750 kV輸電線路復合材料橫擔塔的適用性研究

胡 超，馮 衡，徐 彬(中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

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750 kV輸電線路復合材料橫擔塔的適用性研究

胡 超，馮 衡，徐 彬
(中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

摘要：以新疆地區某750 kV工程中初步設計擬采用的復合材料橫擔塔為例，對復合材料橫擔塔在工程中應用的結構方案進行了對比分析，給出了推薦結構形式，并通過有限元分析得到復合材料構件設計的控制工況。通過對新疆地區不同工程條件下的工程經濟性分析，探討了復合材料橫擔塔的適用性。

關鍵詞：復合材料；750 kV；橫擔；經濟性；適用性。

高性能纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Polymer，FRP)具有強度大、質量輕、耐腐蝕以及耐久性能和電絕緣性能好等特點，非常適于制造輸電桿塔。復合材料桿塔用于輸電線路可以節約鋼材，利用桿塔的絕緣性，不僅易于解決輸電線路的風偏和污閃事故，提高線路安全運行水平，同時還可以減小塔頭尺寸，減少走廊寬度，降低塔高，減少樹木砍伐；利用桿塔輕便、易加工成型的特點，可以降低桿塔的運輸和組裝成本；利用桿塔的耐腐蝕、耐高低溫、強度大、被盜可能性小的特點，可降低線路的運行維護成本；同時由于桿塔顏色可調、無毒害、報廢后可再利用，增強了線路的環境友好性。

目前國內主要將復合材料用于220 kV及以下電壓等級較低的輸電線路中，對于500 kV及以上的超高壓輸電線路，則應用較少。對于750 kV高電壓等級輸電線路來說，由于桿塔荷載較大，全塔均采用復合材料較為困難，可考慮采用部分絕緣桿塔技術，即塔身仍采用傳統鋼材結構，僅在塔頭或橫擔部分采用復合材料，既節省了鋼材資源，也充分利用了復合材料的絕緣性能，還可避免架設特殊接地引下線。

1　復合材料橫擔塔結構方案

本文結構方案以新疆地區某在建750 kV工程A中初步設計擬采用復合材料橫擔塔為例進行對比分析。

1.1構件截面型式

復合材料橫擔桿塔的構件主要承受軸心荷載，其構件截面型式選擇的主要原則：(1)滿足電氣性能要求；(2)滿足強度和穩定的承載力要求；(3)制作簡便；(4)連接方便。

對于軸心受壓構件，截面開展更具有重要意義，復合材料由于彈性模量較低，其整體穩定問題遠較鋼構件的穩定問題突出，因此選擇的截面更應開展而壁厚較薄，使其截面慣性矩盡可能大(也不能過大，要考慮構件的局部穩定)，以提高構件的穩定承載能力。另外采用截面開展的截面，在同樣的截面剛度情況下，用料相對更經濟。

復合材料拉擠型材的截面形式可根據需要設計成各種形狀，主要有“L”型、“○”型和“□”型等，綜合比較各類截面，對于相同截面面積的各類截面型式，以圓形截面的截面慣性矩最大，其整體穩定承載力也最高，而且復合材料管型構件制作便捷，連接方便。同時，目前支柱絕緣子也主要采用圓形構件，其電氣性能滿足工程應用要求，因此復合材料橫擔桿塔擬采用圓形和環形截面構件作為主要受力構件。

1.2橫擔結構型式

在復合材料橫擔型式的設計過程中，結合復合材料的特性，一共設計了A、B、C 三種方案，計算和對比結果見表1。

對于方案A，橫擔下平面由于受壓，采用了支柱絕緣子結構，橫擔上平面斜拉材由于受軸向拉力，為了充分利用復合材料抗拉性能優異的特點，采用了斜拉絕緣子串，并通過金具于塔身相連，簡化了端部節點構造。但由于橫擔為靜定結構，結構剛度小，變形大，抵抗破壞能力較弱。橫擔下平面主材無分段，橫擔長度較短，但支柱絕緣子的無支撐長度較長，導致構件規格較大，橫擔整體偏重，不推薦該方案。

對于方案B，結構型式與常規塔型較一致，橫擔所有構件均采用了支柱絕緣子結構，由于中間金屬連接節點的存在，絕緣長度有所降低，但復合材料壓桿無支撐長度較短，可以有效降低其規格，結構剛度較大，該方案最大的缺點是上平面受拉材采用了支柱絕緣子，不僅不能充分利用復合材料的優良抗拉特性，而且造成了節點處理困難，不推薦該方案。

