江思杰 易 弢 張孔林 江修波

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108；2. 福建省電力科學(xué)研究院，福州 350007；3. 福建省電力有限公司檢修分公司，福州 350011）

配電線路臺(tái)風(fēng)災(zāi)損機(jī)理研究進(jìn)展

江思杰1,2易 弢2張孔林3江修波1

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108；2. 福建省電力科學(xué)研究院，福州 350007；3. 福建省電力有限公司檢修分公司，福州 350011）

為了應(yīng)對(duì)配電線路面臨臺(tái)風(fēng)襲擊時(shí)受災(zāi)嚴(yán)重的問題，研究配電線路臺(tái)風(fēng)災(zāi)損機(jī)理具有重要意義。本文首先介紹了配電線路臺(tái)風(fēng)災(zāi)害特點(diǎn)和災(zāi)損主要形式，然后從輸電塔和混凝土電桿兩個(gè)類別系統(tǒng)總結(jié)了配電線路荷載研究現(xiàn)狀與成果，接著指出了目前配電線路臺(tái)風(fēng)災(zāi)損機(jī)理研究中存在的問題與不足，具體從配電線路臺(tái)風(fēng)災(zāi)損影響因子辨識(shí)的方面提出了當(dāng)前迫切需要進(jìn)行研究的內(nèi)容，最后展望了有待進(jìn)一步深化研究的方向。

配電線路；風(fēng)荷載；災(zāi)損機(jī)理；影響因子

臺(tái)風(fēng)災(zāi)害引起的線路故障已嚴(yán)重影響到電網(wǎng)，尤其是配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。配電網(wǎng)相比輸電網(wǎng)架具有天然的結(jié)構(gòu)和供電脆弱性，隨著城市化后配電網(wǎng)規(guī)模的不斷增加，其遭受極端自然災(zāi)害性天氣破壞的概率或風(fēng)險(xiǎn)越來越大。以福建電網(wǎng)為例，2016年“尼伯特”臺(tái)風(fēng)一度導(dǎo)致閩清、永泰兩地全縣95%低壓用戶停電，僅閩清一地配電網(wǎng)直接經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)2.2億元，整個(gè)閩清配電網(wǎng)幾乎重建；2016年“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)造成福建電網(wǎng)各電壓等級(jí)設(shè)備受損嚴(yán)重，其中 10kV線路故障跳閘 2000余條，倒斷桿 4000余基。配電線路作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，處于電力輸送的末端，直接面向用戶，配電線路的安全可靠是整個(gè)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的集中體現(xiàn)[1]。然而強(qiáng)臺(tái)風(fēng)容易導(dǎo)致大范圍的配電線路跳閘、桿塔倒/斷、斷線，同時(shí)惡劣的天氣也嚴(yán)重影響搶修工作的順利開展。

傳統(tǒng)的對(duì)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害毫無(wú)應(yīng)對(duì)能力的配電網(wǎng)已經(jīng)不能完全適應(yīng)新的發(fā)展需求，亟需加強(qiáng)對(duì)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害時(shí)空分布特性的及時(shí)把握，以及深入探究臺(tái)風(fēng)災(zāi)害對(duì)配電線路安全運(yùn)行的影響機(jī)理。臺(tái)風(fēng)災(zāi)害對(duì)配電線路的影響大，涉及廣，時(shí)間長(zhǎng)。在配電線路應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害方面，對(duì)配電線路自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、物理屬性進(jìn)行深入的分析和挖掘，明確致災(zāi)機(jī)理與致災(zāi)規(guī)律，可以更加有效地支持監(jiān)測(cè)、預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，從而最大限度地提高電網(wǎng)災(zāi)害應(yīng)急處置能力與應(yīng)急搶修水平。因此，針對(duì)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的配電線路災(zāi)損機(jī)理研究就顯得尤為重要。

1 配電線路臺(tái)風(fēng)災(zāi)損分析

根據(jù)世界氣象組織定義，臺(tái)風(fēng)指中心持續(xù)風(fēng)速在 12～13級(jí)（即 32.7～41.4m/s）的熱帶氣旋。臺(tái)風(fēng)過境常伴隨著大風(fēng)和暴雨或特大暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣，通常導(dǎo)致配電線路大量的群發(fā)性故障，分為瞬時(shí)故障和永久性災(zāi)損[2]。最常出現(xiàn)大范圍的配電線路跳閘，當(dāng)臺(tái)風(fēng)風(fēng)力超過線路或桿塔的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可能引發(fā)斷線、倒桿、斷桿、桿傾斜等災(zāi)損事故[3]。

1.1 災(zāi)害特點(diǎn)

臺(tái)風(fēng)對(duì)配電線路帶來的損害主要是臺(tái)風(fēng)災(zāi)害（風(fēng)災(zāi)）以及降雨帶來的地質(zhì)災(zāi)害。風(fēng)災(zāi)與地質(zhì)災(zāi)害主要是對(duì)桿塔、架空線路造成損害。

1）風(fēng)災(zāi)。臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致桿塔兩側(cè)橫向水平力在順線路方向差距過大時(shí)，容易引發(fā)桿塔傾倒。特別是桿塔處于臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)附近海岸處、海拔較高的上風(fēng)口處、臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑以及旋轉(zhuǎn)的上風(fēng)處時(shí)傾倒現(xiàn)象明顯，當(dāng)臺(tái)風(fēng)與線路方向接近垂直時(shí)桿塔災(zāi)損最為嚴(yán)重。

