輸配電線路復(fù)合材料桿塔應(yīng)用實(shí)踐

李萬(wàn)燕

(廣東電網(wǎng)公司茂名供電局,廣東茂名 525000)

輸配電線路復(fù)合材料桿塔應(yīng)用實(shí)踐

李萬(wàn)燕

(廣東電網(wǎng)公司茂名供電局,廣東茂名 525000)

隨著社會(huì)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,我國(guó)的電力行業(yè)也取得了快速的發(fā)展,社會(huì)發(fā)展過(guò)程中電力需求大幅增加的同時(shí),對(duì)于電力供應(yīng)也提出了更高的要求,要求其不僅能夠滿足最基本的用電需求,還要能夠保證供電的安全、可靠性,電力架空線路是電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過(guò)程中,常見(jiàn)的一種供電線路敷設(shè)形式,而其中最重要的一個(gè)組成部分就是桿塔,隨著各項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步,輸電線路復(fù)合材料桿塔的研究受到了更多的關(guān)注,本文就主要對(duì)其予以簡(jiǎn)單分析研究。

輸配電線路 復(fù)合材料桿塔 應(yīng)用實(shí)踐

近年來(lái),我國(guó)的電力行業(yè)取得了快速的發(fā)展,電網(wǎng)的建設(shè)數(shù)量及建設(shè)規(guī)模在不斷的增大,在這種快速發(fā)展的背景下,增強(qiáng)輸電線路桿塔復(fù)合材料的應(yīng)用非常必要,與普通桿塔相比,復(fù)合材料桿塔具有諸多的優(yōu)點(diǎn),將其應(yīng)用于電力網(wǎng)絡(luò)中,能夠有效的減少輸電線路對(duì)于周圍環(huán)境的電磁干擾及噪聲干擾,并且其具有高效、環(huán)保的諸多優(yōu)點(diǎn),雖然我國(guó)的復(fù)合材料桿塔的研究與應(yīng)用起步較晚,但是,隨著各項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步,其安全性、可靠性將不斷提升,并且將有效的降低其造價(jià)成本,本文就主要對(duì)其應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

1 輸電線路復(fù)合材料桿塔應(yīng)用特點(diǎn)分析

復(fù)合材料桿塔主要指的是應(yīng)用玻璃纖維等強(qiáng)樹(shù)脂型的復(fù)合材料所造成的輸電線路桿塔,應(yīng)用這種復(fù)合材料制造而成的輸電線路桿塔,具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn),將其應(yīng)用于輸電線路的架空敷設(shè)中,其具有很強(qiáng)的耐腐蝕性能及絕緣性能,便于進(jìn)行維護(hù)與設(shè)計(jì),在實(shí)際應(yīng)用中具有非常好的環(huán)境適應(yīng)能力,在遇到較大的溫度變化、沖擊及撞擊時(shí),不容易出現(xiàn)形變,并且這種材料的桿塔在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中具有非常好的抗雷擊性能,與普通材料的輸電線路桿塔相比,其防雷性能得到有效提升。

圖1 不同工況下?lián)隙惹€

圖2 桿體底部應(yīng)變荷載曲線

在輸電線路的架設(shè)工作中,應(yīng)用復(fù)合材料桿塔,具有成本低廉、工作量小的特點(diǎn),這使得其在電力工程中具有較大的發(fā)展前景,其能夠有效的增強(qiáng)輸電線路走廊的輸電密度,并且對(duì)于降低環(huán)境污染具有積極的作用,另一方面,由于這種材質(zhì)桿塔的質(zhì)量較輕,在工程應(yīng)用中,能夠有效的節(jié)約運(yùn)輸成本。

綜上所述,復(fù)合材料桿塔具有抗雷擊性強(qiáng)、抗污染性強(qiáng)、抗撞擊性強(qiáng)、抗腐蝕性強(qiáng)、絕緣性能良好的優(yōu)點(diǎn),這對(duì)于輸電線路運(yùn)行的安全、穩(wěn)定性的提升具有非常重要的作用,因此,其在實(shí)際應(yīng)用中,具有廣闊的發(fā)展前景。

2 輸電線路復(fù)合材料桿塔關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

在桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化工作中,其重點(diǎn)內(nèi)容是要能夠協(xié)調(diào)好經(jīng)濟(jì)性、變形以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間的關(guān)系,下面就主要針對(duì)此進(jìn)行簡(jiǎn)單分析研究。

