陳路，劉慶豐，鄧威，徐明鳴

(中國能源建設(shè)集團湖南省電力勘測設(shè)計院，湖南 長沙 410007)

復(fù)合材料在220 kV輸電線路桿塔中的應(yīng)用與設(shè)計研究

陳路，劉慶豐，鄧威，徐明鳴

(中國能源建設(shè)集團湖南省電力勘測設(shè)計院，湖南 長沙 410007)

復(fù)合材料具有環(huán)保、美觀、輕質(zhì)、高強度和耐受性好等優(yōu)勢。文章提出在220 kV輸電線路桿塔中采用復(fù)合材料替代傳統(tǒng)鋼材的新思路，對復(fù)合材料在輸電線路桿塔中應(yīng)用的關(guān)鍵點進行分析，并對復(fù)合材料桿桿型的選擇、塔頭間隙設(shè)計、桿身受力和經(jīng)濟性進行詳細的研究。

復(fù)合材料桿；電力；輸電線路；桿塔

復(fù)合材料主要由玻璃纖維、生物質(zhì)材料和不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂以及聚氨酯樹脂材料組成，通過纖維纏繞、拉擠、真空灌注等工藝使其成型。復(fù)合材料桿塔研究和應(yīng)用技術(shù)代表了當(dāng)今國際輸電領(lǐng)域新材料應(yīng)用的發(fā)展方向，其優(yōu)勢明顯，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

1 復(fù)合材料的優(yōu)勢特性

1.1 環(huán)保、節(jié)能

復(fù)合材料由于材料和制品的加工特性，與傳統(tǒng)鐵塔相比生產(chǎn)所需的能耗大為降低，同時也避免了鐵塔在加工過程中的鍍鋅工藝帶來的環(huán)境污染，在輸電線路中可以成為鋼材的一種理想替代品。

另外，復(fù)合材料性能高、強度高、使用壽命長，節(jié)省資源和能源，可降低污染物排放。

1.2 節(jié)省走廊、降低場強影響范圍

復(fù)合材料桿因其良好的絕緣性能，可降低桿塔高度，縮短橫擔(dān)長度，配合使用絕緣橫擔(dān)，可以減少甚至不用絕緣子。以220 kV輸電線路為例，復(fù)合材料桿比同尺寸規(guī)格的金屬桿塔節(jié)省近2 m的輸電線路走廊用地，同時復(fù)合材料桿對地場強和導(dǎo)線表面最大場強影響范圍明顯減小，對減小輸電線路的電能損失和無線電干擾具有積極意義。

1.3 抗腐蝕、抗老化性能好

對輸電線路鐵塔，一般要求進行熱浸鍍鋅防腐蝕處理，但經(jīng)過若干年的使用之后，也往往由于鋅層破壞而發(fā)生銹蝕，會大大降低鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力。而復(fù)合材料具有很強的環(huán)境適應(yīng)性，在基體材料中添加抗老化助劑、紫外線吸收劑等，效果顯著。

1.4 安全系數(shù)高

復(fù)合材料彈性模量在25～50 GPa之間，比鋼構(gòu)件的彈模2.06×105N/mm2要低得多，與混凝土相近。在強風(fēng)、斷線、覆冰等載荷突變工況下不容易斷裂。同時利用復(fù)合材料的絕緣特性，可以大大降低線路懸垂絕緣子的長度，甚至完全取消懸垂絕緣子，從而降低線路因風(fēng)擺產(chǎn)生的閃絡(luò)舞動事故風(fēng)險；利用復(fù)合橫擔(dān)外套硅橡膠的憎水性，可有效避免污閃、濕閃事故，減少覆冰，提高線路安全運行水平。

1.5 質(zhì)量輕、節(jié)省運輸成本

復(fù)合材料桿比混凝土桿、鋼管桿質(zhì)量輕，玻纖增強環(huán)氧樹脂的密度僅為鋼材的1/3。在運距稍遠或者規(guī)劃道路尚未形成的線路段，可以大幅降低運輸成本和施工人員勞動強度。