2）地質(zhì)災(zāi)害。桿塔基礎(chǔ)受損或因桿塔本身受沖擊時(shí)易發(fā)生傾倒。處于低洼地帶的桿塔，由于雨水無(wú)法及時(shí)排出桿塔基礎(chǔ)被長(zhǎng)時(shí)間浸泡；阻塞導(dǎo)致大量積水區(qū)域，桿塔本身受到水流的沖擊作用；泥石流或山體滑坡直接導(dǎo)致桿塔被直接破壞[4]。

1.2 災(zāi)損主要形式

線路跳閘是臺(tái)風(fēng)對(duì)配電線路損毀影響的主要表現(xiàn)之一。臺(tái)風(fēng)造成配電線路跳閘故障經(jīng)常發(fā)生，特別是10kV線路跳閘經(jīng)常達(dá)數(shù)10條次，乃至上百條次[5]。

桿塔主要以桿塔傾斜、倒桿、斷桿為主。桿塔受災(zāi)受到多種因素影響，包括風(fēng)速、桿塔自身的特性和地形等[6]。桿塔和導(dǎo)線所承受的垂直風(fēng)荷載超過其設(shè)計(jì)極限時(shí)會(huì)出現(xiàn)橫傾；桿塔在沿線路方向產(chǎn)生的不平衡力時(shí)會(huì)導(dǎo)致縱傾；塔基上拔或下沉。桿塔傾倒往往導(dǎo)致斷線，而斷線引起的張力不平衡也會(huì)影響桿塔。

導(dǎo)線以斷線為主，當(dāng)承受的荷載超過其設(shè)計(jì)極限時(shí)會(huì)造成斷股或斷線的現(xiàn)象；大風(fēng)引起的異物掛線，可能出現(xiàn)短路甚至擊斷線路。10kV導(dǎo)線弧垂較少，幾乎不發(fā)生風(fēng)偏放電，同時(shí)微風(fēng)造成的線路擺動(dòng)較小，電線疲勞損傷較小，導(dǎo)線與金具不易在大風(fēng)的作用下長(zhǎng)期磨損。

設(shè)備在臺(tái)風(fēng)中的損失相對(duì)較小，大部分由于桿塔傾倒或者拉扯引起。如在強(qiáng)風(fēng)中線路阻波器的拉扯下會(huì)導(dǎo)致絕緣子、避雷器以及閘刀的瓷套等設(shè)備損壞；特別應(yīng)該提高變壓器抗短路的能力以應(yīng)對(duì)頻發(fā)的10kV低壓側(cè)倒斷桿事故。

2 配電線路荷載研究現(xiàn)狀

按電壓等級(jí)劃分，可將配電網(wǎng)分為高壓、中壓、低壓；按地域劃分，可將其分為城市和農(nóng)村?；炷岭姉U是配電線路的重要組成部分，但隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，負(fù)荷的逐漸提高，配電線路包含的電壓等級(jí)也越來越高，一些直接供電到用戶的線路已經(jīng)為110kV或220kV。鐵塔在配電線路中的應(yīng)用范圍也越來越廣，已有對(duì)輸電塔線結(jié)構(gòu)的研究成果，對(duì)于配電線路荷載研究具有重要的借鑒意義。

2.1 輸電塔

輸電線路的安全性和可靠性一直受到全社會(huì)的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)輸電塔線結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)開展了廣泛深入的研究，形成了較為完善的理論體系和設(shè)計(jì)規(guī)范。

1）風(fēng)荷載與風(fēng)場(chǎng)模擬

荷載指的是使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)力和變形的外力及其他因素，主要包括恒載、地震和環(huán)境荷載（指風(fēng)、雨和覆冰等的隨機(jī)作用）[7]。

風(fēng)荷載是當(dāng)前電力設(shè)計(jì)中考慮的主要環(huán)境荷載，也是臺(tái)風(fēng)造成線路災(zāi)損的主要外力作用，影響風(fēng)荷載作用的主要因素是風(fēng)速和風(fēng)向。風(fēng)荷載一般可被分為平均風(fēng)荷載和脈動(dòng)風(fēng)荷載?？蓪⑵骄L(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生的作用當(dāng)做靜力荷載；將脈動(dòng)風(fēng)荷載會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)力響應(yīng)當(dāng)做動(dòng)荷載[8]。脈動(dòng)風(fēng)荷載的湍流尺度、湍流強(qiáng)度以及相干函數(shù)等物理特征會(huì)對(duì)線路動(dòng)荷載效應(yīng)產(chǎn)生影響。

臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)具有高湍流度、強(qiáng)離散性和強(qiáng)變異性等特征，相比常規(guī)風(fēng)場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生較為復(fù)雜的風(fēng)振效應(yīng)。分析不同風(fēng)場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)的風(fēng)振效應(yīng)首先需要得到風(fēng)速時(shí)程曲線，即根據(jù)脈動(dòng)風(fēng)速的風(fēng)功率譜，生成一系列隨機(jī)序列的時(shí)程樣本?？梢圆捎弥C波疊加、線性回歸濾波和小波分析等方法對(duì)脈動(dòng)風(fēng)速進(jìn)行數(shù)值模擬。如果已知風(fēng)場(chǎng)的脈動(dòng)風(fēng)的功率譜密度函數(shù)，就可以得到相應(yīng)的風(fēng)速時(shí)程曲線[9]。

