也會使導(dǎo)線受風(fēng)面積增大，此時(shí)桿塔所受的水平荷載也隨之增加，線路因此可能遭受到嚴(yán)重的橫向串基倒塔事故。以經(jīng)過某山區(qū)的重冰區(qū)架空輸電線路為例，設(shè)代表檔距l(xiāng)=300m，風(fēng)速選取15m/s，計(jì)算出相應(yīng)不同冰厚的幾種導(dǎo)線對應(yīng)的應(yīng)力(見表3-2)。表3-2：幾種導(dǎo)線不同冰厚對應(yīng)的水平應(yīng)力(MPa)覆冰形成時(shí)間（h）覆冰厚度（mm）導(dǎo)線型號120/20300/40400/50630/5521065.569.074.167.4420124.8108.8109.394.5630202.2156.9150.8126.0840294.2211.4197.2161.11050398.1271.2247.6199.31260511.9335.3301.5239.9最大使用應(yīng)力σmax124.8108.8109.394.5極限破壞應(yīng)力σp312.0272.0273.3236.1由表3-2可見，截面較小的導(dǎo)線冰厚達(dá)到40mm時(shí)導(dǎo)線應(yīng)力就接近極限破壞應(yīng)力σp，而形成40mm冰厚(如果氣象條件適合覆冰的形成)，只要經(jīng)過8h就可形成，也就是說在8h之內(nèi)就可以對輸電線路造成破壞。而截面較大的導(dǎo)線經(jīng)受12h的連續(xù)覆冰時(shí)就很危險(xiǎn)了?？v向負(fù)荷：因?yàn)檩旊娋€路相鄰各檔之間距離、高度或安裝質(zhì)量不同，使導(dǎo)線在覆冰時(shí)引起縱向靜力不平衡，產(chǎn)生縱向荷載。當(dāng)覆冰不均勻、自行脫落或被擊落時(shí)，導(dǎo)線的懸掛點(diǎn)處會產(chǎn)生很大的縱向沖擊荷載，可能造成導(dǎo)線或地線從壓接管內(nèi)抽出，或者外層鋁股斷裂，鋼芯抽出，或整根線拉斷，如果導(dǎo)線拉斷脫落，則最終的不平衡沖擊荷載和兩相鄰檔之間的殘余荷載就會大大增加，發(fā)生順線倒桿事故。湖南省2005年初，由于持續(xù)大范圍雨雪天氣，處于海拔180~350m之間的電網(wǎng)設(shè)施出現(xiàn)嚴(yán)重覆冰現(xiàn)象，一些地段覆冰厚度達(dá)到30~40mm，嚴(yán)重地段達(dá)60~70mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過15mm的設(shè)計(jì)水平，電網(wǎng)先后出現(xiàn)倒塔事故。造成此次倒塔事故的內(nèi)因是鐵塔塔型和鐵塔材質(zhì)，外因是鐵塔所在線路段的前后檔距、高差角和覆冰荷載。事故段實(shí)測覆冰厚度大于20mm，有的甚至達(dá)到30~40mm。事故段鐵塔存在前后檔距或高差角過大，如復(fù)沙I線21號塔前后檔距相差474m，崗云線175號塔前檔距為355m，而高差達(dá)80m。鐵塔前后檔距差過大，當(dāng)導(dǎo)線覆冰時(shí)，鐵塔前后檔導(dǎo)線的張力差大，鐵塔承受的不平衡張力也就大；鐵塔所在檔距的高差角較大時(shí)，導(dǎo)線張力在水平方向的分量減少，導(dǎo)線的水平方向張力差增加，另一方面也增加了垂直檔距，使鐵塔承受的垂直荷載增加。當(dāng)鐵塔處在檔距或高差角很大線路段，隨著覆冰厚度的增加，鐵塔承受的不平衡張力必然增加，當(dāng)不平衡張力使鐵塔的應(yīng)力值達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，鐵塔將失穩(wěn)倒塌，從而拉倒相鄰的鐵塔。近十多年來，我國發(fā)生了多起覆冰引起的桿塔倒塌或變形、導(dǎo)線斷股、絕緣子金具損壞等事故。輸電線路發(fā)生冰害事故時(shí)，由于天氣惡劣，冰雪封路封山，交通受阻，進(jìn)行搶修往往很困難，因此經(jīng)常造成系統(tǒng)長時(shí)間停電，使生產(chǎn)遭受損失，給生活帶來不便。導(dǎo)線覆冰舞動、脫冰跳躍事故輸電線路不僅承受其自重、覆冰等靜荷載，而且還要承受風(fēng)產(chǎn)生的動荷載。在一定條件下，覆冰導(dǎo)線受穩(wěn)態(tài)橫向風(fēng)作用，可能引起大幅低頻振動，即舞動。此外，導(dǎo)線脫冰跳躍也會使導(dǎo)線發(fā)生舞動。導(dǎo)線舞動是威脅輸電線路安全運(yùn)行的重要因素。