1.6 美觀、環(huán)境友好

復(fù)合材料的顏色可調(diào)、造型多樣，可增強線路的環(huán)境友好性。讓輸電線路桿塔外觀更貼近自然環(huán)境，對自然環(huán)境感觀和因征地、風(fēng)水等問題產(chǎn)生的糾紛，有一定的緩解作用。

2 復(fù)合材料桿桿型的選擇

以城郊工程為例，城郊工程一般屬于經(jīng)濟規(guī)劃或發(fā)達地區(qū)，城市規(guī)劃部門往往要求使用單桿配合城市建設(shè)，但道路已規(guī)劃卻尚未形成，鋼管構(gòu)件過重運輸不便，房屋分布眾多等都是客觀存在的問題。

復(fù)合材料桿一般有3種組成型式，分別為:全復(fù)合型、塔頭復(fù)合型、橫擔(dān)復(fù)合型。通過將以上3種設(shè)計方案與常規(guī)鋼管桿進行初步對比，得出以下結(jié)論:

1)在相同設(shè)計條件下，復(fù)合材料桿由于其出色的絕緣性能，直線桿橫擔(dān)較常規(guī)鋼管桿橫擔(dān)最大可縮短約1.9 m，轉(zhuǎn)角桿可縮短1.2 m；由于懸垂絕緣子串縮短，鐵塔呼高降低約1.5 m。

2)全復(fù)合材料桿主桿采用復(fù)合材料，主桿總重量較鋼管桿減少20%，復(fù)合材料輕便，可有效降低桿塔運輸和組裝成本。

3)僅從單價上考慮，復(fù)合材料的單價高于鋼材，使得復(fù)合材料桿本體成本與鋼管桿基本持平，甚至略高，但結(jié)合考慮環(huán)境協(xié)調(diào)、人力、運輸、安裝等因素后，在城區(qū)線路其綜合效益方面具有一定優(yōu)勢。

3 復(fù)合材料桿塔頭間隙設(shè)計分析

以常用的雙分裂導(dǎo)線220 kV輸電線路為例，對直線桿和復(fù)合桿分別進行設(shè)計分析。

3.1 復(fù)合材料直線桿

復(fù)合直線桿的塔頭設(shè)計，分為常規(guī)布置方案和對稱布置方案2種。常規(guī)布置方案中導(dǎo)線橫擔(dān)按鋼管桿三角形排列布置，中相導(dǎo)線掛于桿身一側(cè)，較鋼管桿橫擔(dān)長度減少1.9 m，最大程度上減少橫擔(dān)長度，節(jié)省線路走廊寬度。

對稱布置方案中，上、下層導(dǎo)線橫擔(dān)左右兩邊等長對稱，中相導(dǎo)線的兩根子導(dǎo)線分掛在上橫擔(dān)兩側(cè)。與鋼管桿相比，橫擔(dān)長度減少0.8 m，布置協(xié)調(diào)，受力平衡，整體感觀較好。具體復(fù)合直線桿塔頭型式及尺寸如圖1所示。

圖1 復(fù)合直線桿

3.2 復(fù)合材料轉(zhuǎn)角桿

與復(fù)合直線桿的塔頭設(shè)計類似，復(fù)合轉(zhuǎn)角桿的塔頭設(shè)計也分為常規(guī)布置方案和對稱布置方案。2種方案的橫擔(dān)布置不同，常規(guī)布置地線支架長度不等長且只有一層導(dǎo)線橫擔(dān)；而對稱布置方案是為配合直線桿對稱方案設(shè)計。復(fù)合轉(zhuǎn)角桿塔頭型式及間隙尺寸如圖2所示。

圖2 復(fù)合轉(zhuǎn)角桿

綜上所述，2種塔頭布置方式、塔頭高度相同，橫擔(dān)長度較鋼管桿均有不同程度的縮短，有效節(jié)省線路走廊。對稱布置橫擔(dān)使全桿整體受力較優(yōu)，且布置協(xié)調(diào)，整體感觀好。如能夠通過試驗減少送電擊穿距離，橫擔(dān)還可進一步縮短。

4 復(fù)合材料桿身受力分析

復(fù)合桿塔的正常使用由桿身應(yīng)力和位移決定，桿身最大應(yīng)力不得超過復(fù)合材料許用應(yīng)力，正常運行工況桿身最大位移應(yīng)小于等于規(guī)范允許位移(1.5%×桿高)〔3〕。