2）力學(xué)模型與仿真分析

合理的力學(xué)模型是研究輸電塔動(dòng)力特性的關(guān)鍵，主要理論分析方法是時(shí)域方法和頻域方法。頻域法是通過描繪頻域內(nèi)傳遞函數(shù)激勵(lì)和響應(yīng)之間的關(guān)系，時(shí)域法是一種直接積分法，不僅對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，而且?guī)缀畏蔷€性也可以較為全面體現(xiàn)。由于導(dǎo)線的非線性，所以當(dāng)前多采用時(shí)域分析方法。

文獻(xiàn)[10]介紹了索振動(dòng)特性的分析方法，并分析了索兩端固定時(shí)的情況，提出了連續(xù)體模型。文獻(xiàn)[11]通過大量試驗(yàn)提出了兩種合理可行的簡(jiǎn)化計(jì)算模型，可以用于分析平面內(nèi)塔線動(dòng)力特性。文獻(xiàn)[12]將輸電塔簡(jiǎn)化為梁和桿，提出了一種較簡(jiǎn)便的確定輸電塔及輸電線阻尼的方法。文獻(xiàn)[13]簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)中各個(gè)梁?jiǎn)卧?，采取?shù)值模擬的方式計(jì)算非線性。

文獻(xiàn)[14]使用有限元分析進(jìn)行了大量強(qiáng)風(fēng)作用下體系的響應(yīng)仿真。文獻(xiàn)[15]提出了塔線體系風(fēng)力數(shù)值模擬計(jì)算方法，為后期的輸電線路工程結(jié)構(gòu)的可靠性研究提供了理論基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[16]建立了輸電線路體系耦合振動(dòng)方程，提出了分析塔線關(guān)聯(lián)性的研究思路。文獻(xiàn)[17]對(duì)輸電桿塔桿件的材料、幾何非線性和初始缺陷等進(jìn)行了深入地研究分析，取得了開拓性的進(jìn)展和大量的研究成果。

隨著對(duì)常規(guī)風(fēng)場(chǎng)作用下的風(fēng)振效應(yīng)研究地不斷深入，特別針對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)也開展了一系列的研究。文獻(xiàn)[18]以廣東湛江的氣象條件為基礎(chǔ)生成風(fēng)速時(shí)程曲線，分析了當(dāng)?shù)啬?20kV輸電線路的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)情況，比較了鐵塔動(dòng)力響應(yīng)與擬靜力的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)相比擬靜力的結(jié)果，鐵塔動(dòng)力響應(yīng)順線路位移和垂直線路位移均較大，表明當(dāng)前設(shè)計(jì)規(guī)范的設(shè)計(jì)安全裕度還需進(jìn)一步提高。文獻(xiàn)[19]分析了桿塔在臺(tái)風(fēng)“卡努”5個(gè)不同時(shí)刻風(fēng)場(chǎng)下的受力情況，結(jié)果表明其變化規(guī)律與平均風(fēng)速一致；在同一設(shè)計(jì)風(fēng)速的條件下，對(duì)比兩類風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)荷載和受力情況，表明臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)剖面指數(shù)差異產(chǎn)生了較為顯著地影響，建議臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)的桿塔設(shè)計(jì)要求應(yīng)高于常規(guī)風(fēng)滿應(yīng)力設(shè)計(jì)。因此，設(shè)計(jì)臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)的輸電塔必須考慮臺(tái)風(fēng)高湍流引起的動(dòng)力風(fēng)荷載增大效應(yīng)。

3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與風(fēng)洞試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可以獲得大量的一手?jǐn)?shù)據(jù)，為風(fēng)洞試驗(yàn)提供必要的參數(shù)依據(jù)。文獻(xiàn)[20]對(duì)高聳格構(gòu)式塔架的風(fēng)荷載進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，數(shù)據(jù)表明響應(yīng)在橫和順兩個(gè)風(fēng)向的量級(jí)相同，驗(yàn)證了輸電線和輸電塔之間存在明顯的耦合。文獻(xiàn)[21]進(jìn)行實(shí)測(cè)認(rèn)為風(fēng)攻角的不同和輸電塔線之間的耦合作用會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)在大風(fēng)中的動(dòng)力響應(yīng)產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為內(nèi)力和位移的變化與風(fēng)速的變化呈一定的相關(guān)性。文獻(xiàn)[22]根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)理論，研究了以江陰800kV輸電塔為背景的脈動(dòng)實(shí)測(cè)，由結(jié)果分析得到一系列相關(guān)參數(shù)，為以后的試驗(yàn)和進(jìn)一步的理論研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

風(fēng)的隨機(jī)性以及線路結(jié)構(gòu)自身的復(fù)雜性，使得其風(fēng)效應(yīng)十分復(fù)雜，無(wú)法純粹通過理論分析對(duì)這些問題得到很好的解釋，所以在風(fēng)洞試驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)試研究依然是當(dāng)前被接受的合理有效的方法。風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵话阌袆傂院蜌鈩?dòng)彈性兩類，測(cè)取結(jié)構(gòu)表面承受風(fēng)荷載時(shí)產(chǎn)生的壓力使用剛性模型；測(cè)取結(jié)構(gòu)在大風(fēng)中的動(dòng)力響應(yīng)使用氣動(dòng)彈性模型。文獻(xiàn)[23]研究了在試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)時(shí)無(wú)法兼顧相似定律與風(fēng)洞尺寸的問題，采用修正模型試驗(yàn)進(jìn)行了一系列的開拓性研究分析。

