孫 鵬,白 禹,程克娜

(中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司,長春 130021)

復(fù)合橫擔(dān)桿塔設(shè)計(jì)分析

孫 鵬,白 禹,程克娜

(中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司,長春 130021)

介紹復(fù)合材料性能,針對輸電線路電壓等級越來越高,桿塔耗鋼材量大,基礎(chǔ)作用力大的情況,提出新型復(fù)合橫擔(dān)桿塔的設(shè)計(jì)方法,分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)方法和基本尺寸規(guī)劃,并對角鋼塔和復(fù)合橫擔(dān)塔的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行比較,認(rèn)為復(fù)合橫擔(dān)塔具有節(jié)能和降低造價(jià)的優(yōu)點(diǎn)。

輸電線路;復(fù)合橫擔(dān);設(shè)計(jì)方法

1 概述

隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展,西電東送、南北互供的電網(wǎng)建設(shè),全國輸電線路的增多對鋼材的需求越來越大,將造成生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重污染[1]。目前我國110 k V以上輸電線路桿塔絕大部分采用全鋼結(jié)構(gòu)[2],但鋼材存在質(zhì)量重、易銹蝕或開裂等缺陷,以及施工運(yùn)輸和運(yùn)行維護(hù)困難等問題,而且桿塔為全鋼結(jié)構(gòu)的輸電線路易發(fā)生污穢閃絡(luò)、風(fēng)偏放電等故障。

復(fù)合材料桿塔用于輸電線路可節(jié)約大量鋼材,利用桿塔絕緣性,不僅易于解決輸電線路的風(fēng)偏和污閃事故,提高線路安全運(yùn)行水平,同時(shí)還可以減小塔頭尺寸和走廊寬度;桿塔輕便,易加工成型,可以大幅度地降低桿塔的運(yùn)輸和組裝成本;桿塔的耐腐蝕、耐高低溫、強(qiáng)度大、被盜可能性小,可降低線路的維護(hù)成本;同時(shí)由于桿塔顏色可調(diào)、無毒害、報(bào)廢后可再利用,增強(qiáng)了線路的環(huán)境友好性。

由此可見,復(fù)合材料桿塔具有更好的綜合性能,在材料性能滿足要求的基礎(chǔ)上,通過合理的設(shè)計(jì),將復(fù)合材料桿塔用于輸電線路工程,在經(jīng)濟(jì)及社會效益等方面具有重要意義。

2 復(fù)合材料性能

復(fù)合材料以一種材料為基體(包括金屬和非金屬兩類),另一種材料為增強(qiáng)體組合而成。輸電結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料基體應(yīng)選用非金屬材質(zhì),常見非金屬質(zhì)基體復(fù)合材料及優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 3種常見復(fù)合材料之間優(yōu)缺點(diǎn)比較

3 復(fù)合材料設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

目前輸電行業(yè)內(nèi)的復(fù)合構(gòu)架設(shè)計(jì)缺少相關(guān)規(guī)范依據(jù),該文推薦采用“等代原則”。等代設(shè)計(jì)是工程復(fù)合材料中較常用的設(shè)計(jì)方法:即在荷載和使用環(huán)境基本不變的情況下,考慮復(fù)合材料的特點(diǎn),采用大致相同形狀(或適當(dāng)改變形狀和尺寸)的復(fù)合材料構(gòu)件代替原材料,并用原材料的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。用復(fù)合材料代替金屬時(shí),結(jié)構(gòu)內(nèi)部的構(gòu)件形狀和尺寸會發(fā)生變化。進(jìn)行等代設(shè)計(jì)時(shí),一般采用等剛度設(shè)計(jì)后,再做強(qiáng)度校核,并輔助采用有限元數(shù)值分析對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,優(yōu)化驗(yàn)證設(shè)計(jì)。

3.2 橫擔(dān)架構(gòu)設(shè)計(jì)

復(fù)合材料為典型的各向不同性材料,抗壓強(qiáng)度不足抗拉強(qiáng)度一半,且彈性模量遠(yuǎn)低于鋼材,其整體穩(wěn)定問題也較鋼構(gòu)件突出,因此復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能多的利用拉鎖結(jié)構(gòu),且對壓桿提供足夠的支撐約束。