2.1.1 選擇合適的材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度

在桿塔材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度的選擇過(guò)程中,想要很好的滿足構(gòu)件的強(qiáng)度要求,就需要依據(jù)材料的腐蝕老化試驗(yàn)結(jié)果及基本力學(xué)性能,對(duì)實(shí)測(cè)值進(jìn)行修正,并根據(jù)實(shí)際的工程設(shè)計(jì)要求,選擇材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度值為測(cè)試強(qiáng)度與0.6的乘積。

2.1.2 選擇桿塔外形

在桿塔外形選擇及優(yōu)化的過(guò)程中,應(yīng)該充分的考慮其經(jīng)濟(jì)性及變形,在桿體的選形過(guò)程中,可以應(yīng)用ANSYS有限元程序應(yīng)用SOLID46層狀單元來(lái)進(jìn)行模擬,在優(yōu)化的過(guò)程中,其控制因素主要有正常工況下的塔重最輕、材料強(qiáng)度、桿頂擾度等。

2.1.3 選擇加工工藝

在桿塔加工的過(guò)程中,各種加工工藝都會(huì)對(duì)最終的加工質(zhì)量產(chǎn)生影響,這就需要在綜合考慮各種影響因素的基礎(chǔ)上,選擇合適的加工工藝,在實(shí)際的加工過(guò)程中,纖維層的鋪設(shè)方向、玻璃鋼的加工工藝等都會(huì)對(duì)桿塔的承載力產(chǎn)生一定的影響,選取FH35塔的加工作為實(shí)例進(jìn)行分析,其桿體結(jié)構(gòu)劃分為四層,從上到下表現(xiàn)為:表面抗老化功能層、纖維纏繞外承載層、樹(shù)脂/石英砂剛度層、纖維纏繞內(nèi)密封層,由于其上段桿體中的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造比較多,用量較少,其加工過(guò)程中應(yīng)用的是全玻璃鋼纏繞方案,而其下段桿體則應(yīng)用的是樹(shù)脂/石英砂顆粒夾層結(jié)構(gòu)的改進(jìn)工藝,應(yīng)用該方案使得桿塔的整體造價(jià)顯著降低,在保證其正常運(yùn)行的同時(shí)具有非常好的經(jīng)濟(jì)性性能。

2.1.4 驗(yàn)證真型試驗(yàn)

開(kāi)展真型試驗(yàn)的主要目的是對(duì)設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)思路及產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證,本次設(shè)計(jì)中的FH35塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,成功通過(guò)了大風(fēng)超載工況、覆冰、斷線等工況測(cè)試,其設(shè)計(jì)強(qiáng)度及變形等都能很好的滿足設(shè)計(jì)要求。在該塔結(jié)構(gòu)從斷線、覆冰及大風(fēng)超載等工況進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如圖1所示。

圖1顯示了三種工況下桿頂變形的實(shí)測(cè)值與理論值,結(jié)果基本一致,偏差均控制在10%以內(nèi),表明模型表位準(zhǔn)確。以上幾種工況均存在一定的反彎現(xiàn)象,主要是由于張力作用于導(dǎo)線掛點(diǎn)處,而塔身不受張力影響。以斷線及大風(fēng)工況為例,經(jīng)過(guò)計(jì)算,最大應(yīng)力出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)底部,分別為166MPa和165MPa,比材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度低很多。所以,大風(fēng)工況超載到146%的時(shí)候,也未出現(xiàn)破壞,桿頂?shù)淖冃我呀?jīng)達(dá)到了5m,荷載取出后,桿塔依然可以恢復(fù)到原始狀態(tài),沒(méi)有出現(xiàn)變形殘余。而在斷線工況下,塔身與斷線橫擔(dān)處出現(xiàn)最大應(yīng)用,主要是由于張力非常大引起的。

圖2為桿體底部在大風(fēng)工況下的應(yīng)變情況,從中可看到,拉壓側(cè)的應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定,桿體的應(yīng)該主要是以環(huán)向應(yīng)變?yōu)橹?在3000με左右,其拉應(yīng)力與壓應(yīng)力分別可達(dá)到155MPa和149MPa,這個(gè)結(jié)果與理論值基本一致。

除此以外,根據(jù)應(yīng)力分布圖,塔身下半段的應(yīng)力比上半段明顯要大,導(dǎo)致這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因主要是夾砂層剛度過(guò)低,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)加劇變形。將下半段的夾砂層換成玻璃鋼之后,大幅度降低了桿頂撓度,拉應(yīng)力與壓應(yīng)力分別降低到86.4MPa與86.9MPa。所以,在玻璃鋼的生產(chǎn)成本較低的情況下,可以采用全桿玻璃鋼的方法,提高桿塔的抗變性。