我國(guó)學(xué)者以現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的輸電線路為研究對(duì)象開展了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，主要集中在高壓輸電塔的動(dòng)力響應(yīng)研究方面。文獻(xiàn)[24]制作了以椒江大跨越塔架為研究對(duì)象的氣彈模型，進(jìn)行了橫風(fēng)向荷載的風(fēng)洞試驗(yàn)研究，并與國(guó)外的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)比對(duì)，驗(yàn)證了橫風(fēng)向的風(fēng)振效應(yīng)與順風(fēng)向大致相同，給出了可以對(duì)橫風(fēng)向風(fēng)振效應(yīng)簡(jiǎn)化計(jì)算的公式。文獻(xiàn)[25]設(shè)計(jì)制作了鋼管塔全塔氣動(dòng)彈性模型，對(duì)風(fēng)荷載及風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。文獻(xiàn)[26]以昌西至南昌 500kV輸電工程為背景，設(shè)計(jì)并制作了輸電塔線體系的完全氣彈模型，嚴(yán)密把握了結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)、質(zhì)量和剛度等重要參數(shù)。

高頻測(cè)力天平技術(shù)（high frequency forcebalance,HFFB）是一種有效應(yīng)用于對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)研究的方法，通過測(cè)量得到結(jié)構(gòu)模型的基底剪力、彎矩和扭矩，就能計(jì)算出結(jié)構(gòu)上相應(yīng)的風(fēng)荷載作用力。我國(guó)學(xué)者在風(fēng)洞試驗(yàn)中也經(jīng)常采用高頻測(cè)力天平技術(shù)，文獻(xiàn)[27]得到了輸電塔、通信塔和電視塔 3種典型格構(gòu)式塔架的風(fēng)荷載體型系數(shù)。文獻(xiàn)[28]基于大量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了平均風(fēng)荷載與風(fēng)向角之間的變化關(guān)系，表明當(dāng)風(fēng)向角為20°～30°時(shí)此時(shí)位移的響應(yīng)最為明顯。文獻(xiàn)[29]根據(jù)鋼管塔的塔身和橫擔(dān)的荷載試驗(yàn)分析，研究了模型整體平均風(fēng)荷載和體型系數(shù)，得出當(dāng)風(fēng)向角為15°、75°時(shí)會(huì)對(duì)鋼管塔產(chǎn)生最大的影響。

4）微地形風(fēng)速修正

在風(fēng)速修正中一般將微地形分為山峰和山坡；山間盆地、谷地等閉塞地形；與風(fēng)向一致的谷口、山口。微地形使得線路風(fēng)荷載效應(yīng)顯著增大，相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范都對(duì)微地形下的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了規(guī)定。GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定山區(qū)建筑物的風(fēng)壓高度變化系數(shù)采用修正系數(shù)進(jìn)行修正。DL/T 5158—2002《電力工程氣象勘測(cè)技術(shù)規(guī)程》給出了修正系數(shù)的取值范圍。GB 50545—2010《110～750kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定在沒有可靠資料時(shí)，山區(qū)送電線路的最大設(shè)計(jì)風(fēng)速的調(diào)整系數(shù)都取1.1。

針對(duì)現(xiàn)有的線路設(shè)計(jì)規(guī)程中微地形區(qū)域的線路桿塔結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單或模糊的問題，我國(guó)學(xué)者開展了進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)[30]采用CFD方法對(duì)埡口微地形下線路空氣動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算并確定了其修正系數(shù)。文獻(xiàn)[31]針對(duì)平地和不同微地形，計(jì)算了典型桿塔相應(yīng)的風(fēng)荷載效應(yīng)，結(jié)果說明山丘和埡口的效應(yīng)增強(qiáng)最為明顯，懸崖次之，相比平地時(shí)整體荷載增大了 10%～30%，對(duì)于山丘和埡口當(dāng)前設(shè)計(jì)規(guī)范值明顯偏小；平坦地形下線條風(fēng)荷載效應(yīng)占總體風(fēng)荷載效應(yīng)的60%以上，也應(yīng)適當(dāng)增加塔身的抗風(fēng)強(qiáng)度。

5）降雨疊加效應(yīng)

架空線路暴露在大氣環(huán)境中，不可避免地受到極端天氣因素的影響，如強(qiáng)臺(tái)風(fēng)環(huán)境時(shí)強(qiáng)風(fēng)、暴雨會(huì)造成影響范圍內(nèi)線路大面積故障，在風(fēng)雨荷載的作用下發(fā)生大量永久性事故。在目前輸電線路設(shè)計(jì)中，均已冰、風(fēng)為主要荷載，大多忽略了雨荷載對(duì)線路的影響，但事實(shí)表明風(fēng)雨荷載對(duì)線路正常運(yùn)行產(chǎn)生了極大的威脅[32]。

