[原创]关于贵州湖南电力塔架倒塌的分析(转帖)

gwj_179

文章提交者：陶然 加帖在 猫眼看人 【凯迪网络】 http://www.kdnet.net

  论坛上看到很多关于电力塔架倒塌的文章，有些网友说是因为设计问题，有些提及要用短路融冰等办法来除冰，所说都不很专业，有些说法意气用事。因所学专业和此相关，就本人理解所及，转载并解释一下电力塔架和线路设计方面，以及除冰等方面的一些知识，其中关于杆塔和线路方面材料来自网上文章“说一说湖南电力倒塔的真实原因！”，线路融冰是个人搜集的一些材料，请各位网友指正。

  首先讲电力线路的杆塔
  线路要架空就必须有两种杆塔－－－即一是直线塔、另一种是耐张塔，简单的比喻就是你要晒衣裳拉一根线，两端要固定在墙上，中间用竹杆撑起。好了，直线塔就有了，竹杆就是直线塔，其作用就是挑起导线，一般只承受导线的自重，专业讲就垂直荷载。同时耐张塔也有了，即是晒衣裳固定的墙，所以电力线路线路最易出危险的是耐张塔，因为导线受张力架空后，沿导线纵向拉起的力全部挂在耐张塔上，即耐张塔要承受电力线路架空后的张力载荷，也就是要当成墙壁一样承受导线的拉力。

  再说导线：
  导线的标称截面，400/35，即400表示导线的铝股部分横截面积为400平方mm，35表示钢芯部分横截面积为35平方mm。（说明1：这种导线术语为钢芯铝绞线，钢芯是为了承受拉力，铝是为了载流，设计这种结构是基于力学，电气，经济方面综合考虑；说明2：湖南贵州省级联络调度系统为500KV线路，下级区市级线路为220kV系统，目前主要引起大范围停电原因为500kV省级联络线塔架倒塌。）当前500kV高压送电线路多为该型导线，然后每相导线有4根，一条线路为3相导线，共12根导线，还有两根避雷线。湖南的倒塌线路就 是这样的导线结构，架空在天上的共有14根线。

  关键因素之一：
  导线的自重，1米400/35导线的自重是1.511kg。
  按湖南的多年的气象条件，设计时冰厚为10mm。
  导线上履10mm厚的冰后的增加重量计算是: 1.04kg。
  计算式是y2=〔3.14*（d/2+b)^2-3.14*(d/2)^2〕*1000*0.9
  b是冰厚，d是导线直径，A是导线横截面积，冰密度0.9
  由此：每一米导线的上加冰后的重量是：1.511+1.04＝2.551kg。

  按湖南的多年的气象条件，设计时冰厚为10mm。导线上履10mm厚的冰后的增加重量计算是：1.04kg.计算式是y2=〔3.14*（d/2+b)^2-3.14*(d/2)^2〕*1000*0.9
b是冰厚，d是导线直径，A是导线横截面积，冰密度0.9 由此：每一米导线的上加冰后的重量是：1.511+1.04＝2.551kg。

  耐张塔正常设计时应承受的张力G是：
  2.551*1000米*4根子导线*3相＝30.612吨。 取平均水平档距1000米 （多数为500～700米，考虑山区的连续上山档等因素取1000米）
  耐张塔的高度一般在20米左右。此30吨纵向拉力挂在塔上，对基础的扭力力距为20米，基础即按此不利的受力条件进行选取。
  耐张塔身要承受的扭力即为抗拒30吨的扭力力矩。

  而当履冰达到50mm厚时，代入计算式：y2＝10.85
  G＝（10.85+1.511）*1000*4*3＝148.332吨。
  当冰厚为100mm时，y2＝35.839
  G＝（35.839+1.511）*1000*4*3＝448.2吨。

  由此可见：
  50mm的冰产生的张力是10mm冰的148.33/30.612＝4.85倍。
  100mm冰张力是10mm的448/30.612＝16.63倍。

  （说明3：贵州设计挂冰厚度约在20mm，实际情况各位网友应该从网上了解到，因为冻雨这种极端恶劣天气，部分地段线路挂冰达到400mm，这种远远超出设计预估的情况造成实际塔架承受张力可能已经超过100倍。）

  虽然线路设计取了2.5倍的安全系数。但是由于冰厚产生的荷载是平方关系的增长，耐张塔不可能按几十年不遇的天气条件来设计。如果为了抗拒100mm冰的而设计耐张塔，其塔身强度和基础强度都是不可想像的。在线路工程的造价中，铁塔投资占20％。而三峡到上海的线路2000公里，塔量为2000基以上，总造价为40亿元。单位造价为200万元/公里，如要每基塔均增加投资去抗衡50～100mm冰，电力线路的总体投资翻10倍左右。即达到400亿，按此推算，当前电力建设每年建设电力线路均在5000公里左右。按10倍的关系，即光电力线路建设即达到1000个亿。而一个国家级的三峡工程也不过 2000亿元。另外，电网投资均由电力企业自行投资，完全是为了保履冰而这样投资是不合理的，也不经济的，将会造成极大的浪费。

