特高壓直流線路復合材料轉動橫擔設計

孫濤，趙雪靈，高理迎，孫元章

(1. 武漢大學電氣工程學院，武漢市 430072；2. 國家電網公司，北京市 100031；3. 西北電力設計院，西安市 710075)

特高壓直流線路復合材料轉動橫擔設計

孫濤1,2，趙雪靈3，高理迎2，孫元章1

(1. 武漢大學電氣工程學院，武漢市 430072；2. 國家電網公司，北京市 100031；3. 西北電力設計院，西安市 710075)

結合目前國內FRP復合材料桿塔的現狀，依托靈州—紹興±800 kV特高壓直流輸電線路工程，提出FRP復合材料轉動橫擔的受力機理、設計方案，并通過塔線耦合模型進行仿真分析。分析結果表明：FRP復合材料轉動橫擔通過在縱向不平衡張力作用下，發生轉動，釋放縱向不平衡張力，減小了橫擔及塔身的受力，可有效減輕塔重和基礎混凝土用量，具有良好的經濟效益和社會效益。

FRP復合材料；轉動橫擔；復合橫擔；塔線耦合

0 引 言

玻璃纖維增強樹脂基復合材料(glass fiber reinforced plastic，FRP)(以下簡稱復合材料)具有質量輕、強度高、耐疲勞、耐腐蝕、易加工、易維護和電絕緣性能優異等特點，是建造輸電桿塔的理想材料之一[1-3]。近年來，國內外研究學者進行了深入的復合材料性能和工程應用研究[4-14]，我國已有多條復合材料桿塔線路掛網運行，其中的代表工程有寧東—山東±660 kV直流輸電示范工程接地極線路格構式復合材料塔和750 kV新疆與西北聯網第二通道工程復合橫擔塔。750 kV復合橫擔塔與常規角鋼塔相比，走廊寬度減少12 m，呼高降低8 m，單基塔材節約12 t，基礎混凝土節約12 m3，具有突出的技術優勢和經濟優勢[4]。近年來，隨著我國電網建設的發展，特高壓直流線路工程越來越多，如何將復合材料應用于特高壓直流線路桿塔，成為桿塔材料研究的一項重要內容。

對于特高壓直流線路桿塔而言，其結構尺寸、絕緣性能要求高，荷載和構件受力均較大，尤其是在斷線或不均勻覆冰等工況作用下，會產生較大的縱向不平衡張力，對于常規桿塔而言，均通過結構承載力來“抵抗”該荷載，該縱向張力導致復合橫擔構件受力較大，不利于復合橫擔的設計和構造，因此如何“釋放”不平衡張力成為特高壓直流線路復合材料橫擔塔研究的重點。通過研究，本文提出了復合材料轉動橫擔的設計方案。

1 工作機理

復合材料轉動橫擔是由1個復合絕緣子和1個支柱絕緣子構成的平面三角形結構，通過轉動節點與塔身相連，該節點可實現前后轉動，如圖1所示，在一般情況下，由支柱絕緣子傳遞壓力，復合絕緣子傳遞拉力。

圖1 復合材料轉動橫擔的構成

當前后側導線產生縱向不平衡張力時，復合材料轉動橫擔繞轉動節點開始向張力大的一側轉動；在前后側導線線長保持不變的情況下，張力大的一側檔距和張力變小；而張力小的一側檔距和張力變大，直到前后側張力相等，達到新的平衡，轉動停止；當縱向不平衡張力消失時，組合絕緣子向相反方向轉動，即自動恢復到轉動前的狀態。簡單來說，復合材料轉動橫擔的工作機理就是“張力驅動、轉動釋放、導線約束”[5]。例如，當發生不均勻覆冰時，復合橫擔前后側導線張力變化過程如圖2所示。

圖2 張力驅動及平衡過程

2 設計方案

2.1 依托工程及設計條件

本次設計依托靈州—紹興±800 kV特高壓直流輸電線路工程，主要設計條件如表1所示。

表1 設計條件

2.2 絕緣配置

復合材料轉動橫擔是由絕緣材料構成，實現了功能材料和結構的統一，但是目前尚未有復合橫擔絕緣配置的相關設計方法，在初步確定絕緣子長度時，參考750 kV復合橫擔試驗結果和以往±800 kV線路復合絕緣子試驗結果，同時考慮復合絕緣子斜向放置的有利影響，復合材料的有效絕緣部分長度應不小于9 300 mm[5-6]。