文獻(xiàn)[33-34]在風(fēng)洞中模擬降雨對(duì)電纜動(dòng)力響應(yīng)影響試驗(yàn)，在降雨量不同的條件下研究了特定截面導(dǎo)線的氣動(dòng)阻力，結(jié)果表明雨量的增強(qiáng)使得其垂直方向上的阻力系數(shù)也會(huì)顯著增強(qiáng)。但試驗(yàn)僅局限于電纜，缺乏對(duì)雨量影響機(jī)理的進(jìn)一步分析，也沒考慮風(fēng)的作用。文獻(xiàn)[35-36]基于降雨的基本概念，研究了雨滴的沖擊作用，給出了可以計(jì)算降雨分布力的方法。基于Kaimal譜生成脈動(dòng)風(fēng)速，采用諧波疊加法提出一種用于模擬風(fēng)雨激勵(lì)的方法；對(duì)單風(fēng)和風(fēng)雨同時(shí)激勵(lì)兩種情況進(jìn)行了有限元仿真計(jì)算，結(jié)果表明，相比較單風(fēng)情況下，風(fēng)雨同時(shí)激勵(lì)的效應(yīng)明顯增強(qiáng)，雨荷載產(chǎn)生的荷載效應(yīng)不能忽略。文獻(xiàn)[37]進(jìn)一步研究了強(qiáng)風(fēng)雨荷載對(duì)輸電線路可靠性的影響，根據(jù)結(jié)構(gòu)可靠性的概念，得到了輸電線路強(qiáng)度和荷載的隨機(jī)特性，并得出強(qiáng)度和荷載間的聯(lián)合概率密度函數(shù)，進(jìn)而建立了線路可靠性模型。

文獻(xiàn)[38]特別開展了良態(tài)風(fēng)及臺(tái)風(fēng)兩種風(fēng)場(chǎng)下風(fēng)雨耦合對(duì)結(jié)構(gòu)影響的研究，根據(jù)風(fēng)譜生成了兩種風(fēng)雨荷載時(shí)程曲線，分析了對(duì)應(yīng)輸電塔頂點(diǎn)加速度均方根，得出了臺(tái)風(fēng)風(fēng)譜下大于良態(tài)風(fēng)風(fēng)譜下的均方根，臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的高湍流特性及降雨的作用要得到重視。

2.2 混凝土電桿

我國(guó)對(duì)混凝土電桿的荷載分析研究大都采用了試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)結(jié)合的方法，尤其對(duì)電桿的荷載效應(yīng)研究頗多，對(duì)于借用軟件分析電桿數(shù)據(jù)的方法尚處于起步階段。

導(dǎo)線荷載是指作用在導(dǎo)線上的風(fēng)以及自身質(zhì)量引起的重力和水平風(fēng)荷載。電桿荷載不僅包括電桿桿身上受到的風(fēng)荷載，也包括桿上導(dǎo)線受到的水平風(fēng)荷載作用于兩端連接點(diǎn)處的導(dǎo)線張力[39]。由臺(tái)風(fēng)引起的倒桿、斷桿通常發(fā)生在電桿桿根，主要原因是桿根截面彎矩過大。

通過理論驗(yàn)算得出電桿的研究數(shù)據(jù)的大小，然后在試驗(yàn)中計(jì)算得出實(shí)際值，最后分析比較得出最終具有工程實(shí)用價(jià)值的結(jié)論，得到了一系列行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)程，包括《66kV及以下架空電力線路設(shè)計(jì)規(guī)范》、《10kV及以下架空配電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》及《城市配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》等。

文獻(xiàn)[39]基于結(jié)構(gòu)可靠性的概念研究了外部荷載作用下電桿傾倒的問題，總結(jié)了海南電網(wǎng) 10kV線路多年運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電桿的分散性較大，驗(yàn)證了混凝土電桿的破壞彎矩符合正態(tài)分布，并結(jié)合海南的氣象條件計(jì)算了 10kV電桿的可靠性指標(biāo)。文獻(xiàn)[40-44]結(jié)合我國(guó)沿海臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)域電桿災(zāi)損的基本現(xiàn)狀，對(duì)電桿受災(zāi)的主要原因進(jìn)行了定性分析，包括：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)過低，風(fēng)力超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)施過于老舊、施工質(zhì)量未達(dá)標(biāo)、電桿質(zhì)量不佳等；并對(duì)提高電桿的防臺(tái)風(fēng)能力提出了建議：提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)防串倒措施，加裝防風(fēng)拉線，監(jiān)控電桿制造與施工質(zhì)量，設(shè)立專項(xiàng)技改資金等。

3 存在的問題及相應(yīng)的解決對(duì)策

3.1 存在的問題

當(dāng)前輸電塔線動(dòng)力特性的力學(xué)模型研究已近較為完備，基本滿足了有限元軟件仿真模擬的需求?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可以為理論研究和風(fēng)洞試驗(yàn)提供重要的參考依據(jù)，但由于測(cè)試費(fèi)用不菲、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)無(wú)法經(jīng)常性開展。當(dāng)前風(fēng)洞試驗(yàn)的研究中己經(jīng)充分運(yùn)用了氣動(dòng)彈性模型和高頻測(cè)力天平技術(shù)，但由于試驗(yàn)條件目前受到一定的限制，尚不能達(dá)到理想的要求。設(shè)計(jì)規(guī)范多以風(fēng)速為參考標(biāo)準(zhǔn)，未明確對(duì)臺(tái)風(fēng)做出規(guī)定，特別是規(guī)范中關(guān)于微地形的風(fēng)速修正仍需調(diào)整修正。已經(jīng)將降雨的疊加激勵(lì)作用考慮在內(nèi)，但其作用機(jī)理缺乏更深入地研究。

混凝土電桿荷載的理論計(jì)算已形成相關(guān)規(guī)范，軟件仿真方面尚處于起步階段。針對(duì)臺(tái)風(fēng)造成的電桿災(zāi)損進(jìn)行了較為全面地定性分析，混凝土電桿實(shí)際情況復(fù)雜多變，風(fēng)洞模型試驗(yàn)難以進(jìn)行全面模擬，研究手段缺乏，難以滿足當(dāng)前實(shí)際需要。

