陳建勝，張正曉，邢照亮，陳麒麟，潘豪蒙，張 卓

（1.國網浙江永嘉縣供電有限公司，浙江 溫州 325100；2.全球能源互聯網研究院有限公司 先進輸電技術國家重點實驗室，北京 102209）

0 引言

我國是一個山地眾多的國家，配電線路工程尤其是以10 kV為代表的配網線路，不可避免地要經過植被茂密的林區(qū)、道路曲折的山區(qū)等運輸條件困難的地區(qū)。并且，這些地區(qū)的線路桿塔也經常由于地質災害等原因被損壞。由于環(huán)境復雜，道路崎嶇，大型機械設備進入困難。特別是在地質災害、不良天氣等情況下，搶修桿塔及工器具的運輸成為搶修工作的瓶頸難點。

復合材料具有優(yōu)異的可設計性，具有高強、輕質、絕緣、防腐、無磁、抗疲勞等多重特性[1]。復合材料電桿已經在沿海及山區(qū)地帶得到批量應用[2-3]，受到用戶的認可。但是在實際應用過程中，由于地形多種多樣，且山區(qū)丘陵路況復雜，整桿式復合材料電桿長度較長，且質量相對較重，可達300 kg，在搬運的過程中遇到樹木、大坡度或需急轉彎等特殊情況，會造成搬運困難[4]。因此，亟需開發(fā)具有分段式快速組裝形式的復合材料搶修桿。

本文通過設計，研制一種快速組裝的分段式復合材料搶修桿，解決復合材料電桿在山區(qū)搶險救災搬運過程中的問題。

1 復合材料電桿材料選型及性能

纖維增強復合材料最大的優(yōu)點是比強度高和比模量高。分段式復合材料搶修桿同時要受到導線及自身的重力、導線間的張力、90°大風風載等載荷的作用，因此要求電桿桿體具有較高的彎曲強度[5]。

復合材料桿塔主要由樹脂基體、增強纖維組成。增強纖維是復合材料中的主要受力材料，為復合材料提供主要的力學性能，國內常用的增強纖維有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等。不同纖維的力學特性具有很大的差別，在復合材料桿塔結構設計中，玻璃纖維由于具有力學性能好、絕緣性能良好、可加工性佳、成本低廉等優(yōu)點，應用最為廣泛。樹脂基體為復合材料提供了良好的電性能、光學性能、耐腐蝕性等，常用的樹脂基體有環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂和乙烯基樹脂等。其中聚氨酯樹脂以其韌性好、固化快、無苯乙烯煙霧等優(yōu)點，同時高性能聚氨酯具有良好的力學性能、耐腐蝕性能和耐老化性能，成為環(huán)氧樹脂基體材料最好的替代材料，目前已廣泛用于復合材料桿塔的制造中。

復合材料桿塔樹脂基體目前有環(huán)氧體系、乙烯基體系及聚氨酯體系，通過纏繞工藝成型。參照測試標準對各基體與歐文斯科寧PB-192-2400玻璃纖維纏繞單向板進行測試，結果如表1所示。通過不同樹脂基體復合材料的性能分析，看出聚氨酯體系的綜合性能較優(yōu)，且樹脂固化度及含量較高，與玻纖的匹配性較好，因此優(yōu)選聚氨酯樹脂作為基礎樹脂。

本次設計的復合材料搶修桿采用聚氨酯樹脂/玻璃纖維體系，并采用環(huán)向及小角度螺旋纏繞成型，這是因為聚氨酯復合材料具有良好的耐疲勞性、力學性能以及優(yōu)異的耐候性等[6]。復合材料桿選用的材料主要有：普通雙組分聚氨酯，享斯邁公司生產，其中A組分為SK15002脂肪組多元醇混合物，B組分為Suprasec3276異氰酸酯；高強度玻璃纖維無捻紗，PB-192-2400，歐文斯科寧公司生產。

表1 不同樹脂基體單向板性能數據Tab.1 Performance data of the unidirectional boards with different resin matrix

2 復合材料電桿設計

2.1 應用工況

以浙江永嘉地區(qū)為例，該工程為10 kV，單回路，15 m直線桿，導線為JKLY-10/240絕緣導線，導線為三角排列，根據當地氣象資料以及運行經驗，按浙C氣象區(qū)設計，其組合如表2所示。