表1　不同復合材料橫擔型式對比

對于方案C，其橫擔上平面斜拉材仍采用斜拉絕緣子串，有效地降低了下平面受壓主材的計算長度，簡化了端部節點構造，結構剛度較大，兼具了方案A和B的優點，橫擔最輕，推薦采用該方案。

1.3節點設計

目前復合材料橫擔的節點推薦采用套管式連接，該節點生產過程為在復合材料型材成型后，利用膠結連接金屬件，再通過金屬件進行螺栓連接。

套管式節點具有以下優點：

(1)提高了節點的承載能力：由于采用在復合材料外套鋼管式的處理方式，在荷載作用下，鋼套管對FRP構件形成了一定的約束作用，限制了變形，提高了其承載力。

(2)傳力可靠：這類節點主要借鑒了鋼結構的思想，與傳統的鋼結構類似，設計經驗較為成熟，傳力明確可靠。

(3)連接方便：套管在工廠與復合材料進行膠結，現場只需進行金屬件之間的螺栓連接，這與傳統鋼結構完全相同，技術要求較低，便于現場組裝。

復合材料連接采用套管式節點，由于塔身采用了角鋼構件，借鑒以往鋼管塔節點的設計經驗，橫擔端部的連接可以采用C形(或十字形)連接與塔身相連，見圖1。

圖1　C形連接示意圖

1.4結構有限元分析

復合材料是正交各向異性材料，目前國內普遍采用的鐵塔設計程序無法進行復合材料橫擔設計，因此本工程在設計時，采用了有限元分析軟件ANSYS12.0進行分析，全塔模型見圖2。

圖2　復合材料橫擔塔有限元模型

通過有限元軟件ANSYS的分析，可以得到各工況下，復合材料橫擔桿件的軸力,參考文獻[4]并綜合考慮，安全系數按3.0考慮進行設計。各類型桿件的受拉及受壓的控制荷載和對應控制工況詳見表2。

表2　復合材料橫擔桿件的軸力及控制工況

從表2中可知，當復合材料橫擔采用推薦方案時，橫擔構件的主要控制工況為斷線工況和安裝工況。其中壓管和拉桿的重量占復合材料構件的重量80%左右，由覆冰斷線工況控制。

不同工況下，橫擔端部的相對位移詳見表3。

表3　復合材料橫擔位移計算結果

從表3中可知，最大位移為安裝工況時，Z向位移為351.9 mm，僅為計算高度的0.98%；而技術規程中長期荷載效應組合(無冰，風速5 kV及年平均氣溫)作用下，橫擔最大位移為78.3 mm，為計算高度的0.22%，滿足規范對桿塔計算撓度的要求。

2　不同工程條件下的對比分析

為了得到復合材料橫擔塔在不同工程條件下的經濟性指標，并依此得到復合材料橫擔塔在實際工程中的適用條件，選擇了新疆的三個工程進行對比分析。工程一是新疆某在建750 kV輸電線路工程A的初步設計中擬采用的復合材料橫擔塔(以下簡稱750 kV工程A)；工程二是新疆某在建750 kV輸電線路工程B的初步設計中擬采用的復合材料橫擔塔(以下簡稱750 kV工程B)；工程三是新疆與西北聯網第二通道750 kV輸電線路工程中實際使用的復合材料橫擔塔(以下簡稱西北聯網二回750 kV)。

2.1工程技術條件

三個工程的實際工程技術條件及復合材料橫擔塔的桿塔使用條件見表4、表5。

表4　工程技術條件

表5　復合材料橫擔桿塔的使用條件

2.2懸垂串長確定

為了確定750 kV輸電工程復合橫擔鐵塔配套絕緣子串的最短串長，按照規范進行了縱向不平衡張力計算。

根據《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》GB50545—2010規定，10 mm及以下冰區平丘地形雙分裂以上導線懸垂塔的縱向不平衡張力按照最大使用張力的20%設計；根據《重覆冰架空輸電線路設計技術規程》DL/T5440—2009規定，15 mm雙分裂以上導線懸垂塔的縱向不平衡張力按照最大使用張力的35%設計。

為了確定750 kV輸電工程復合橫擔鐵塔配套絕緣子串的最短串長，按照規范進行了縱向不平衡張力計算，以連續7檔(檔距均勻分布)，第一檔斷線為計算工況。取年平均溫為懸垂串中垂條件，斷線的氣象條件為- 5℃、無風、有冰。