配電線路臺(tái)風(fēng)災(zāi)損涉及到電氣學(xué)、力學(xué)、氣象學(xué)、地理學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、材料學(xué)等，當(dāng)前研究成果主要是對(duì)線路荷載效應(yīng)進(jìn)行定性研究，缺乏對(duì)其他影響因子作用的評(píng)估和定量評(píng)價(jià)。在配電線路設(shè)計(jì)規(guī)程中，對(duì)于影響因子辨識(shí)的研究較為薄弱，相關(guān)的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)缺乏，現(xiàn)場(chǎng)條件影響因子千變?nèi)f化，某些局部防風(fēng)災(zāi)治理經(jīng)驗(yàn)難以全面推廣，防風(fēng)設(shè)計(jì)存在一定困難。

3.2 相應(yīng)的解決對(duì)策

1）收集歷次臺(tái)風(fēng)下配電線路的災(zāi)損相關(guān)信息，基于大量數(shù)據(jù)梳理歸納出強(qiáng)臺(tái)風(fēng)環(huán)境下配電線路的典型災(zāi)損場(chǎng)景。

2）根據(jù)關(guān)鍵參數(shù)建立以配電桿塔、配電架空線路段為基本單位的災(zāi)損機(jī)理力學(xué)分析模型。研究風(fēng)（雨）荷載、地形地貌、次生災(zāi)害、施工情況、設(shè)備自身材質(zhì)、使用年限等因素對(duì)設(shè)備的影響，篩選得到相關(guān)的影響因子。

3）構(gòu)建結(jié)合線路臺(tái)風(fēng)故障與其對(duì)應(yīng)的微地形因子、氣象因子及設(shè)備信息的典型場(chǎng)景，以已有的力學(xué)分析模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行逐步回歸分析，建立配電線路災(zāi)損回歸模型，完成影響因子的識(shí)別研究，分析線路臺(tái)風(fēng)故障與顯著影響因子的定量關(guān)系，解析影響因子對(duì)線路臺(tái)風(fēng)故障敏感性等級(jí)，根據(jù)各影響因子不同的權(quán)重，進(jìn)而掌握配電線路災(zāi)損機(jī)理。

4 研究發(fā)展趨勢(shì)

傳統(tǒng)的對(duì)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害毫無(wú)應(yīng)對(duì)能力的配電網(wǎng)已經(jīng)不能完全適應(yīng)新的發(fā)展需求，亟需最大限度地提高配電網(wǎng)抵抗臺(tái)風(fēng)災(zāi)害性破壞的能力。配電線路臺(tái)風(fēng)災(zāi)損機(jī)理作為一個(gè)重要的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，在應(yīng)用方面有大量空間有待拓展。其發(fā)展的趨勢(shì)包括以下幾個(gè)方面。

1）監(jiān)測(cè)與預(yù)警

在配電網(wǎng)應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害方面，既要對(duì)傳統(tǒng)的、面向社會(huì)大眾的臺(tái)風(fēng)預(yù)警信息服務(wù)進(jìn)行針對(duì)性的研究深化，也要依據(jù)致災(zāi)機(jī)理與致災(zāi)規(guī)律，從而更加有效地指導(dǎo)監(jiān)測(cè)、預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，最大限度地提高電網(wǎng)災(zāi)害應(yīng)急處置能力與應(yīng)急搶修水平。研究配電網(wǎng)臺(tái)風(fēng)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，為時(shí)空無(wú)縫隙的氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)提供了堅(jiān)實(shí)可靠的系統(tǒng)級(jí)解決方案，為提升強(qiáng)臺(tái)風(fēng)環(huán)境監(jiān)測(cè)、預(yù)警及智能化應(yīng)用提供必要的設(shè)計(jì)依據(jù)與科學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

2）搶修搶建

基于致災(zāi)機(jī)理，結(jié)合監(jiān)測(cè)與預(yù)警的成果，加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)即將來臨和發(fā)生后的實(shí)時(shí)性的致災(zāi)因素跟蹤，有針對(duì)的整合人員和物資設(shè)備，深化搶修服務(wù)的技術(shù)支持能力。做好實(shí)時(shí)和全面的災(zāi)情評(píng)估，防范次生災(zāi)害造成的不良影響，及時(shí)掌握配網(wǎng)受損情況，成立指揮機(jī)構(gòu)，針對(duì)不同階段制定好切實(shí)的防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急措施，組織好搶險(xiǎn)救災(zāi)隊(duì)伍，利用好搶修物資，爭(zhēng)取系統(tǒng)的的做好各項(xiàng)工作，盡量降低受損程度，及時(shí)恢復(fù)正常供電。

3）規(guī)劃設(shè)計(jì)

當(dāng)前配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)中用可靠性來衡量滿足用戶供電需求的能力，但臺(tái)風(fēng)災(zāi)害發(fā)生概率較小影響卻很大，現(xiàn)有配電網(wǎng)以可靠性為優(yōu)化目標(biāo)的規(guī)劃已不能滿足應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的需要。極端自然災(zāi)害造成電網(wǎng)大規(guī)模故障的事件頻發(fā)，使得韌性的概念被越來越多的電力系統(tǒng)研究者關(guān)注。配電網(wǎng)韌性是用于評(píng)估極端天氣災(zāi)害中配電網(wǎng)對(duì)關(guān)鍵負(fù)荷的支撐和恢復(fù)能力[45]。計(jì)算指標(biāo)作為評(píng)價(jià)規(guī)劃方案優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)和進(jìn)行優(yōu)化的目標(biāo)，在配電網(wǎng)韌性規(guī)劃中非常重要。由于規(guī)劃的目的是提高配電網(wǎng)自身的災(zāi)害應(yīng)對(duì)能力，所以基于致災(zāi)機(jī)理，根據(jù)災(zāi)損形成影響因子的權(quán)重大小，可以針對(duì)性的選取配電網(wǎng)韌性指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)韌性規(guī)劃。