表2 浙C氣象設計表Tab.2 Zhejiang C meteorological design table

JKLY-10/240導線主要參數如表3所示。

表3 導線參數Tab.3 Wire parameters

2.2 基本載荷計算

配網用復合材料錐形桿一般采用直埋式，埋深長度約為桿長的1/6。

經各個工況分析[7]，電桿在90°大風、無冰、未斷線工況下彎矩最大，水平和不平衡垂直載荷作用在單桿任意截面處的彎矩Mx為式（1）[8]。

式（1）中：Ga代表導線重力傳遞至桿的載荷；Ph代表導線風壓傳遞至桿的載荷；Px為截面x-x以上主桿桿身風壓；Z為截面x-x以上風壓合力作用的高度。Ga、Ph、Px、Z的表達式如式（2）～（5）所示。

式（2）～（5）中：Gli為上導線重力，N；a0為上導線到桿的距離，m；Pli為上導線風壓，N；h1為上導線到主桿的距離，m；Pc為下導線的風壓，N；h2為下導線到主桿的距離，m；C為風載體型系數，對于環(huán)形截面構件，風載體型系數C=0.7；v為風速，m/s；Dx為主桿x-x處外徑，m；D0為主桿頂部外徑，m；hx為截面x-x以上主桿高度，m；按梯形面積重心高，對于拔梢桿，Z一般取0.5hx。

線路中導線重力GD為式（6）。

式（6）中：γ4D為導線垂直載荷綜合比載[9]，N/(m·mm2)，表達式為式（7）；AD為導線計算截面積，mm2；L為水平檔距，m。

式（7）中：m為導線計算質量，kg/km。

導線風壓PD為式（8）。

式（8）中，γ1D為導線無冰風壓綜合比載，N/(m·mm2)，計算方法如式（9）所示。

式（9）中：v為設計風速，m/s；α為風速不均勻系數，其取值如表4所示；C為風載體型系數，C=1.2；d為導線外徑。

表4 風速不均勻系數取值表Tab.4 Value table of wind speed nonuniformity coefficient

在計算時，還應考慮復合材料電桿因撓度的變化所產生的附加彎矩，取主彎矩的15%計算。電桿埋深2.5 m，在埋深地面下1/3處，所受彎矩最大，MX=86.2 kN·m。

根據T/CEC 108—2016《配網復合材料電桿》標準，復合材料電桿承載力彎矩為標準檢驗彎矩的2倍[10]，即彎矩為172.4 kN·m。

2.3 分段式復合材料搶修桿的結構設計

復合材料搶修桿試樣的性能參數指標如表5所示。

表5 復合材料搶修桿試樣性能參數Tab.5 Performance parameters of composite repair pole

本次按照工程概況設計為長度15 m的分段式復合材料錐形電桿，整體錐度為1/75，梢徑為190 mm，底徑為390 mm，分段式復合材料搶修桿組裝后的錐度與整桿相一致。插接處按照緊固連接，經計算電桿底部埋深1/3處厚度為7 mm。通過式（10）計算該處的應力。

由此可知強度安全系數為338/248=1.36倍，彎矩172.4 kN·m能滿足強度滿足要求。

為方便運輸，復合材料搶修桿分為9 m+7 m上下兩段，根據纏繞原理，梢徑端較末端厚，長度越長越明顯，纖維纏繞理論計算如下：

上段長度為9 m，梢經厚度為12.12 mm，質量為115.19 kg。

下段長度為7 m，梢經厚度為10.70 mm，質量為117.92 kg。

按照錐度計算公式得出模具的理論尺寸如表6所示。

表6 15 m上下段模具理論尺寸Tab.6 Theoretical dimension of 15 m upper and lower mould

15 m分段式復合材料搶修桿設計如圖1所示。

圖1 15 m分段式復合材料搶修桿Fig.1 The 15 m segmented composite repair pole

2.4 復合材料搶修桿有限元校核

使用ABAQUS仿真軟件進行分析，復合材料電桿纏繞單層復合材料參數如表7所示。

表7 仿真計算參數Tab.7 Simulation parameters

理論設計最大彎矩為172.4 kN·m，對復合材料搶修桿模型根部進行固定，上下段緊密配合插接，通過螺栓固定，對電桿頂部施加最大彎矩載荷14 073 N載荷和1.1倍最大彎矩載荷15 480 N。

加載14 073 N時有限元校核分析結果如圖2所示。從圖2可以看出，電桿軸向最大壓縮應力為287.2 MPa，電桿撓度最大變形為4.159 m，插接部位最大應力為239.7 MPa。

圖2 加載14 073 N時仿真受力圖Fig.2 Simulation stress diagram when loading 14 073 N

加載15 480 N時有限元校核分析結果如圖3所示。從圖3可以看出，電桿軸向最大壓縮應力為317.8 MPa，電桿撓度最大變形為4.520 m，插接部位最大應力為258.9 MPa。