2.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

復(fù)合材料桿塔的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)主要包含:節(jié)點(diǎn)方案的選擇及優(yōu)化兩部分的內(nèi)容,在節(jié)點(diǎn)的選擇及優(yōu)化的過(guò)程中,應(yīng)該充分的考慮經(jīng)濟(jì)性、加工制造的可行性、連接的可靠性等方面的內(nèi)容,同時(shí)需要綜合的考慮套筒局部變形對(duì)膠層開(kāi)裂的要求、桿塔擾度控制、抗扭強(qiáng)度、上下桿體變形的協(xié)調(diào)性等方面的要求,以FH35塔為例,對(duì)其各種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方案進(jìn)行簡(jiǎn)單分析,金屬法蘭套筒、插接膠粘、管壁預(yù)埋金屬螺栓是其常用的幾種節(jié)點(diǎn)方案,對(duì)這幾種方案的安裝性、可加工性及可靠性進(jìn)行綜合的考慮,最終選擇了金屬法蘭套筒粘結(jié)主桿,在此基礎(chǔ)上,輔以抗扭銷釘連接,這種節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案,具有承載力高、安裝方便、加工方便、抗疲勞性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

應(yīng)用ANSYS有限元程序?qū)υ摴?jié)點(diǎn)方案進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果表明,主桿與套筒之間的抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著金屬套筒長(zhǎng)度的增加而不斷的增加,但是當(dāng)其長(zhǎng)度值超過(guò)臨界值以后,相關(guān)的增加趨勢(shì)會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定,綜合的考慮各種因素,在FH35塔的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)工作中,將其套筒的高度確定為0.5米,應(yīng)用這種設(shè)計(jì)方案,使得桿塔的節(jié)點(diǎn)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,其應(yīng)力能夠均勻分布,并且具有較好的強(qiáng)度值。

2.3 橫擔(dān)連接和優(yōu)化

在復(fù)合材料桿塔的設(shè)計(jì)過(guò)程中,橫擔(dān)連接常用的一種連接結(jié)構(gòu)是拉擠結(jié)構(gòu),的那是這種連接方式在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中,不具備環(huán)向的纏繞層,如果其長(zhǎng)期的處于扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用下及疲勞彎曲的狀態(tài)下,是很容易導(dǎo)致出現(xiàn)單向纖維分層的,尤其是在其運(yùn)行過(guò)程中受到雷擊作用時(shí),其中的芯棒材料很容易被擊穿,裂紋容易沿著纖維方向開(kāi)展,從而造成桿塔結(jié)構(gòu)的失效,因此,本次研究中橫擔(dān)的連接應(yīng)用單向拉擠芯材作為彎曲載荷的承載體與纖維交叉纏繞層承擔(dān)扭轉(zhuǎn)載荷的復(fù)合結(jié)構(gòu),這對(duì)于橫擔(dān)綜合承載能力的提升具有積極的作用。

3 未來(lái)應(yīng)用展望

雖然我國(guó)在復(fù)合材料桿塔的研究中取得了一定的進(jìn)步,但是由于我國(guó)的研究及應(yīng)用起步較晚,在這方面還具有巨大的發(fā)展空間,目前復(fù)合材料桿塔在低電壓等級(jí)的輸電線路中已經(jīng)開(kāi)始試點(diǎn)運(yùn)行,在未來(lái)的研究中,將會(huì)主要圍繞其絕緣性能、抗覆冰性能、耐腐蝕性能等性能優(yōu)勢(shì)展開(kāi),通過(guò)對(duì)這方面性能優(yōu)勢(shì)的拓展,使其更好的應(yīng)用于氣候環(huán)境較惡劣的電力網(wǎng)絡(luò)中,這對(duì)于減少電力網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行維護(hù)成本,提升其經(jīng)濟(jì)性能及安全性能具有積極的作用,隨著各項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步,將更好的應(yīng)用其絕緣性能,使得線路走廊進(jìn)一步縮短,并要逐漸將其應(yīng)用于高電壓等級(jí)的輸電線路中,這對(duì)于其經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益的提升都具有非常重要的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及各項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步,我國(guó)的電力行業(yè)取得了較大的發(fā)展與進(jìn)步,復(fù)合材料桿塔由于具有諸多的優(yōu)點(diǎn),其在電力網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大,本文就主要對(duì)其特點(diǎn)及其中的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析,對(duì)于其運(yùn)行性能的提升具有積極的作用。

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