復合橫擔桿塔設計分析

孫 鵬,白 禹,程克娜

(中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司,長春 130021)

復合橫擔桿塔設計分析

孫 鵬,白 禹,程克娜

(中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司,長春 130021)

介紹復合材料性能,針對輸電線路電壓等級越來越高,桿塔耗鋼材量大,基礎作用力大的情況,提出新型復合橫擔桿塔的設計方法,分析復合材料結構的基本設計方法和基本尺寸規劃,并對角鋼塔和復合橫擔塔的經濟指標進行比較,認為復合橫擔塔具有節能和降低造價的優點。

輸電線路;復合橫擔;設計方法

1 概述

隨著電網建設的發展,西電東送、南北互供的電網建設,全國輸電線路的增多對鋼材的需求越來越大,將造成生態環境的嚴重污染[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構[2],但鋼材存在質量重、易銹蝕或開裂等缺陷,以及施工運輸和運行維護困難等問題,而且桿塔為全鋼結構的輸電線路易發生污穢閃絡、風偏放電等故障。

復合材料桿塔用于輸電線路可節約大量鋼材,利用桿塔絕緣性,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輸和組裝成本;桿塔的耐腐蝕、耐高低溫、強度大、被盜可能性小,可降低線路的維護成本;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。

由此可見,復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上,通過合理的設計,將復合材料桿塔用于輸電線路工程,在經濟及社會效益等方面具有重要意義。

2 復合材料性能

復合材料以一種材料為基體(包括金屬和非金屬兩類),另一種材料為增強體組合而成。輸電結構的復合材料基體應選用非金屬材質,常見非金屬質基體復合材料及優缺點見表1。

表1 3種常見復合材料之間優缺點比較

3 復合材料設計

3.1 結構設計方法

目前輸電行業內的復合構架設計缺少相關規范依據,該文推薦采用“等代原則”。等代設計是工程復合材料中較常用的設計方法:即在荷載和使用環境基本不變的情況下,考慮復合材料的特點,采用大致相同形狀(或適當改變形狀和尺寸)的復合材料構件代替原材料,并用原材料的設計方法進行設計。用復合材料代替金屬時,結構內部的構件形狀和尺寸會發生變化。進行等代設計時,一般采用等剛度設計后,再做強度校核,并輔助采用有限元數值分析對復合材料結構進行計算,優化驗證設計。

3.2 橫擔架構設計

復合材料為典型的各向不同性材料,抗壓強度不足抗拉強度一半,且彈性模量遠低于鋼材,其整體穩定問題也較鋼構件突出,因此復合結構設計時應盡可能多的利用拉鎖結構,且對壓桿提供足夠的支撐約束。

橫擔上平面斜拉桿能充分發揮復合材料性能,通過金具與塔身連接,端節點構造簡單,中間無金屬節點,不須考慮電氣間隙要求;橫擔下平面為受壓材,設計時須考慮穩定問題,應構造節點,并通過附加桿件對受壓主材進行支撐,而節點的設置會引入金屬材質,從一定意義上降低了橫擔的絕緣性能。所以,復合橫擔設計是綜合考慮絕緣性能和受壓桿穩定的過程,單純的構造絕緣長度或小長細比受壓主材都是不合理的。鑒于此,該文建議橫擔構架采用圖1的構造方案。

圖1 復合橫擔設計方案

3.3 節點連接設計

復合材料是脆性材料,力學性能與金屬有本質區別,連接部位是薄弱環節,其設計和分析是整體結構設計計算的重點。通過對國內外復合材料連接設計的廣泛調研發現,目前承力復合材料構件主要采用螺栓連接、膠接、螺栓-膠接混合連接和預埋金屬件接頭、通過金屬件接頭相連四種連接方式。對于圓形閉口截面構件,以膠接和預埋金屬件接頭為主。

其中膠接的連接部位質量小、引起永久變形小,歐洲和美國的復合材料結構設計規范中也對復合材料膠接進行了介紹,均認為其擁有足夠的連接強度。但是現場膠接的質量得不到可靠保證,同時目前國產膠的承載力較低,難以滿足復合橫擔的承載力要求。而預埋金屬件接頭,其承載力較高,連接方便,但工藝復雜,難以在多規格材質的復合橫擔上應用。

借鑒預埋金屬件接頭、螺栓連接和膠接等連接方法,提出一種新型節點連接方式-鋼套管式節點,該節點生產過程是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。鋼套管式節點可以提高節點的承載能力,并且傳力可靠,連接方便。

3.4 構件抗老化設計

玻璃鋼纖維復合材料的老化主要是由樹脂基體、增強纖維以及樹脂/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行自然老化試驗,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重,強度未發生較大退化,強度保留率在85%以上,且泊松比沒有明顯下降。因此,該文推薦對復合材料構件進行全外表面防老化涂漆處理。

4 基本塔型尺寸規劃

基本塔型采用本次投標設計的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.導線垂直排列,取消懸垂絕緣子。

