山西220 kV赵七线倒塔事故分析
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刘亚新，贾雷亮
（山西省电力公司，山西省太原市030001）摘要：介绍了2004年7月3日山西北部电网220kV赵七线倒塔事故的形成过程，并结合气象情况、设计、施工、设备等因素分析了倒塔事故的原因，提出整改建议及措施，为电网中运行的同类型杆塔的维护、新线路的设计提供了经验参考。关键词：线路；倒塔；基础；风偏；事故分析 1 事故经过
2004年7月3日15∶ 53，山西北部电网220kV赵七线B相跳闸，重合闸成功，故障测距为距赵庄站12.932km。11min后，该线路又发生了C相、B相转换性接地故障：首先赵七线C相发生单相接地故障，线路两侧纵联高频线路保护CSL101B/102B装置正确动作，切除C相故障；0.2s后，赵七线B相又发生单相接地故障，此时，由于两侧重合闸装置充电未满（单相重合闸时间整定为0.5s），两侧开关C相还处于跳闸状态，保护装置三相跳闸；故障测距为20.624km。经检查发现，220kV七里沟站侧282断路器B、C相油发黑，此后不久赵七线转检修。
2 事故现场情况
图1 赵七线65号铁塔经巡视发现，220kV赵七线65～69号铁塔共5基铁塔倾倒，塔型全部为ZT1-21，线路走向为南偏西约10°，倾倒方向为垂直线路方向东侧。除66、68号塔外，其余3基铁塔主材
图2 越七线68号铁塔
的屈服点基本相同。其中65（见图1）、67、69号铁塔的屈服点在距地面4.5～4.9m处；66号铁塔的屈服点在距地面3m处；68号铁塔（见图2）有2个屈服点，第1屈服点距地面10.3m，第2屈服点距地面5.1m。倒地侧导线横担、地线横担受到巨大冲击力后全部弯曲变形。悬垂线夹附近导线损伤严重，最严重的68号塔铝线全部损伤并露出钢芯，档距中间导线基本无损伤，部分瓷绝缘子破碎。架空地线一侧为GJ-50钢绞线，一侧为OPGW复合光缆，倒地侧为钢绞线，两侧架空地线外表无损伤，钢绞线悬垂线夹出口处有折痕。倾倒铁塔因塔腿一侧受压，另一侧受拔，受拔侧塔脚板出现变形（见图3）。65、68号2基铁塔上有放电痕迹：其中，65号铁塔右上线B相有放电痕迹，悬垂线夹处导线及塔身有明显灼伤，塔身
图3 赵七线66号铁塔脚板变形灼伤点距横担高度为1.2m；68号铁塔右上线B相、右下线C相有放电痕迹，悬垂线夹处导线及塔身有明显灼伤，两处放电痕迹与故障测距基本对应。
3 气象情况
倒塔现场位于山西省朔州市怀仁县与山阴县的交界处。根据山西省气象资料显示：2004年7月3日下午16时，受高空强冷气旋影响，加之近地面气温高达33℃以上，导致局部冷热气流急剧交汇，在大同市、朔州市范围内出现大风、沙尘暴天气。怀仁县气象站测得最大风速为30m/s；山阴县气象站测得最大风速为23m/s。倒塔现场的农田、树木及部分民房均受到破坏，附近的大同市、平鲁区都出现了微波通信塔倾倒现象。
4 线路基本情况
220kV赵七线起始于220kV赵庄变电站，终止于七里沟变电站，倒塔位置正西有一山口，属风口地形。220kV赵七线于1975年6月由山西省电力勘察设计院设计，气象条件采用典型山西Ⅰ级气象条件，最高气温+40℃、最低气温-20℃、最大风速为25m/s。220kV赵七线1976年投入运行，已投入运行28年。导线型号为LGJ-322（前东德产）铝26×3.97/322.3mm2、钢7×3.09/52.5mm2，设计采用计算截面S=374.8mm2、计算外径D=25.15mm，导线三角形排列，上字型同侧两相导线位于杆塔西侧。架空地线原采用双架空地线，型号为GJ-50型的钢绞线，2002年11月因山西省主干光纤通信工程建设的需要，将右架空避雷线全线更换为OPGW复合光缆。2005年对全线杆塔进行了防腐处理。
5 事故原因及形成过程
5.1 气象原因
该线路位于风振区，2002年该线路曾发生过风偏故障。事故当时，临近气象站测得的风向为西偏北9°～12°，而该线路走向为东偏西约10°，风向与线路的轴向夹角基本接近于90°，当时线路与铁塔所承受的风压基本上是当时风速下的最大风压。通过摇摆角计算公式进行反推，计算结果为风速达到31m/s，但综合附近的气象台的实测资料，事故现场的风速不可能达到31m/s。经有关气象专家分析，估计当时该地区风速为22～25m/s。因此，风速较大是赵七线倒塔的直接原因，但不是根本原因。
5.2 设计原因
该线路设计气象条件采用典型山西Ⅰ级气象条件。从地形上看，该线路均位于平地，线路走向平行于洪涛山脉，平行距离约为2.5km，倒塔段杆塔及两侧约3km线路正对着洪涛山脉的一个缺口，风速高于其他地段，属微气象区。1986年该线路156号铁塔就曾因大风发生过倒塔事故。
该线路原设计为LGJQ-300型导线，后因该型号导线无货，改用前东德产LGJ-322型导线，适当降低使用条件（该塔型原设计水平挡距为450m、垂直档距为700m，改用前东德导线后，水平档距为410m，垂直档距为600m）使用。虽然降低了铁塔使用条件，但在设计塔位时，大部分铁塔的水平档距都接近于允许条件的上限，均在400m左右。