2.3 上傾角度的確定

對于相同的絕緣長度下，絕緣子上翹方案可減小極間距，壓縮走廊寬度。從理論上講，上翹角度以達到電氣間隙同時控制為最優，但實際上，考慮懸垂串的風偏后，掛線板不能與支柱絕緣子串相碰，否則易形成“短接”而縮短支柱絕緣子的絕緣長度，因此，按風偏后懸垂串，支柱絕緣子最大上傾角度為20°[5]。

3 結構有限元仿真分析

3.1 有限元分析模型

由于復合材料轉動橫擔在縱向是1個機構，不能進行結構分析，可采用塔線耦合模型后、結構分析時引入導線的約束作用，復合材料轉動橫擔和導線形成1個具有強烈幾何非線性的穩定結構體系，可進行結構分析和計算，其六塔七線耦合模型如圖3所示[7]。

圖3 六塔七線塔線耦合模型

3.2 荷載的施加

由于轉動復合橫擔塔在使用過程中受到各種風荷載、覆冰以及斷線的影響，其中風荷載是轉動橫擔塔在正常運行中所承受的主要水平荷載，但是由于具有隨機荷載、脈動的特性，難以準確施加。研究表明，任意高度和時刻的風速可表示為平均風速和脈動風速之和[7]，即：

(1)

根據隨機振動理論，脈動風的功率譜密度函數和相干函數是脈動風的兩大重要特性。功率譜密度函數反映了某一頻域上脈動風的能量分布，是脈動風最重要的統計特性之一。其中最具代表性的是Davenport風速譜，該譜根據實測數據獲得。將脈動風速譜取值為離地面不同高度實測值的平均值，并假定水平陣風譜中的湍流積分尺度L不隨高度變化，即為常數1 200。

根據Davenport脈動風功率譜其可表達為

(2)

根據上述理論可以模擬出免橫擔組合絕緣子塔上各點的風速時程，從而導出各層風荷載，如圖4所示。

圖4 風荷載時程曲線

3.3 模型的校驗

由于轉動復合橫擔采用塔線耦合模型進行有限元分析難度很大，對計算結果的合理性也難以判斷，為了保證模型的正確性和有效性，本文首先將復合材料轉動橫擔塔的轉動鉸固定，即將模型變換為常規固定橫擔連續7檔的塔線耦合模型，對該模型施加荷載，將其計算導線張力和弧垂與常規鐵塔計算結果進行對比分析，對比如表2所示。

表2 模型校驗

由以上分析可以看出，塔線耦合模型具有較高的精度，可滿足工程應用要求。在分析時，只需放開轉動鉸的約束，即可模擬實際轉動效果。

3.4 計算結果及分析

對于六塔七線塔線耦合模型，通過施加荷載，可以得到每個工況作用下復合材料轉動橫擔塔各個構件的內力以及轉動角度，從而進行結構設計。由于各構件受力與普通橫擔結構類似，限于篇幅，本文僅給出復合材料轉動橫擔的轉動角度，如表3所示。

表3轉動角度

Tab.3Rotationangle(°)

從表3可以看出，對于不產生不平衡張力的工況(如大風60°)，復合材料轉動橫擔轉動的角度非常小，可認為并不發生轉動，和常規復合橫擔受力機理相同，可按常規橫擔進行力學分析；對于0°大風、45°大風、斷線以及不均勻覆冰工況，由于產生了不平衡張力，支柱絕緣子發生了轉動，最大轉角發生在不均勻覆冰工況，為8.63°，對應端部位移為1.41 m。而其他正常運行工況下，復合材料轉動橫擔轉動角度較小，通過前后側弧垂略微調整即可實現張力的釋放，從而減小復合材料橫擔構件的受力，有利于復合橫擔的設計。

4 經濟性分析

復合材料轉動橫擔塔與常規角鋼塔的經濟性對比分析如表4所示。

由表4可以看出，與常規角鋼塔相比，復合材料轉動橫擔塔鋼材減小33%，塔質量降低20%，基礎混凝土減小53.2%，綜合造價降低17%，經濟性十分突出，主要由以下幾方面引起。

(1)呼高降低7 m。由于取消了懸垂絕緣子串，在相同的使用情況下，組合絕緣子塔的呼高比V串鐵塔降低7 m，有效地減小了導線荷載的作用效應，塔身主材由Q420L180×16降為Q420L160×14。