5 結(jié)論

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，配電線路臺(tái)風(fēng)災(zāi)損問題是影響配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素，因此，配電線路臺(tái)風(fēng)災(zāi)損機(jī)理研究是亟待解決的重要課題。本文全面分析了配電線路臺(tái)風(fēng)災(zāi)損機(jī)理研究成果及存在的問題，并提出了相應(yīng)的對(duì)策及今后的研究重點(diǎn)，對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，為增強(qiáng)配電線路抵抗臺(tái)風(fēng)災(zāi)害性破壞的能力及完善配電線路設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義。

[1] 郇嘉嘉, 曾海濤, 黃少先. 應(yīng)用線路避雷器提高10kV配電線路防雷性能的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2009, 37(9): 109-112, 115.

[2] 王昊昊, 羅建裕, 徐泰山, 等. 中國(guó)電網(wǎng)自然災(zāi)害防御技術(shù)現(xiàn)狀調(diào)查與分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2010,34(23): 5-10, 118.

[3] 厲天威, 江巳彥, 趙建華, 等. 南方電網(wǎng)沿海地區(qū)輸電線路風(fēng)災(zāi)事故分析[J]. 高壓電器, 2016(6): 23-28.

[4] 林建勤. 建立科學(xué)高效的電網(wǎng)防臺(tái)風(fēng)暴雨應(yīng)急機(jī)制[J]. 供用電, 2007, 24(4): 9-11, 14.

[5] 陳鵬云, 張露, 王成智, 等. 臺(tái)風(fēng)對(duì)我國(guó)電網(wǎng)損毀性影響評(píng)估技術(shù)研究[C]//國(guó)家綜合防災(zāi)減災(zāi)與可持續(xù)發(fā)展論壇論文集, 北京, 2010.

[6] 吳勇軍, 薛禹勝, 謝云云, 等. 臺(tái)風(fēng)及暴雨對(duì)電網(wǎng)故障率的時(shí)空影響[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2016, 40(2):20-29, 83.

[7] 熊鐵華, 梁樞果, 鄒良浩. 考慮斷線時(shí)輸電鐵塔的失效模式及其極限荷載[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2009(11):86-90.

[8] 白海峰. 輸電塔線體系環(huán)境荷載致振響應(yīng)研究[D].大連: 大連理工大學(xué), 2007.

[9] 劉錫良, 周穎. 風(fēng)荷載的幾種模擬方法[J]. 工業(yè)建筑, 2005, 35(5): 81-84.

[10] Irvine HM. The linear theory of free vibrations of a suspended cable[J]. Proceedings of the Royal Society a,1974, 341(1626): 299-315.

[11] Ozono S, Maeda J. In-plane dynamic interaction between a Tower and conductors at lower frequencies[J]. Engineering Structures, 1992, 14(4):210-216.

[12] Yasui H, Marukawa H, Momomura Y, et al. Analytical study on wind-induced vibration of power transmission towers[J]. Journal of Wind Engineering&Industrial Aerodynamics, 1999, 83(1/3): 431-441.

[13] Albermani F, Kitipornchai S, Chan R W K. Failure analysis of transmission towers[J]. Engineering Failure Analysis, 2009, 16 (6): 1922-1928.

[14] Shehata A Y. El Damatty A A, Savory E. Finite element modeling of transmission line under downburst wind loading[J]. Finite Elements in Analysis & Design,2005, 42(1): 71-89.

[15] 梁波, 徐建良. 架空輸電鐵塔動(dòng)力風(fēng)響應(yīng)的數(shù)值模擬[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2002, 30(5):583-587.

[16] 馬星. 輸電塔線耦合體系風(fēng)振響應(yīng)研究[C]//第十屆全國(guó)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集, 桂林, 2001.

[17] 呂志政, 歐陽(yáng)可慶, 王肇民. 拉繩塔的非線性分析[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào), 1983(1): 15-30, 122.

[18] 賀博, 修婭萍, 趙恒, 等. 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)下高壓輸電線路塔—線耦聯(lián)體系的力學(xué)行為仿真分析二: 動(dòng)力響應(yīng)分析[J]. 高壓電器, 2016(4): 42-47.

[19] 張宏杰, 楊靖波, 楊風(fēng)利, 等. 臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)參數(shù)對(duì)輸電桿塔力學(xué)特性的影響[J]. 中國(guó)電力, 2016, 48(2):41-47.

[20] Momomura Y, Marukawa H, Okamura T, et al.Full-scale measurements of wind-induced vibration of a transmission line system in a mountainous area[J].Journal of Wind Engineering&Industrial Aerodynamics, 1997, 72(1): 241-252.

[21] Okamura T, Ohkuma T, Hongo E, et al. Wind response analysis of a transmission Tower in a mountainous area[J]. Journal of Wind Engineering&Industrial Aerodynamics, 2003, 91(1): 53-63.

[22] 何敏娟, 楊必峰. 江陰 500kV 拉線式輸電塔脈動(dòng)實(shí)測(cè)[J]. 結(jié)構(gòu)工程師, 2003(4): 74-79.