采用在輸電線路分析中應(yīng)用廣泛應(yīng)用的ANSYS軟件，建立了由內(nèi)層 (玻璃鋼)、中層 (夾層)和外層 (玻璃鋼)疊合形成的復(fù)合桿塔三維有限元實體模型?？紤]復(fù)合材料的分層性及正交各向異性，選用SOLID46單元進行模擬。得到塔身位移和應(yīng)力分布圖，如圖3所示。

圖3 正常運行工況塔身位移云圖

由圖3可知桿身最大應(yīng)力由驗算覆冰工況控制(湖南地區(qū)為中冰區(qū))，直線塔出現(xiàn)于橫擔(dān)與桿身連接處，因為相連部位接觸面積小且截面突變，導(dǎo)致應(yīng)力集中，應(yīng)力值最大；轉(zhuǎn)角塔出現(xiàn)于桿底端，因為底端彎矩大，受壓側(cè)應(yīng)力最大；桿身最大位移出現(xiàn)在桿頭位置。不同塔型桿身應(yīng)力及位移量的比較見表1。

表1 不同塔桿身應(yīng)力及位移量的比較

綜上所述，復(fù)合桿塔主要受最大位移控制，因為復(fù)合材料拉壓強度高，能輕松滿足強度要求，但是復(fù)合材料側(cè)向剛度小，水平位移大，是主要控制因素。在復(fù)合桿塔設(shè)計和研究中，需著重研究提高其側(cè)向剛度問題。

5 經(jīng)濟技術(shù)比較

以下對直線、轉(zhuǎn)角桿采用不同材料和不同布置進行技術(shù)經(jīng)濟效果比較，同時擬采用承臺式基礎(chǔ)，依據(jù)相關(guān)規(guī)范〔5〕進行測算，見表2，3。

表2 直線桿經(jīng)濟指標比較

表3 轉(zhuǎn)角桿經(jīng)濟指標比較

由表1，2結(jié)果可知，采用對稱布置復(fù)合材料直線桿，走廊寬度可縮小1.6 m，采用對稱布置復(fù)合材料轉(zhuǎn)角桿，走廊寬度可縮小2.2 m。雖然從本體材料價格上看，復(fù)合材料桿比鋼管高，但是采用復(fù)合桿，減少了跨房及減少的走廊青苗補償面積。另外，如果采用合適的外觀設(shè)計，比如外貼樹皮的型式，改善輸電電桿外觀形象，也可減少當(dāng)?shù)鼐用駥Ω呖蛰旊娋€路建設(shè)的抵觸，對順利推進工程建設(shè)，按期完成工程進度，具有積極作用。

6 尚需開展的工作

6.1 復(fù)合材料桿塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計

復(fù)合材料在彎曲荷載作用下變形較大，特別是在覆冰情況下，桿塔過大的變形將影響輸電線的電氣安全距離。因此，應(yīng)在復(fù)合材料設(shè)計過程中首先解決桿塔的結(jié)構(gòu)剛度問題。針對復(fù)合材料本身模量較低的問題，參照現(xiàn)有金屬桿塔、混凝土桿等成熟桿塔，開展新型高剛度結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究，提高桿塔的結(jié)構(gòu)剛度，達到輸電線路對桿塔的剛度要求。

6.2 耐候性、高電壓等級用材料體系設(shè)計

對不同電壓等級、環(huán)境下所采用的樹脂體系開展研究，從復(fù)合材料高電壓老化機理、復(fù)合材料絕緣性能方面著手，制定復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的有效防護措施。

6.3 高剛度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造技術(shù)

復(fù)合材料的界面能否優(yōu)良的結(jié)合是該項技術(shù)關(guān)鍵之一，良好的界面結(jié)合能有效的均勻傳遞應(yīng)力，使產(chǎn)品整體受力，從而達到優(yōu)良的機械性能。

6.4 高效的節(jié)點連接及整體組裝技術(shù)