橫擔(dān)上平面斜拉桿能充分發(fā)揮復(fù)合材料性能,通過金具與塔身連接,端節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單,中間無金屬節(jié)點(diǎn),不須考慮電氣間隙要求;橫擔(dān)下平面為受壓材,設(shè)計(jì)時(shí)須考慮穩(wěn)定問題,應(yīng)構(gòu)造節(jié)點(diǎn),并通過附加桿件對受壓主材進(jìn)行支撐,而節(jié)點(diǎn)的設(shè)置會引入金屬材質(zhì),從一定意義上降低了橫擔(dān)的絕緣性能。所以,復(fù)合橫擔(dān)設(shè)計(jì)是綜合考慮絕緣性能和受壓桿穩(wěn)定的過程,單純的構(gòu)造絕緣長度或小長細(xì)比受壓主材都是不合理的。鑒于此,該文建議橫擔(dān)構(gòu)架采用圖1的構(gòu)造方案。

圖1 復(fù)合橫擔(dān)設(shè)計(jì)方案

3.3 節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)

復(fù)合材料是脆性材料,力學(xué)性能與金屬有本質(zhì)區(qū)別,連接部位是薄弱環(huán)節(jié),其設(shè)計(jì)和分析是整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的重點(diǎn)。通過對國內(nèi)外復(fù)合材料連接設(shè)計(jì)的廣泛調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前承力復(fù)合材料構(gòu)件主要采用螺栓連接、膠接、螺栓-膠接混合連接和預(yù)埋金屬件接頭、通過金屬件接頭相連四種連接方式。對于圓形閉口截面構(gòu)件,以膠接和預(yù)埋金屬件接頭為主。

其中膠接的連接部位質(zhì)量小、引起永久變形小,歐洲和美國的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中也對復(fù)合材料膠接進(jìn)行了介紹,均認(rèn)為其擁有足夠的連接強(qiáng)度。但是現(xiàn)場膠接的質(zhì)量得不到可靠保證,同時(shí)目前國產(chǎn)膠的承載力較低,難以滿足復(fù)合橫擔(dān)的承載力要求。而預(yù)埋金屬件接頭,其承載力較高,連接方便,但工藝復(fù)雜,難以在多規(guī)格材質(zhì)的復(fù)合橫擔(dān)上應(yīng)用。

借鑒預(yù)埋金屬件接頭、螺栓連接和膠接等連接方法,提出一種新型節(jié)點(diǎn)連接方式-鋼套管式節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)過程是在復(fù)合材料型材成型后,利用膠結(jié)連接金屬件,再通過金屬件進(jìn)行螺栓連接。鋼套管式節(jié)點(diǎn)可以提高節(jié)點(diǎn)的承載能力,并且傳力可靠,連接方便。

3.4 構(gòu)件抗老化設(shè)計(jì)

玻璃鋼纖維復(fù)合材料的老化主要是由樹脂基體、增強(qiáng)纖維以及樹脂/纖維粘接界面的破壞引起。上海玻璃鋼研究所對玻璃鋼材料進(jìn)行自然老化試驗(yàn),指出采用必要的防老化措施后,玻璃鋼的老化問題不是很嚴(yán)重,強(qiáng)度未發(fā)生較大退化,強(qiáng)度保留率在85%以上,且泊松比沒有明顯下降。因此,該文推薦對復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行全外表面防老化涂漆處理。

4 基本塔型尺寸規(guī)劃

基本塔型采用本次投標(biāo)設(shè)計(jì)的SZ1型桿塔,基本使用條件如下:

b.水平檔距為420 m;垂直檔距為550 m;

c.Kv=0.85;

d.導(dǎo)線垂直排列,取消懸垂絕緣子。

4.1 懸垂串長確定

采用復(fù)合橫擔(dān)時(shí),由于橫擔(dān)為絕緣體,導(dǎo)線和橫擔(dān)之間考慮不采用懸垂絕緣子串,可以消除塔頭風(fēng)偏放電故障,對低電壓等級的輸電線路是可行的。但對于采用分裂導(dǎo)線的高電壓等級輸電線路,除了絕緣需要,在桿塔設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮線懸垂塔的縱向不平衡張力。若取消懸垂絕緣子串,會因分裂導(dǎo)線縱向不平衡張力控制而需增大橫擔(dān)塔身的構(gòu)件規(guī)格,較不經(jīng)濟(jì)。以下擬將絕緣子串取消,保留適當(dāng)金具長度。