[23] Loredo-Souza A M. Davenport A G. A novel approach for wind tunnel modelling of transmission lines[J].Journal of Wind Engineering&Industrial Aerodynamics, 2001, 89(11): 1017-1029.

[24] 樓文娟, 孫炳楠, 葉尹. 高聳塔架橫風(fēng)向動(dòng)力風(fēng)效應(yīng)[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 1999, 32(6): 67-71.

[25] 程志軍, 付國(guó)宏, 樓文娟, 等. 高聳格構(gòu)式塔架風(fēng)荷載試驗(yàn)研究[J]. 實(shí)驗(yàn)力學(xué), 2000, 15(1): 51-55.

[26] 韓銀全, 梁樞果, 鄒良浩, 等. 輸電塔線體系完全氣彈模型設(shè)計(jì)[C]//第十三屆全國(guó)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集, 大連, 2007.

[27] 鄒良浩, 梁樞果, 鄒垚, 等. 格構(gòu)式塔架風(fēng)載體型系數(shù)的風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J]. 特種結(jié)構(gòu), 2008, 25(5): 41-43,68.

[28] 張慶華, 顧明, 黃鵬. 典型輸電塔塔頭風(fēng)力特性試驗(yàn)研究[J]. 振動(dòng)工程學(xué)報(bào), 2008, 21(5): 452-457.

[29] 鄧洪洲, 張建明, 帥群, 等. 輸電鋼管塔體型系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2010(9): 190-194.

[30] 王璋奇, 陳海波, 周邢銀. 埡口型微地形對(duì)輸電線路風(fēng)載荷影響的分析[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào), 2008,35(4): 23-26.

[31] 高雁, 楊靖波. 微地形區(qū)域輸電線路桿塔電線風(fēng)荷載計(jì)算方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2012, 36(8): 111-115.

[32] 趙淵, 魏亞楠, 范飛, 等. 計(jì)及微振磨損與風(fēng)雨荷載的輸電線可靠性建模[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2015(2): 19-25.

[33] Kikuchi N, Matsuzaki Y, et a1. Aerodynamic drag of new-design electric power wire in a heavyrainfall and wind[J]. Wind Eog. Ind. Aerodyn. 2003. 91: 41-51.

[34] Eguchi Y, Kikuchi N, Kawabata K, et al. Drag reduction mechanism and aerodynamiccharacteristics of a newly developed overhead electric wire[Z]. 2002:304.

[35] 李宏男, 任月明, 白海峰. 輸電塔體系風(fēng)雨激勵(lì)的動(dòng)力分析模型[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2007, 27(30):43-48.

[36] 任月明. 風(fēng)雨激勵(lì)下輸電塔線體系的動(dòng)力響應(yīng)分析[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2007.

[37] 楊清, 魏亞楠, 趙淵, 等. 強(qiáng)風(fēng)雨荷載沖擊下的輸電線路可靠性建模方法[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2015,35(2): 133-137.

[38] Fu Xing, Li Hongnan. 良態(tài)風(fēng)及臺(tái)風(fēng)不同風(fēng)譜對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)雨振反應(yīng)對(duì)比分析[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(11): 7-10.

[39] 吳海彬, 趙志向, 廖福旺, 等. 電桿仿風(fēng)載荷彎矩自動(dòng)加載系統(tǒng)的研究[J]. 中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào), 2015,13(1): 63-68.

[40] 凌四海. 10kV架空電力線路的可靠性計(jì)算[J]. 電力建設(shè), 2001, 22(3): 19-20.

[41] 羅俊平. 淺談配網(wǎng)防風(fēng)加強(qiáng)措施[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù),2013, 7(3): 63-66.

[42] 鐘暉, 金偉君, 龔堅(jiān)剛. 沿海易受臺(tái)風(fēng)襲擊地區(qū)架空配電線路防臺(tái)措施[C]//全國(guó)電力系統(tǒng)配電技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第二屆年會(huì)論文集, 福州, 2009.

[43] 彭向陽(yáng), 黃志偉, 戴志偉. 配電線路臺(tái)風(fēng)受損原因及風(fēng)災(zāi)防御措施分析[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù), 2010, 4(1):99-102.

[44] 劉權(quán)輝. 淺談配電線路臺(tái)風(fēng)受損原因以及臺(tái)風(fēng)防御措施[J]. 中國(guó)科技縱橫, 2015(6): 134-134, 138.

[45] 高海翔, 陳穎, 黃少偉, 等. 配電網(wǎng)韌性及其相關(guān)研究進(jìn)展[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2015(23): 1-8.

Research Progress of Typhoon Damage Mechanism of Distribution Line

Jiang Sijie1,2Yi Tao2Zhang Konglin3Jiang Xiubo1
(1. College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108;2. Electric Power Reserch Institute of Fujian Electric Power Co., Ltd, Fuzhou 350007；3. Fujian Electric Power Co., Ltd, Maintenance Branch, Fuzhou 350011)

In order to deal with the serious problems of the typhoon attack on the distribution lines,it is very important to study the mechanism of typhoon damage in distribution lines.This paper first introduces the characteristics of typhoon disaster and the main form of disaster. And then summarizes the current situation and achievements of distribution line load from the two categories of transmission tower and concrete pole. Then, it points out the problems and shortcomings in the study of typhoon disaster mechanism of distribution line. At present, the urgent need to study the current situation of typhoon disaster distribution factor identification is pointed out. Finally, the future direction of further research is expected.

distribution line; wind load; disaster mechanism; influencing factor

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（521304170026）