解密覆冰倒塔的直接原因

      极端冰害条件下大电网安全之二 
      ■杨靖波

　　编者按　２００８年开年的一场雨雪冰冻灾害对大电网的安全构成巨大威胁。时至今日，电网恢复重建已经全面完成。十一届全国人大一次会议上，国务院总理温家宝指出，要从这次特大低温雨雪冰冻自然灾害中，认真总结经验教训，提高抗灾和保障能力。

　　国网北京电力建设研究院通过多次实地考察，组织专家就冰害减灾相关科研工作进行研讨。为了让我们的电网更加坚强，国网北京电力建设研究院对有关对极端天气的监测与预警、覆冰倒塔的原因、国外冰风设计荷载取值的介绍、灾后线路快速恢复四大问题进行了详细的论述让我们更加客观、真实、全面地了解了这次灾害。
　　造成今年电网大面积覆冰倒塔的直接原因，是由于强雨雪冰冻天气导致输电线路严重覆冰，远远超出其设计允许承受能力所致。
　　从２００８年１月１０日开始，我国大气环流稳定少变，西南水汽与北方不断南下的冷空气在我国华中、华东地区交汇，形成长时间持续的大强度、大范围的雨雪冰冻天气。１月１０日至１月底这段时间，湖南、江西、浙江等地的气温大都在零下１摄氏度至零下５摄氏度之间；降水、降雪丰富，相对湿度在９０％以上；风速一般在５~１０米／秒之间。由于温度、湿度和风速与覆冰形成的最佳气象条件吻合，造成这些省份的输电线路大范围严重覆冰。

　　根据现场测量和有关资料的分析表明，覆冰体半透明，密实无孔隙，坚硬、光滑。导线覆冰体近似椭圆形，其长短轴相差较小，附着力强，为典型的雨淞，覆冰密度在０．９０克／立方厘米左右。导线标准冰厚普遍不小于３０毫米，最厚可达到６０~７０毫米甚至以上。
　　输电线路设计时导线覆冰荷载大多按１０毫米冰厚计算。湖南地区覆冰严重，其不同地域取１５毫米、２０毫米甚至更大的厚度。但今年冰冻雨雪天气引起的导线覆冰厚度，已远远超出此设计取值，导致导线、金具、铁塔等都不能承受如此之重的覆冰荷载而最终发生破坏，如导线断股、断线，金具脱落、断裂，铁塔倒伏、局部受损等。
　　超过设计标准的覆冰荷载使铁塔破坏和倒塌，在具体作用方式上又有所不同，可以大致分为将铁塔压坏、拉坏、扭坏以及拉扭共同破坏等几种形式。

　　覆冰将铁塔压坏，主要是由于导地线、铁塔等的自重加上覆在其上的冰层的重量后，超过铁塔的实际承压能力，铁塔的主材或斜材发生受压屈曲破坏，导致整个铁塔破坏、坍塌。（如图１所示）这类破坏铁塔两侧导线的覆冰垂直荷载大致相当。从调研和统计资料看，由于覆冰而被直接压倒的铁塔较少。
　　覆冰将铁塔拉坏，主要是由于铁塔两侧的导线因不均匀覆冰而产生纵向不平衡张力。这种破坏大多发生在导线还没有因覆冰过载而出现断裂、掉落等情况下。（如图２所示）正常工况下的铁塔，其两侧的导线张力基本保持平衡。但在铁塔两侧导线不均匀覆冰的情况下，这一受力平衡状态被破坏，铁塔两侧产生张力差，铁塔会向张力大的一侧发生倾斜、弯曲，在超过一定允许值后，铁塔杆件发生拉、压破坏，导致铁塔折断、倒塌。由于导线不均匀覆冰导致的铁塔破坏，主要发生在铁塔两侧档距较大或两侧高差相差较大的地方。这些地方由于地形地貌的特殊性，线路设计时铁塔两侧档距或高差相差较大不可避免，为导线不均匀覆冰及纵向不平衡张力的产生创造了客观条件。同时也由于地势原因，在冰雪融化时更容易出现不同时融冰的现象，加剧铁塔两侧纵向张力的不平衡。从调研和统计资料看，此次冰灾９０％左右的倒塔都是由于不均匀覆冰以及不均匀脱冰产生的纵向不平衡张力造成的。

　　覆冰将铁塔扭坏，主要是由于铁塔一侧的导地线断线破坏等产生断线冲击荷载和过大的纵向不平衡张力。（如图３所示）在超过设计承受能力的冰荷载的作用下，会发生导地线断线、金具脱落、绝缘子断裂等。这些破坏会造成铁塔一侧的某根（相）导线或地线的张力突然被释放，对铁塔施加动力冲击荷载。同时，两侧不平衡的导地线张力对塔身产生扭转力矩。动力与静力的共同作用极易造成铁塔横担破坏、脱落，进而引起倒塔，或直接破坏主材造成倒塔。从调研和统计资料看，此次冰灾由于断线冲击导致的倒塔不在少数，并且大多发生在横担较宽的双回路铁塔上。
　　造成倒塔还有一个原因，就是导线舞动。舞动是导线在覆冰初期由于冰形的不规则在风力的作用下而产生的大幅上下翻飞振荡。由于振动幅值大，加之持续时间较长，使得铁塔承受很大的往复拉、压和扭力，因而容易造成铁塔联结螺栓松脱、构件疲劳失效等，直接引起倒塔。（如图４所示）一些铁塔在导线舞动的作用下尽管没有直接倒塔，但已产生损伤，在不断加厚的冰荷载的作用下更易发生倒塌。此次冰灾由舞动引起的倒塔数量较少。

　　输电线路覆冰倒塔的原因可大致归为以上几类。但某些铁塔的倒塌由多种因素共同引起，需要具体分析区别对待。
（作者单位　国网北京电力建设研究院）