文獻[2]給出了西北聯網第二通道750 kV的計算情況，取消懸掛絕緣子串，分裂導線縱向不平衡張力僅為最大使用張力的10.13%，滿足規范要求，可按照懸掛1.5 m串長(金具長度為1.5 m)進行塔頭布置。

750kV工程A，當取消懸掛絕緣子串時，計算結果表明，10 mm冰區分裂導線縱向不平衡張力為最大使用張力的16.66%，滿足規范要求，可按照懸掛2.0 m串長(金具長度為2 m)進行塔頭布置。

750kV工程B，當取消懸掛絕緣子串時，計算結果表明，15 mm冰區導線縱向不平衡張力為最大使用張力的38.52%，不滿足規范要求；只有當懸掛串長超過4 m(金具長度為2 m)時，15 mm冰區分裂導線縱向不平衡張力最大使用張力小于最大使用張力的35%，才能滿足規范要求。

2.3塔頭尺寸

根據規范要求，使用懸垂絕緣子串的桿塔最小垂直線間距離，750 kV為 12.5 m；上下層相鄰導線間的最小水平偏移，750 kV為 2 m。此外，為了滿足防雷要求，750 kV單回線路的保護角不宜大于10°；且在一般檔距的檔距中央，導線與地線間的距離，應滿足S ≥0.012L+1(S為導線與地線間的距離，L為檔距)。

復合橫擔的尺寸不僅要滿足間隙圓的要求，還應考慮最小電弧距離，爬高比、金具節點長度及制造工藝要求等因素。

參照國家電網公司標準的要求和西北聯網第二通道750 kV工程的電氣性能試驗及實際運行情況，西北聯網第二通道750 kV FZ - 3和750 kV工程A 中FZ - 1均處于1500 m海拔和d級污區，最小電弧距離取6000 mm，復合絕緣子公稱爬電距離不小于23500 mm；750 kV工程A 中FZ - 2位于3000 m海拔和c級污區，最小電弧距離取6800 mm，復合絕緣子公稱爬電距離不小于23500 mm。

綜合考慮最小電弧距離、爬高比、金具節點長度及制造工藝要求等因素以后，復合橫擔長度見表6。

表6　不同工程復合材料橫擔塔橫擔尺寸

2.4經濟性對比

以750 kV工程A初步設計擬采用復合材料橫擔塔為例，為了分析復合材料橫擔桿塔的經濟性，需綜合考慮材料費、運輸費、安裝費、人工費等因素進行測算。由于采用復合材料橫擔可將懸垂串長由9 m縮短為2 m，在對地距離相同情況下，復合材料橫擔桿塔的呼高比傳統角鋼塔降低7 m。因此將36 m呼高復合材料橫擔桿塔與43 m呼高傳統角鋼塔經濟性進行比較(不考慮復合材料橫擔的備品、備件)，兩個塔的結構布置及尺寸見圖4。

圖4　兩個塔的結構布置及尺寸

經初步測算，由于取消了絕緣子，在相同的使用條件下，復合材料橫擔桿塔的呼高比傳統鐵塔顯著降低，桿塔全高有所增加，塔頭部分結構形式更加簡潔、傳力明確，桿塔風荷載減小，桿塔重量減輕，基礎作用力也相應減小，造價降低。以750 kV工程A中平丘地段ZB31101直線塔為例，設計風速31kV，設計冰厚10 mm，海拔1500 m，與相同規劃條件的復合材料橫擔桿塔進行經濟性對比分析見表7。

表7　750 kV工程A經濟性對比

由表7可知，當呼高為43 m時，ZB31101塔重為32.80 t，走廊寬度約為50.8 m；而對于相同規劃條件下的750 kV復合材料橫擔桿塔，呼高為36 m，塔重約為28.34 t，降低約13.6%，走廊寬度為37.7 m，減小13.1 m，同時取消了懸垂絕緣子，其綜合造價約降低4.26%。

同理可以得到750 kV工程B的角鋼塔ZBC34151與復合材料橫擔塔FZ - 2經濟性對比見表8。新疆與西北聯網第二通道750 kV輸電線路工程的材料重量參考文獻，經濟性以當前費用標準進行計算對比分析，見表8。