  至于网友质疑，为何导线不断而塔倒的问题，这很好理解，这是因为耐张塔要承受不利的力矩效应（塔高20米），而导线只单纯的承受纵向张力。在所有的导线中心均用钢绞线进行承力，在履冰时，首先崩溃的一定是耐张塔，再才是倒塔的冲击力挣断导线。这就好比用绳子拴到一棵树上，用力扯绳子，断掉的一定是树根，因绳子只受纵向拉力，故先断的是树，树断后，对绳子产生冲击，再断绳子。

  另有：湖南的事件中，徇职的是在电力线路上除冰时，由于导线受损后，突然断裂，倒塔和导线掉下地面伤到线下的工作人员造成。因为突然的断线无法预计，不除冰又影响送电运行，故造成事故难以避免。

  还有一点我说明的是，北方未倒塔的原因是：天气干冷，塔身不会凝冰，导线上只是有附着积雪，没有大量挂冰，而且在设计时冰厚就取得大，般在30mm左右。而湖南的事故中，导线上全部凝冰达50～100mm，塔身及绝缘子上全结成了水桶。这样多的额外荷载均由铁塔来承受，远远超出了国家规定的铁塔使用条件。不倒塔才不正常。说句极端的话，按100mm冰设计的定型塔图，估计国家当前还没有可选用的定型塔呢！

  另外，有网友提出用短路办法来融化线路挂冰，从500kV线路设计的准则看，实际无法实施，因为对超高压长距离输电线路来说，为了减少输送功率在线路上的损耗，都要求尽量减少输电线本身的电阻，省级大区级电力线采用超高压，甚至未来的特高压道理就是在这里，提高电压可以减少线损，增加传输容量，建立跨大区的联接有助于电网互相支援和平衡。如果要采用电流发热融冰，对如此小的线路电阻，根绝欧姆定理，要产生足以融化大量冻冰的焦耳热，必然要采用极大的电流，如此一来必然会对高压线路两端的一次二次设备造成极大的损害，因为高压输电线路两侧变压器，开关等相关一次设备都是根据运行条件设计的，另外所有二次保护设备整定也是依据常规和常规下的异常设计的。对部分输油管道，的确有采用自控温电缆加热来解冻，保证油管内油不凝固，但电力系统似乎还没有这方面的大规模成功运用，即便发达国家也是如此。

目前除冰技术就世界范围内来说还是要依赖手工加半机械，如此恶劣的天气，除冰难度和危险度可想而知，不幸遇难的三位电力工作者值得敬佩。手工除冰靠人工拿橡皮扳手、木棍一点一点敲，使用橡皮扳手和木棍是基于绝缘的考虑。在国外还能靠直升机把人送上去，如此可以提高效率。国内航空管制严厉，各部门协调，尤其是和部队的协调恐怕比较困难，况且这些操作也要军队和地方有关部门平时协同训练，否则象现在这样临时拼凑大概已经没有意义，只能依赖人工努力了。

  对湖南贵州这样主干线塔架倒塌，直接的后果可能是省级电网裂解，即500kV电网停运，省级电网分裂为几个220kV电网单独运行，个别覆盖联络不到的区域停电，单独运行的电网本身是比较脆弱的，所以必须尽快修复主干网，联络各个独立运行的200kV电网。另外为了缓解用电压力，应该尽快把各种备用以及已经停运的电力设备临时运转起来，比如小火电机组，小油电机组；另外应该加强电网稳定性监督，区别不同电力负荷，全面保证民用电，公用设施用电，对个别耗电大户应该采取临时措施加以限制，待度过用电高峰时期再做其它考虑，一般而言，春节是冬季一个用电高峰时期，根据目前电力系统的能力以及天气情况，主干线，特别是对大量杆塔倒塌的地区，修复时间可能比各位网友预期的要长，因为现场清理，线路重新架设，调试，以至最后稳定运行需要相当长时间，乐观估计对情况比较严重的贵州省，全面恢复供电应该要到4月份，在此之前，只能采取临时措施，尽量保证生活和公共设施用电可靠；对情况相对较好的湖南省，供电可望在半个月到20天左右恢复正常。

gwj_179

“...............还有一点我说明的是，北方未倒塔的原因是：天气干冷，塔身不会凝冰，导线上只是有附着积雪，没有大量挂冰，而且在设计时冰厚就取得大，般在30mm左右。而湖南的事故中，导线上全部凝冰达50～100mm，塔身及绝缘子上全结成了水桶。这样多的额外荷载均由铁塔来承受，远远超出了国家规定的铁塔使用条件。不倒塔才不正常。说句极端的话，按100mm冰设计的定型塔图，估计国家当前还没有可选用的定型塔呢！...................”
...........当初大量电力系统的高官、设计专家去国外考察，从目前现状来看都是到国外旅行去.......

[ 本帖最后由 gwj_179 于 2008-2-4 18:31 编辑 ]

山月清影

不要说了，电老虎花了国家那么多钱，老百姓的血汗银子，最后变成了一堆倒塌的废铁，
反过来还说投资不够，只能造这种大雪一来就倒的电塔，简直是岂有此理，如此一来，还要修复干什么？不是无用功嘛？