空区塌陷引起输电线路杆塔倾斜的研究和防范

空区塌陷引起输电线路杆塔倾斜的研究和防范

刘随成

临汾供电公司 山西省 临汾市 041000

摘要：山西地矿资源丰富，每年开采掘取地下矿产造成的地表沉降、塌陷，给地表上的附属物形成极大的危害；输电线路杆塔发生倾斜，倒塔的事故时有发生，影响电网的安全运行。为了防止此类事故的发生，深入地分析、研究采空区的演变特征及引起的危害，输电线路的故障如何避免和下一步采取的防范措施，是输电运行专业人员解决问题的根本。

关键词：采空区；输电杆塔；倾斜；分析研究；防范措施

引言

煤炭开采长期以来一直是临汾市的支柱产业，不论是在能源的生产还是消费领域，煤炭始终占据70%以上的比重。临汾地区所辖输电线路必经煤矿区，煤矿开采后留下大面积采空面及巷道，矿体上覆盖岩层失去支撑，周围岩体失去原来的平衡状态，随之产生弯曲或断裂、坍塌，地面沉降，导致其上的输电线路铁塔、绝缘子倾斜，架空地线弛度变小，基础不均匀沉降。为了确保线路安全运行，提高对采空区塌陷区的管控水平，真正做到“可控、再控、能控”，避免因此引起的线路跳闸事故，分析采空区对输电线路的危害要进行深入的研究。

1采空区杆塔倾斜的探讨

1.1杆塔倾斜

采空区发生塌陷后，其对地表的影响首先是不均匀沉降，有的地方下沉值大，有的地方下沉值小，位于布均匀沉降区的杆塔基础或拉线基础会随之出现倾斜。同时，地表的移动也会导致杆塔的倾斜。杆塔倾斜后，最直接的现象就是直线杆塔的绝缘子串和地线悬垂线夹偏移。这是因为杆塔倾斜后，塔头就会出现位移，而导地线由于其本身的应力作用及分布，极力使挂点位置维持在原位，这就导致了绝缘子串和架空地线悬垂线夹偏移。

对 于导线来说，由于绝缘子有一定的长度，可以自行调节一部分不平衡张力，且其位于杆塔头部下方，偏移小于杆塔顶，因此轻微的倾斜不会对导线造成较大危害。而架空地线位于杆塔顶部，其偏移值几乎与杆塔顶相同，且其可自调节部分很小，一般只有一至两个金具，因此其受力最大，严重的可拉断架空地线或地线横担。同时，由于杆塔倾斜的方向与架空地线拉力方向相反，铁塔主材或混凝土杆体会出现挠度。

1.2 杆塔位移

采空区塌陷不仅使地表出现倾斜，而且会使杆塔位置出现水平位移，这种位移同样会使绝缘子串和架空地线悬垂线夹出现偏移，其后果与杆塔倾斜一样。

1.3 杆塔构件变形、撕裂

采空区塌陷引起的地表各点移动不尽相同，因此杆塔基础之间的移动和下沉也不仅相同，这就会引起基础根开的变化。基础根开的变化会导致杆塔构件间应力的重新调整，当超过其弹性变形范围后，钩边就出现撕裂或变形。

1.4导地线间距变化

无论是杆塔倾斜还是杆塔位移，均会使导地线出现不平衡张力，尤其是架空地线，其反映更为明显，表现为杆塔一侧架空地线弧垂增大，另一侧减小。对于弧垂减小的一侧，导地线之间距离加大，对于弧垂增大的一侧，导地线之间距离缩小，当缩小到一定程度时，在风力作用下就可能引发导地线短路。

2采空区综合分析

2.1采空区杆塔OPGW(复合光纤架空地线)地线应力变化计算

采空区上的杆塔发生倾斜时，会造成导、地线的张力发生变化，尤其OPGW复合光缆，因其特殊的联结方式，它的应力变化较大，有时发生导、地线安全距离不足而发生掉闸事故、严重造成横担变形，导线拉断严重后果。所以必须予以重视和验算。

杆塔倾斜造成OPGW复合光缆长度变化有以下三部分组成：

（1）杆塔倾斜造成导线伸长值

注：杆塔向大号侧倾斜时大号侧的档距为 反之小号侧的档距为+ 。

地线收紧（放松）弧垂后，因地线曲线的几何变形而引起的地线剩余长度

挂线侧杆塔挂线点产生的挠曲

如果杆塔挠曲和地线蠕变及联结金具的弹性伸长等可略去不计，那么，地线应力随杆塔倾斜值的变化而变化的长度为：

(1)