表8　750 kV工程B經濟性對比

續表8

由表8可知，當呼高為43 m時，ZB314151塔重為50.10 t ，走廊寬度約為50.8 m；而對于相同規劃條件下的750 kV復合材料橫擔桿塔，呼高為36 m，塔重約為46.75 t，降低約6.69%，走廊寬度為40.2 m，減小15.2 m，同時縮短了懸垂絕緣子，其綜合造價約降低2.68%。

表9　西北聯網二回750 kV工程經濟性對比

由表9可知，當呼高為49 m時，ZB31051塔重為29.70 t，走廊寬度為35.2 m；而對于相同規劃條件下的750 kV復合材料橫擔桿塔，呼高為42 m，塔重約為25.40 t，降低約14.5%，走廊寬度為25.7 m，減小9.5 m，同時取消了懸垂絕緣子，其綜合造價約降低5.73%。

通過上述三個工程的復合材料橫擔塔與其相同工程條件下設計的角鋼塔對比發現，750 kV輸電工程采用復合材料橫擔桿塔比傳統鐵塔可減小輸電走廊寬度，減輕桿塔和基礎重量，一定程度上降低輸電塔的綜合造價。

在塔重、基礎重量和經濟性方面對比，西北聯網二回750 kV工程最優為降低5.73%，750 kV工程A其次為降低4.26%，750 kV工程B最差為降低2.68%。

主要是由于復合材料占最大重量比重的壓管由覆冰斷線工況控制，FZ - 2塔位于15 mm中冰區，相對于位于10 mm輕冰區的FZ - 1 和FZ - 3塔，計算的復合橫擔重量比重要小很多；另外輕冰區的FZ - 1和FZ - 3塔相對相同工程條件角鋼塔呼高縮短了9 m，比中冰區的FZ - 2塔呼高縮短的5.5 m幅度要大，塔身計算的重量減少幅度也大一些。由此推論，重冰區采用復合材料橫擔塔的經濟性優勢將進一步削減。

在節約線路走廊方面對比，750 kV工程B最優。所以在某些位于中、重冰區的工程條件下，當線路走廊比較緊張時，可以考慮采用復合材料橫擔塔。

3　結論與建議

(1)依托新疆地區在建750 kV工程A實際討論了復合材料橫擔塔在750 kV線路中的應用情況，給出了復合材料構件的主要截面型式，簡要介紹了復合材料橫擔與塔身的節點連接方式，并通過計算對比分析給出了推薦橫擔結構型式。

(2)通過ANSYS12.0軟件進行有限元分析表明，復合材料橫擔構件的主要控制工況為斷線工況和安裝工況。

(3)長期荷載效應組合(無冰，風速5 m/s及年平均氣溫)作用下，橫擔最大位移為78.3 mm，為計算高度的0.22%，滿足規范對桿塔計算撓度的要求。

(4)對新疆三個工程的懸垂串按照規范要求進行計算得到，位于輕冰區的工程可取消懸垂絕緣子串，位于中冰區的工程可縮短懸垂絕緣子串5.5 m。

(5)綜合考慮最小電弧距離、爬高比、金具節點長度及制造工藝要求等因素計算出復合橫擔長度。

(6)通過上述三個工程的復合材料橫擔塔與其相同工程條件下設計的角鋼塔的經濟性對比可知，復合材料橫擔塔在輕冰區有較好的經濟性，推薦采用，在中冰區經濟性一般，僅當線路走廊比較緊張時，可以考慮采用。

參考文獻:

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[7]劉振亞．高海拔外絕緣配置技術規范[M]．北京：中國電力出版社，2009．

Research on the Applicability of Composite Cross Arm Tower for 750 kV Transmission Line

HU Chao, FENG Heng, XYU Bin
(Central Southern China Electric Power Design Institute Company Limited, Wuhan 430071, China)

Abstract:Taking the composite cross arm tower which plan to use in the 750 kV project in Xinjiang as example, this paper give the recommended structure type base on comparative analysis, and obtain the control case on structure design through finite element analysis. Through economic analysis on the towers under different condition in Xinjiang region, applicability of composite cross arm tower is investigated.

Key words:FRP; 750 kV; cross arm; economy; applicability.

中圖分類號：TM75

文獻標志碼：B

文章編號：1671-9913(2016)01-0065-07

* 收稿日期：2015-08-12

作者簡介：胡超(1989- )，男，湖北仙桃人，碩士，工程師，從事送電線路研究工作。