4.1 懸垂串長確定

采用復合橫擔時,由于橫擔為絕緣體,導線和橫擔之間考慮不采用懸垂絕緣子串,可以消除塔頭風偏放電故障,對低電壓等級的輸電線路是可行的。但對于采用分裂導線的高電壓等級輸電線路,除了絕緣需要,在桿塔設計時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,會因分裂導線縱向不平衡張力控制而需增大橫擔塔身的構件規格,較不經濟。以下擬將絕緣子串取消,保留適當金具長度。

計算所得輸電線路桿塔分裂導線縱向不平衡張力僅為最大使用張力,平地6.2%,山區11.4%;冰區脫冰工況縱向不平衡張力更小,均滿足設計規范規定。因此,平丘地形時可考慮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。該工程使用復合橫擔直線塔適用于平丘地,金具長度推薦采用1.2 m。

計算出的輸電線路桿塔分裂導線縱向不平衡張力僅為最大使用張力,平地6.2%,山區11.4%;冰區脫冰工況縱向不平衡張力更小,均滿足設計規范規定。因此,平丘地形時可考慮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。該工程使用復合橫擔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

根據規程規定,10 mm冰區導、地線水平位移不小于1.75 m。根據規程規定導地線線間距離應滿足0.012L+1 m的要求。導地線塔頭垂直距離取6 m。根據GB 50545-2010《110～750 k V架空輸電線路設計規范》,垂直排列導線最小垂直線間距離不小于10 m,SZ1塔采用絕緣橫擔后,懸垂絕緣子串可縮短,間隙圓對導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以下按規程規定大氣過電壓間隙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,采用加強絕緣,實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 電磁環境校核

采用復合橫擔后,相間水平、垂直距離均小于常規塔型,表面場強,無線電干擾,可聽噪聲計算值均增大,但仍滿足規程要求。

4.5 雙回路復合材料直線塔桿塔設計

雙回路直線塔導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、結構簡單、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用。

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

同時地線支架采用角鋼,防雷接地易于實現。該布置方式既能滿足承載力的要求,又能很好地與常規角鋼塔協調。由于戶外自然環境惡劣,復合橫擔塔在長期運行過程中,可能會出現因老化而強度下降、絕緣性能減退等現象,此時需要更換同規格復合橫擔。此時為避免導線落地,需采用地線支架暫掛導線,待更換復合橫擔后再將懸掛于地線支架的導線掛回。

復合橫擔塔下橫擔長度僅為7.05 m,較常塔縮短2.4 m;但此塔頭尺寸僅僅是根據絕緣及規范相關規定確定的最小塔頭尺寸,未考慮其他因素的影響。綜合考慮橫擔最小電弧距離、爬高比(不宜大于4 m)、金具節點長度及制造工藝要求等因素以后,實際復合橫擔需要適當加長。最短橫擔要求的絕緣長度為5 m,通過在玻璃纖維復合材料上覆硅帶傘裙的橡膠護套,可以使其爬電距離達到11 000 mm以上,滿足500 k V線路污耐壓的要求。

5 復合材料桿塔的技術經濟比較

以下以直線塔為例進行技術經濟指標比較。本體造價經濟指標對比,角鋼塔和復合橫擔塔經濟指標對比見表2。

表2雙回路角鋼塔、復合橫擔塔經濟指標對比

由表2可知,與常規角鋼塔相比,雙回路復合橫擔直線塔主要有以下優點:

a.橫擔結構與直線塔的橫擔結構相同,結構型式簡單,傳力清晰;

b.橫擔長度較常規角鋼塔縮短2.3 m,減小走廊寬度約4.6 m,減小了導線的荷載作用,降低塔重和基礎作用力;

c.塔重降低約22%,基礎混凝土降低約13%,本體造價降低約16%。

由此可見,對于雙回路直線塔,當導線橫擔采用復合材料時,具有顯著的經濟效益。同時由于走廊寬度降低,施工通道所涉及的賠償、協議收取,施工周期等都將降低,也必將提升線路運行的整體經濟指標。

6 結束語

在輸電線路的經濟分析中,通常注重建設期間的費用投資,往往忽視了結構全壽命過程費用的分析,這里主要指線路桿塔的維護費用。隨著經濟、技術與管理的發展,人們越來越傾向于采用包括運行維護在內的結構全壽命過程的經濟、技術以及環境影響等綜合指標來評價架空輸電線路桿塔結構。隨著輸電網建設規模的不斷擴大,輸電線路結構的運行維護問題將日益突出,線路結構的綜合費用效益分析將逐步受到重視。為保證供電可靠性,輸電線路應盡可能采用在使用期內免維護或少維護的電力設施。結構質量是結構經濟性的重要指標之一。非金屬復合材料桿塔比木質桿、混凝土桿和鋼管桿質量輕,可以大幅降低運輸成本和施工人工成本。復合材料架空線路電塔相對常規鐵塔對運營維護依賴性低,維護費用也遠低于常規鐵塔。

[1] 左玉璽,薛更新,孫 強,等.750 k V輸電線路復合橫擔設計研究[J].電網與清潔能源,2013,29(1):

[2] 王 力,羅正幫,楊雪鋒.復合材料輸電桿塔設計及其發展的制約因素[J].工程與建設,2014,28(4):

本文責任編輯: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計和研究方面工作。