計(jì)算所得輸電線路桿塔分裂導(dǎo)線縱向不平衡張力僅為最大使用張力,平地6.2%,山區(qū)11.4%;冰區(qū)脫冰工況縱向不平衡張力更小,均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定。因此,平丘地形時(shí)可考慮1～1.2 m串長,一般山地地形(高差＜15%)可考慮1.5～1.8 m串長。該工程使用復(fù)合橫擔(dān)直線塔適用于平丘地,金具長度推薦采用1.2 m。

計(jì)算出的輸電線路桿塔分裂導(dǎo)線縱向不平衡張力僅為最大使用張力,平地6.2%,山區(qū)11.4%;冰區(qū)脫冰工況縱向不平衡張力更小,均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定。因此,平丘地形時(shí)可考慮1～1.2 m串長,一般山地地形(高差＜15%)可考慮1.5～1.8 m串長。該工程使用復(fù)合橫擔(dān)直線塔適用于平丘地,金具長度推薦采用1.2 m。

4.2 最小塔頭布置

根據(jù)規(guī)程規(guī)定,10 mm冰區(qū)導(dǎo)、地線水平位移不小于1.75 m。根據(jù)規(guī)程規(guī)定導(dǎo)地線線間距離應(yīng)滿足0.012L+1 m的要求。導(dǎo)地線塔頭垂直距離取6 m。根據(jù)GB 50545-2010《110～750 k V架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》,垂直排列導(dǎo)線最小垂直線間距離不小于10 m,SZ1塔采用絕緣橫擔(dān)后,懸垂絕緣子串可縮短,間隙圓對導(dǎo)線垂直線間距離不起控制作用,故垂直線間距離取10 m。

4.3 間隙

海拔1 000 m以下按規(guī)程規(guī)定大氣過電壓間隙3.3 m,操作過電壓間隙2.7 m,工頻電壓間隙1.3 m。該工程為雙回路,采用加強(qiáng)絕緣,實(shí)際大氣過電壓條件下間隙值取為4.1 m。間隙對塔頭布置不控制。

4.4 電磁環(huán)境校核

采用復(fù)合橫擔(dān)后,相間水平、垂直距離均小于常規(guī)塔型,表面場強(qiáng),無線電干擾,可聽噪聲計(jì)算值均增大,但仍滿足規(guī)程要求。

4.5 雙回路復(fù)合材料直線塔桿塔設(shè)計(jì)

雙回路直線塔導(dǎo)線一般采用垂直排列的布置方式,該方案的線路走廊較小、回路明確、結(jié)構(gòu)簡單、傳力清晰、施工和檢修較為方便,并且在500 k V雙回輸電線路工程中廣泛應(yīng)用。

復(fù)合橫擔(dān)塔也可采用垂直排列的布置方式,對上相橫擔(dān),考慮到取消絕緣子串后金具串較短。為滿足導(dǎo)、地線間距離的要求,考慮到構(gòu)造和傳力要求,將其與地線支架獨(dú)立。

同時(shí)地線支架采用角鋼,防雷接地易于實(shí)現(xiàn)。該布置方式既能滿足承載力的要求,又能很好地與常規(guī)角鋼塔協(xié)調(diào)。由于戶外自然環(huán)境惡劣,復(fù)合橫擔(dān)塔在長期運(yùn)行過程中,可能會出現(xiàn)因老化而強(qiáng)度下降、絕緣性能減退等現(xiàn)象,此時(shí)需要更換同規(guī)格復(fù)合橫擔(dān)。此時(shí)為避免導(dǎo)線落地,需采用地線支架暫掛導(dǎo)線,待更換復(fù)合橫擔(dān)后再將懸掛于地線支架的導(dǎo)線掛回。