表4 復合材料轉動橫擔塔經濟性分析

(2)塔頭風荷載減小。組合絕緣子塔由于僅采用了2根絕緣子，其檔風面積較角鋼塔大幅減小，塔頭風荷載相應減小。

(3)縱向不平衡張力的釋放。由于縱向可自由轉動，釋放了縱向不平衡張力，桿塔不再承受縱向不平衡張力，塔身斜材由L110×7降為L90×7，降低達3個規格。

5 結 論

(1)復合材料轉動橫擔的工作機理為“張力驅動、轉動釋放、導線約束”，通過轉動有效釋放導線縱向不平衡張力，減小橫擔及塔身受力；

(2)參考750 kV復合橫擔試驗結果和以往±800 kV線路復合絕緣子試驗結果，考慮復合絕緣子斜向放置的有利影響，復合材料的有效絕緣部分長度應不小于9 300 mm。

(3)為減小極間距、壓縮走廊寬度，并避免掛線板與支柱絕緣子串相碰形成“短接”，按風偏后懸垂串，支柱絕緣子最大上傾角度為20°。

(4)由于復合材料轉動橫擔塔在縱向為一機構體系，不能進行力學分析，因此引入導線約束，形成塔線耦合體系。對比分析表明，該模型最大誤差為0.7%，可較為精確地研究復合橫擔的轉動角度、導線張力和弧垂的變化。

(5)由仿真分析可知，在不產生不平衡張力工況(如大風60°)作用下，復合材料轉動橫擔與常規桿塔受力機理相同，可按常規橫擔進行力學分析；在具有不平衡張力工況作用下，支柱絕緣子發生轉動，前后側弧垂略微調整，使得張力有效釋放，減小了構件的受力。

(6)經濟性分析。通過與相同規劃條件的鐵塔相比，免橫擔組合絕緣子的塔重降低約20%，基礎混凝土降低53%，本體綜合造價降低約17%，由此可見，其經濟優勢十分突出。

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[5]趙雪靈，譚浩文.免橫擔組合絕緣子塔研究報告[R].西安：西北電力設計院，2014.

[6]趙雪靈，譚浩文.免橫擔組合絕緣子塔研究問答錄[R].西安：西北電力設計院，2014.

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(編輯：張媛媛)

UHVDCTransmissionLineRotationCrossArmDesignforFiberReinforcedPlastic

SUN Tao1,2, ZHAO Xueling3, GAO Liying2, SUN Yuanzhang1

(1. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China;2. State Grid Corp, Beijing 100031, China; 3. Northwest Electric Power Design Institute, Xi'an 710075, China)

Combined with the present status of the research and application of glass fiber reinforced plastic (FRP) tower, taking Lingzhou-Shaoxing ±800 kV UHVDC transmission line engineering as research background, this paper put forward the force mechanism and designing scheme of FRP rotation cross arm, and carried out simulation analysis based on tower-line coupling model. The analysis results show that the rotation FRP cross arm turns freely under the longitudinal unbalanced tensions, so the longitudinal unbalanced tension can be released, the stress of FRP cross arm and tower can be reduced, and the weight of tower and the cubic amount of concrete foundation can be effectively reduced, which has good economic and social benefits.

glass fiber reinforced plastic (FRP); rotation cross arm; FRP cross arm; tower-line coupling

國家電網公司工程依托科技項目(特高壓直流輸電線路工程組合絕緣子塔應用研究)。

TM 215; TB 332

： A

： 1000-7229(2014)09-0035-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.09.007

2014-06-17

：2014-07-10

孫濤(1977)，男，博士研究生，主要從事特高壓直流建設技術管理和輸電線路設計研究工作，E-mail：tao-sun@sgcc.com.cn；

趙雪靈(1983)，男，高級工程師，主要從事輸電桿塔結構、復合材料桿塔等方向的研究和設計工作，E-mail：zhaoxueling@nwepdi.com；

高理迎(1962)，男，博士，高級工程師，主要從事特高壓直流建設技術管理和輸電線路設計研究工作，E-mail：liying-gao@sgcc.com.cn；

孫元章(1953)，男，教授，博士生導師，長江學者，特聘教授，主要研究方向為電力系統安全穩定性分析與控制、電力系統電壓穩定性分析等，E-mail：yzsun@mail.tsinghua.edu.cn。