覆冰導(dǎo)線在風(fēng)作用下發(fā)生舞動當(dāng)導(dǎo)線上均勻覆冰時(shí)，雖然其載面增大，但其形狀仍保持為均勻圓形，因此，一定的風(fēng)力所引起的導(dǎo)線振動，其頻率低于裸線時(shí)的頻率，而振幅比裸線時(shí)小，并且，頻率下降可能低到防振裝置的有效運(yùn)行范圍以下。當(dāng)導(dǎo)線上覆冰不均勻時(shí)，由于其斷面的不對稱，風(fēng)吹導(dǎo)線時(shí)就會產(chǎn)生空氣動力學(xué)上的不穩(wěn)定，在相應(yīng)風(fēng)力作用下，導(dǎo)線會發(fā)生低頻(0.1～3Hz)、大振幅(可達(dá)10m以上)的舞動。導(dǎo)線舞動將引起差頻荷載，從而導(dǎo)致金具損壞，導(dǎo)線斷股，相間短路，燒傷燒斷線路跳閘及桿塔傾斜或倒塌等嚴(yán)重事故。此類導(dǎo)線舞動的形成主要取決于3個(gè)因素，即覆冰、風(fēng)激勵(lì)和線路的結(jié)構(gòu)與參數(shù)。a．覆冰。線路覆冰是舞動的必要條件之一。覆冰多發(fā)生在風(fēng)作用下的雨淞、霧淞及濕雪堆積于導(dǎo)線的氣候條件下。導(dǎo)線覆冰與降水形式及降水量有直接關(guān)系，而又與溫度的變化密切相關(guān)，常發(fā)生在先雨后雪，氣溫驟降(由零上降至零下)情況下，且導(dǎo)線覆冰不均勻，形成所謂的新月形、扇形、D形等不規(guī)則形狀，冰厚從幾mm到幾十mmb．風(fēng)的激勵(lì)。舞動離不開風(fēng)的激勵(lì)。冬季及初春季節(jié)里，冷暖氣流的交匯易引起較強(qiáng)的風(fēng)力，在地勢平坦、開闊或山谷風(fēng)口等地區(qū)的輸電線路，能使均勻的風(fēng)持續(xù)吹向?qū)Ь€，當(dāng)導(dǎo)線覆冰、風(fēng)速為4～20m/s，風(fēng)向與線路走向的夾角不小于45°，導(dǎo)線易發(fā)生舞動。c．線路結(jié)構(gòu)及參數(shù)條件。線路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)也是形成舞動的重要因素之一。從國內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)資料來看，在相同的環(huán)境、氣象條件下，分裂導(dǎo)線要比單導(dǎo)線容易產(chǎn)生舞動，并且大截面的導(dǎo)線要比常規(guī)截面的導(dǎo)線易產(chǎn)生舞動。在單導(dǎo)線覆冰時(shí)，由于扭轉(zhuǎn)剛度小，在偏心覆冰作用下導(dǎo)線易發(fā)生很大扭轉(zhuǎn)，使覆冰接近圓形；而分裂導(dǎo)線覆冰時(shí)，由于間隔棒的作用，每根子導(dǎo)線的相對扭轉(zhuǎn)剛度比單導(dǎo)線大得多，在偏心覆冰作用下，導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)極其微小，不能阻止導(dǎo)線覆冰的不對稱性，導(dǎo)線覆冰易形成翼形斷面，因此，對于分裂導(dǎo)線，由風(fēng)激勵(lì)產(chǎn)生的升力和扭矩遠(yuǎn)大于單導(dǎo)線。大截面導(dǎo)線的相對扭轉(zhuǎn)剛度比小截面大，在偏心覆冰作用下扭轉(zhuǎn)角要小，導(dǎo)線覆冰更易形成翼形斷面，在風(fēng)激勵(lì)作用下，產(chǎn)生的升力和扭矩要大些。因此分裂導(dǎo)線和大截面導(dǎo)線更易產(chǎn)生舞動。導(dǎo)線不均勻脫冰跳躍發(fā)生舞動覆冰導(dǎo)線在氣溫升高，或自然風(fēng)力作用，或人為振動敲擊之下會產(chǎn)生不均勻脫冰或不同期脫冰。導(dǎo)線不均勻脫冰也會使線路產(chǎn)生危害很大的機(jī)械或電氣事故。因?yàn)殡S著導(dǎo)線覆冰量增加，相應(yīng)地張力明顯增大，弧垂也有所下降，當(dāng)大段或整檔脫冰時(shí)，由于導(dǎo)線彈性儲能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)線的動能、位能，引起導(dǎo)線向上跳躍，進(jìn)而產(chǎn)生舞動，使相鄰懸垂串產(chǎn)生劇烈擺動，兩端導(dǎo)線張力也有顯著變化。導(dǎo)線向上跳躍的結(jié)果是導(dǎo)線與地線之間的安全距離變小，造成導(dǎo)地線間閃絡(luò)或短路，燒傷導(dǎo)線，并使線路跳閘；導(dǎo)線兩端動態(tài)張力顯著變化的結(jié)果是，線夾、絕緣子串及掛點(diǎn)處金具容易遭受動態(tài)沖擊而損壞，甚至損傷塔頭；導(dǎo)線、避雷線的跳躍和舞動產(chǎn)生的沖擊力也會使直線塔絕緣子串滑移和損壞；耐張引流線自身脫冰反彈或塔上脫冰、大量冰塊傾砸擊中引流線，也會引