式中 (2)

(3)

为杆塔倾斜后的应力； 为地线原有应力。

将（2）及（3）代入（1）式中，即得到杆塔倾斜后地线应力状态方程；

(4)

表1 某线路杆塔倾斜地线（OPGW）应力变化

如下图计算机软件计算的地线驰度的变化情况

2.2采空区杆塔导线应力变化计算

2.2.1架空线各点所受应力的方向，是沿切线方向变化的，最低点的应力为水平应力。在悬点等高档距中，悬A所受张力T_A可分解为水平分力 和垂直分力 ，见图，即：

（5）

=T₀= （6）

=nL_vS （7）

σ-----------导线最低点处的水平应力。

s-------------导线的截面积。

n-------------导线分裂根数。

L_C-----------导线垂直档距。

2.2.2 导线最低点处，水平应力的计算

当气象条件变化时，架空线所受温度和荷载也发生变化，其水平应力和弧垂也随着变化。不同气象条件下的水平应力，可根据下面架空线状态方程式求出：

（8）

当某一气象条件（比载为g_m，气温为t_m）下的应力 为已知，欲求得另一气象条件（比载为g、气温为t）下的应力σ时，即可用（1）式解出。

2.2.3 本杆塔垂直档距的计算L_v

杆塔两侧档距最低点间的水平距离，用于计算杆塔的垂直荷载，如图2所示。不考虑高差时，计算式为

由电线力学原理

，

，

（8）

式中 、 ——杆塔两侧耐张段电线的平均应力；

、 ——杆塔两侧档电线挂点的高差，为具有正负的代数量。

若为直线杆塔 ，则

（9）

考虑高差时，计算式为

（10）

若为直线杆塔

（11）

2.2.4 若杆塔发生倾斜时导线水平分力为：

=T₀= ±nL_vSsinα （12）

α是杆塔的倾斜角度，倾斜侧档距的水平分力减小，反向侧档距的水平分力增加。

3 采空区处理措施

3.1 各运行单位应与当地地质部门,煤矿等矿产部门联系确定线路沿线地质情况,如采空,易采区,开采区等,建立采空区杆塔台帐,制定运行标准与观测周期。

3.2适时与在采空区进行开采的单位联系,了解开采方向、开采深度及开采时间,对采空区建立地形变化记录,定期对地形下陷情况进行分析研究,制定防范措施,对变化频繁的地段缩短观测周期,动态制定相应的防范措施。

3.3设计部门在新建线路设计时要尽量避开采空区,无法避开的要采取相应的基础加强设计,还应考虑杆塔下沉后导线对地跨越物的安全距离。

3.4加强采空区段线路的巡视调查,重点检查杆塔周围地层变化,当杆塔发生倾斜变化时要作好测试记录,应采用仪器从顺线、横向方向进行测量,计算出杆塔结构倾斜值,同时进行根开对角线的测量,对杆塔倾斜严重的进行分析并及时加固基础，及时调整倾斜程度,避免拉线、杆塔受力过大,造成倒杆断线事故,严重者应改走径(不均匀沉降杆塔倾斜时,应先调整导线地线挂点,释放导地线及杆塔应力,防止断线或倒塔。

3.5在3月份温度开始变暖，地表开始解冻时缩短监测周期,特别是变化较大的杆塔应每3-5天进行测试,夏季雨水较多时应进行特殊巡视.

3.6聘用当地村民作护线员,随时观测,随时汇报,并应对护线员进行培训,教会观测办法(在杆塔上采用悬挂锤球与地面参考点进行观测)。

3.7对无法避开采空区路径的杆塔不宜采用双回塔或钢筋混凝土杆架设。

3.8释放导地线张力

杆塔倾斜后，为防止架空地线断裂、地线横担受损或导地线短路，应首先打开直线杆塔导地线悬垂线夹，使两侧导地线应力平衡。顺序为先释放架空地线悬垂线夹，后释放导线悬垂线夹，防止导线不平衡张力释放后，加大架空地线的不平衡张力。在打开架空地线的悬垂线夹前，应先将其张力通过葫芦等将张力转移，防止发生炮线，伤及作业人员和地线发生跳跃。

参考文献：

［1］《煤矿开采损害与保护》 郭文兵，柴华斌 （煤炭工业出版社）

［2］《送电线路》 尹庆福 （中国电力出版社）

［3］《输电杆塔结构及其基础设计》 刘树堂 （中国水利水电出版社）

［4］《输电线路运行故障分析与防止》 胡毅（中国电力出版社）