5.3 设备原因
本次事故中共倒塔5基，全部为“上字型”塔。该塔型存在根开小（根开尺寸为3019mm×3019mm）、主材规格小的缺点。根开小，则塔脚承受的弯距相对增大；主材规格小，则容易在施工和运行中出现挠度。
该线路设计于1975年，直线塔基础全部采用了装配式金属基础。这种基础存在以下缺点：①底拉盘与支架、塔脚板采用螺栓连接，螺栓本身存在公差配合问题，受力后容易使基面出现倾斜，与塔脚板组装后，会出现受力不均匀的情况。②每条塔腿由4条腿的支架组成，施工时很难保证4条塔腿的基面保持水平，在实际施工中也确实存在加装垫铁的情况（见图4），有的甚至需要在3条塔腿上加装垫铁。③金属支架比较单薄，在回填过程中容易出现支架单侧受力不均匀的现象，即支架上方的土比较密实，支架下方的土比较松软，甚至出现空洞。在寒冷地区，土壤的冻胀力更容易使支架受压后形成永久性弯曲变形，导致基面出现高差及根开变化，造成铁塔塔材变形或铁塔倾斜。④随着地埋时间的增长，金属基础锈蚀程度加大，更容易发生弯曲变形。装配式金属基础的上述特点决定了其容易发生不均匀沉降、根开变化等现象，通过对倾倒铁塔及部分临近铁塔的根开测量表明，大部分铁塔根开都出现了不同程度的变化，最严重的误差达到58mm。根开变化直接导致铁塔变形，现场对倒塔段临近的完好铁塔进行了观测，观测结果表明铁塔主材变形严重，见图5。
图4 68号铁塔腿垫铁
图5 临近铁塔的主材变形5.4 施工质量原因
在设计中已提到，装配式金属基础的施工难度较大，需要较高的工艺水平，但通过对该线路的基础检查发现，基础施工质量水平较低，几乎所有的装配式金属基础都存在加装垫铁现象。说明基础施工时，基础顶面存在严重误差。垫铁太厚必然导致铁塔在受到水平力时，地脚螺栓受到较大的弯矩。众所周知，螺栓能承受较大的剪切力，但不应承受较大的弯矩。
5.5 后期设备变化原因
2002年，该线路因通信需要又更换了架空地线，将原GJ-50钢绞线更换为OPGW光缆（直径增大1.2mm），加大了线路的风荷载。
线路运行时间长、设备老化也是造成倒塔事故的一个重要原因。该线路从投运至事故发生时已运行了28年。由于常年受风压作用，铁塔来回摆动，使塔材与螺栓出现疲劳，已达不到最初的强度；基础采用装配式金属基础，这种基础存在与原状土接触面小、长期一侧受压容易产生不均匀沉降的缺点。由于该线路常年经受西北风的侵袭，使东侧两条基础长期处于受压状态，一方面产生了疲劳，另一方面也因与原状土接触面小而发生了轻微的沉降。
5.6 倒塔事故的形成过程
综上所述，因运行时间长及装配式金属基础的局限性，部分铁塔的个别塔材在倒塔前就出现了不同程度的弯曲、变形，使铁塔的受力由纯压受力变为压弯受力，导地线型号的变化又加大了铁塔的承受荷载，在强风的作用下，最终导致了倒塔事故。
2004年7月3日15∶ 53，赵七线B相出现第一次跳闸时的故障点应为65号铁塔，其放电痕迹与故障相别都吻合。11min后，68号铁塔及两侧导地线在持续大风的作用下（或风速加大），从第1屈服点开始弯曲变形，铁塔向左侧倾倒。A、B两相导线在铁塔左侧，因此在铁塔刚开始倾斜时，应出现远离铁塔的现象；C相在铁塔右侧，在铁塔倾倒过程中与铁塔距离缩小，并发生放电。0.2s后，C相导线与塔身接触，导线张力阻止铁塔继续倾倒，B相导线与塔身距离缩小，再次发生接地短路。当铁塔倾斜到一定程度后，3条导线的张力阻止其继续向外倾斜，随着导线张力的加大，迫使铁塔向内侧收缩，出现第2个屈服点。68号铁塔倾倒后，发生联锁反应，相邻铁塔在导线拉力及风力的同时作用下相继倾倒。
6 建议
(1)加强老旧线路管理。对运行时间较长的老旧线路，尤其是运行时间超过25年的老旧线路，要加强检查与治理，重点是位于微气象区、特殊地形的杆塔，以及设计存在缺陷的线路，应及时发现隐患并给予消除。
(2)检查、加固装配式金属基础。针对装配式金属基础本身存在的缺点，要定期开挖检查其锈蚀情况、变形情况，定期测量根开变化，有土壤冻胀现象的地区更要特别注意冬春季节的检查。发现塔材变形、根开变化、塔身倾斜等现象时要及时采取补强措施，固定基础根开，防止塔材的进一步变形。
(3)设计中慎用装配式金属基础。新建线路设计应结合已有的运行经验，对土壤情况、地质情况等进行深入调查研究，存在土壤冻胀、土壤物理特性较差等现象时，尽量避免使用装配式金属基础，防止基础钢材变形、根开变化等引起的塔材变形、塔体倾斜。
(4)施工中保证回填土的均匀性。装配式金属基础锥形支架的结构特点造成回填土不易夯实，在回填过程中施工不认真，常常形成空洞，导致支架一侧受力并发生变形、弯曲，尤其是碎石土或砂土更容易出现这种现象。因此施工时一定要注意回填土的内外同时夯实问题，保证回填质量。
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