復(fù)合橫擔(dān)塔下橫擔(dān)長度僅為7.05 m,較常塔縮短2.4 m;但此塔頭尺寸僅僅是根據(jù)絕緣及規(guī)范相關(guān)規(guī)定確定的最小塔頭尺寸,未考慮其他因素的影響。綜合考慮橫擔(dān)最小電弧距離、爬高比(不宜大于4 m)、金具節(jié)點(diǎn)長度及制造工藝要求等因素以后,實(shí)際復(fù)合橫擔(dān)需要適當(dāng)加長。最短橫擔(dān)要求的絕緣長度為5 m,通過在玻璃纖維復(fù)合材料上覆硅帶傘裙的橡膠護(hù)套,可以使其爬電距離達(dá)到11 000 mm以上,滿足500 k V線路污耐壓的要求。

5 復(fù)合材料桿塔的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

以下以直線塔為例進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較。本體造價(jià)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比,角鋼塔和復(fù)合橫擔(dān)塔經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比見表2。

表2雙回路角鋼塔、復(fù)合橫擔(dān)塔經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

由表2可知,與常規(guī)角鋼塔相比,雙回路復(fù)合橫擔(dān)直線塔主要有以下優(yōu)點(diǎn):

a.橫擔(dān)結(jié)構(gòu)與直線塔的橫擔(dān)結(jié)構(gòu)相同,結(jié)構(gòu)型式簡單,傳力清晰;

b.橫擔(dān)長度較常規(guī)角鋼塔縮短2.3 m,減小走廊寬度約4.6 m,減小了導(dǎo)線的荷載作用,降低塔重和基礎(chǔ)作用力;

c.塔重降低約22%,基礎(chǔ)混凝土降低約13%,本體造價(jià)降低約16%。

由此可見,對于雙回路直線塔,當(dāng)導(dǎo)線橫擔(dān)采用復(fù)合材料時(shí),具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)由于走廊寬度降低,施工通道所涉及的賠償、協(xié)議收取,施工周期等都將降低,也必將提升線路運(yùn)行的整體經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

6 結(jié)束語

在輸電線路的經(jīng)濟(jì)分析中,通常注重建設(shè)期間的費(fèi)用投資,往往忽視了結(jié)構(gòu)全壽命過程費(fèi)用的分析,這里主要指線路桿塔的維護(hù)費(fèi)用。隨著經(jīng)濟(jì)、技術(shù)與管理的發(fā)展,人們越來越傾向于采用包括運(yùn)行維護(hù)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)全壽命過程的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)以及環(huán)境影響等綜合指標(biāo)來評價(jià)架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)。隨著輸電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,輸電線路結(jié)構(gòu)的運(yùn)行維護(hù)問題將日益突出,線路結(jié)構(gòu)的綜合費(fèi)用效益分析將逐步受到重視。為保證供電可靠性,輸電線路應(yīng)盡可能采用在使用期內(nèi)免維護(hù)或少維護(hù)的電力設(shè)施。結(jié)構(gòu)質(zhì)量是結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)之一。非金屬復(fù)合材料桿塔比木質(zhì)桿、混凝土桿和鋼管桿質(zhì)量輕,可以大幅降低運(yùn)輸成本和施工人工成本。復(fù)合材料架空線路電塔相對常規(guī)鐵塔對運(yùn)營維護(hù)依賴性低,維護(hù)費(fèi)用也遠(yuǎn)低于常規(guī)鐵塔。

[1] 左玉璽,薛更新,孫 強(qiáng),等.750 k V輸電線路復(fù)合橫擔(dān)設(shè)計(jì)研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2013,29(1):

[2] 王 力,羅正幫,楊雪鋒.復(fù)合材料輸電桿塔設(shè)計(jì)及其發(fā)展的制約因素[J].工程與建設(shè),2014,28(4):

本文責(zé)任編輯:王麗斌

Composite Crossarm Tower Design Analysis

Sun Peng,Bai Yu,Cheng Kena

(China Electric Power Engineering Consulting Group Northeast Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Changchun 130021,China)

The properties of composite materials,aiming at the line voltage level is more and more high,tower steel consumption and a large amount of basic force,puts forward the design method of the new composite crossarm tower,planning and analysis of basic dimensions of the basic design method of composite structures,and the steel tower and the tower of the composite cross arm economic indicators were compared.That the composite crossarm tower has the advantages of low cost and energy saving.

tower transmission;composite cross arm;design method

TM753

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孫 鵬(1987-),女,工程師,主要從事輸電線路設(shè)計(jì)和研究方面工作。