插接部位的應力較大，易造成應力集中，為結構的薄弱位置，需進行加強。綜上有限元分析計算校核，最大壓縮應力小于材料性能參數，底端壁厚為7 mm時，強度滿足復合材料電桿實際應用的工況要求。

圖3 加載15 480 N時仿真受力圖Fig.3 Simulation stress diagram when loading 15 480 N

3 型式試驗

3.1 產品制備

通過以上分析設計172.4 kN·m分段式復合材料搶修桿，纏繞成型三套，具體指標如表8所示。

表8 三套分段式搶修桿數據表Tab.8 Data sheet of three sets of segmented repair poles

三套復合材料電桿上段約為115 kg，下段約為120 kg，與理論設計基本一致，且上下段質量3～4人可輕松抬起搬運。分段式復合材料搶修桿的組裝采用直接套裝的形式，但在復合材料搶修桿生產過程中因外徑無模具保證，尺寸不精確，根據經驗下段梢徑整體小1 mm，插入深度可增加100 mm，因此在保證插接深度為1 m的情況下，對下段的上部表面1 m內進行處理和配合工裝使用，保證其插接深度與上下段插接密實。另外分段式搶修桿在回收時需拆分搬運，需設計一種專門工裝進行拆分，將組裝與拆分工裝一體設計，如圖4所示，提高工裝的攜帶便捷性與使用功能。

圖4 插拔一體工裝及使用圖Fig.4 Plug and pull integrated tooling and use diagram

插拔組裝步驟為：將上下兩段放置平地先預組裝插入，使用設計的插拔一體工裝緊固。插拔工裝固定在下段，鋼絲繩通過掛鉤掛住上段的梢部，搖動緊線器緊固，緊固至指定位置即插接深度為1 m后，使用便攜式手電鉆打孔，穿入剪式螺栓，固定防止拔出，如圖5所示。

圖5 分段式電桿插拔工裝與螺栓圖Fig.5 Drawing of plug and pull tooling and bolt for segmented pole

拔出時，先將緊固剪式螺栓拆除，插拔一體工裝固定至搶修桿的下段，通過調整鋼絲繩穿過定滑輪，掛鉤掛住上段搶修桿的大端，搖動緊線器，使上下段分開。

另外實際組裝測試的過程中，分段式復合材料電桿的插接深度[11]及螺栓固定位置具有一定的關系，螺栓位置靠上，易造成上段電桿內側應力集中，造成失穩(wěn)。根據經驗數據，插接深度在1 m，最上側螺栓位置大于250 mm時，可以避免這種失穩(wěn)情況的發(fā)生。

3.2 懸臂式試驗

目前復合材料電桿力學性能試驗的方法是參照中國電力企業(yè)聯合會頒布的T/CEC 108—2016《配網復合材料電桿》標準，該標準中的測試方法是參考GB/T 4623—2014《環(huán)形混凝土電桿》[12]中的懸臂式試驗方法。電桿力學測試的性能指標主要是承載力和撓度，在電桿頂部模擬實際施加載荷，通過記錄受力與對應撓度的變化反映電桿實際工況[13]。

3.3 實驗測試數據對比

按照懸臂式試驗要求對三套經纏繞成型的分段式復合材料搶修桿進行測試，將復合材料搶修桿根部2.5 m固定牢固，距離頂部0.25 m處通過卷揚機施加載荷，每次施加載荷后保壓3 min，記錄每次施加載荷的位移與載荷變化，結果如表9所示。待測試完后，測量根部位移與桿體形變，得到載荷與位移的變化如圖6所示。

表9 分段式搶修桿載荷位移測試數據Tab.9 Load displacement test data of three sets of segmented repair pole

圖6 分段式搶修桿載荷-位移圖Fig.6 Load-displacement diagram of segmented repair pole

通過對3套15 m分段式搶修桿進行彎矩測試，表明3套都能滿足彎矩要求，且試驗完成后復合材料電桿能恢復到原狀，根據圖6載荷-位移圖可知，3套分段式搶修桿位移變化基本一致，實際測試的位移較理論值小，表明實際壓縮應力較理論值大，安全系數更高。

4 結論

（1）通過理論和結構計算，經過ABAQUS理論校核結果表明，設計出的分段式復合材料搶修桿能滿足當地載荷要求。

（2）通過分段設計與成型，每段的質量較整桿大幅降低，3～4人可輕松搬運，極大地降低了人工搬運強度，避免因長度受限造成的影響。

（3）分段式復合材料搶修桿設計時應加大撓度的控制，避免因位移過大對線路的運行造成影響。

（4）分段式復合材料搶修桿的插接位置受力情況較復雜，在承受導線載荷時易應力集中，需著重設計加強。