高效的節(jié)點連接是復(fù)合材料桿塔能否推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過系統(tǒng)地研究復(fù)合材料的構(gòu)件性能、疲勞性能、節(jié)點性能，設(shè)計高效的連接形式，并制定相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范，形成復(fù)合材料桿塔節(jié)點連接及整體組裝的成套解決方案。

6.5 復(fù)合材料桿塔低成本制造技術(shù)

復(fù)合材料桿塔相對于混凝土電桿、鋼管桿而言，其成本高是顯而易見的，同時輸電線路的覆蓋面之廣，大量應(yīng)用高成本的玻璃鋼是不現(xiàn)實的，因此復(fù)合材料桿塔的結(jié)構(gòu)與材料優(yōu)化設(shè)計、低成本化快速制造技術(shù)成為復(fù)合材料桿塔應(yīng)用的關(guān)鍵。

6.6 復(fù)合材料桿塔防雷技術(shù)研究

復(fù)合材料桿塔的巨大優(yōu)勢就是大大增加了導(dǎo)線相地之間的絕緣距離，對于雷電活動頻繁的地區(qū)或者電壓等級較高需要全線架設(shè)避雷線的線路來說，如果將位于桿塔頂端的避雷線接地，相當(dāng)于將絕緣桿塔斷路，桿塔的絕緣優(yōu)勢就大打折扣，因此需要合理解決接地方案。

6.7 復(fù)合材料輸電桿塔性能評價技術(shù)

復(fù)合材料輸電桿塔與傳統(tǒng)的水泥桿、金屬桿塔不同，屬于全新的材料領(lǐng)域，通過示范工程的復(fù)合材料桿塔進行全尺寸真型試驗，驗證其結(jié)構(gòu)性能和安全可靠性，為復(fù)合材料桿塔的工程應(yīng)用提供實證依據(jù)。同時，制定和完善復(fù)合材料輸電桿塔設(shè)計、制造、性能評價、安裝、運行等一系列相關(guān)技術(shù)導(dǎo)則，為其長期健康發(fā)展提供支撐。

7 結(jié)論

復(fù)合材料具有環(huán)保、美觀、輕質(zhì)、高強度、耐受性好等獨特的材料性能。結(jié)合復(fù)合材料的材料性質(zhì)，通過把握復(fù)合材料在輸電線路中應(yīng)用的主要關(guān)鍵點，對220 kV電力輸電線路中復(fù)合材料桿桿型的選擇、塔頭間隙設(shè)計、桿身受力分析、經(jīng)濟性比較方面進行研究。可以預(yù)見，在220 kV輸電線路中采用更為環(huán)保的復(fù)合材料替代傳統(tǒng)鋼材，將是輸電線路與城市環(huán)境完美結(jié)合的典范，必將推動輸電線路向資源節(jié)約、環(huán)境友好的方向更好的發(fā)展。

〔1〕GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范 〔S〕.北京:中國計劃出版社，2010.

〔2〕DL/T 5440—2009重覆冰架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程 〔S〕.北京:中國電力出版社，2009.

〔3〕DL/T 5154—2002架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定 〔S〕.北京:中國電力出版社，2003.

〔4〕GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 〔S〕.北京:中國計劃出版社，2003.

〔5〕DL/T 5219—2005架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)定 〔S〕.北京:中國電力出版社，2005.

Application and design of composite materials in 220 kV power transmission line tower

CHEN Lu，LIU Qing-feng，DENG Wei，XU Ming-ming
(China Energy Engineering Group Co.Ltd，Hunan Electric Power Design Institute，Changsha 410007，China)

Composite materials have the advantages of environmental protection，beauty，low weight，high strength and high tolerance，etc.A new method is proposed that traditional composite steel can be substituted by composite material in transmission line tower.The key points of practical application of composite materials of the transmission line tower are analyzed，and the selection of tower type，the design analysis of tower head gap，the stress analysis of tower body and the economical efficiency are studied detailedly in this paper.

composite rods；electric power；transmission lines；tower

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.01.007

TM75

B

1008-0198(2015)01-0025-04

陳路(1982)，男，瑤族，湖南懷化人，大學(xué)本科，工程師，從事電力電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

2014-07-15 改回日期:2014-12-26