10kV配電線路復合材料橫擔桿塔承受力計算研究

陳鑫

摘 要：經濟的發展過程中對電力的需求越來越大，電網系統不斷擴大，其所承擔的風險也越來越大，例如跳閘、電網安全事故等等，人們在不斷的尋找和嘗試新的方法從而減小甚至避免風險。隨著技術的不斷進步，復合材料在電力輸送系統中發揮的作用也越來越大，例如由復合材料制造的橫擔桿塔等逐漸替代了傳統的木質或者金屬合金橫擔桿塔，減小了一定的風險概率，同時也提高了電力系統的效益。相比于傳統的木質或者金屬合金橫擔桿塔，復合材料在橫擔桿塔中的應用具有一定的優勢，文章對10kV配電線路復合材料橫擔桿塔承受力進行計算研究，并與實際的受力情況進行對比，對計算的結果進行驗證，對于配電線路復合材料橫擔桿塔的研究和設計提供支持和依據，對于電力系統的發展具有重要意義。

關鍵詞：配電線路;復合材料;橫擔桿塔;承受力計算

中圖分類號：TM75 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）05-0065-03

Research on Bearing Capacity Calculation of Composite Cross Arm Pole and Tower for 10kV Distribution Line

Chen Xin

（Power Distribution Branch of Zhejiang Zhongxin Power Engineering Construction Co.， Ltd.， Hangzhou 311200， China）

Abstract：In the process of economic development， the demand for electricity is increasing， and the power grid system continues to expand， and the risks it bears are also increasing， such as tripping， power grid safety accidents， etc.， people are constantly looking for and trying new methods to reduce or even avoid risks. With the continuous progress of technology， the role of composite materials in the power transmission system has become greater and greater. For example， cross arm poles made of composite materials have gradually replaced traditional wooden or metal alloy cross arm poles， which reduces the risk probability and improves the efficiency of the power system. Compared with traditional wooden or metal alloy cross arm poles， the application of composite materials in cross arm poles has certain advantages. This paper calculates and studies the bearing capacity of composite cross arm poles in 10kV distribution lines， and compares them with the actual stress situation， verifies the calculation results， which provides support and basis for the research and design of composite cross arm towers for distribution lines. It is of great significance to the development of the power system.

Key words：distribution lines; composite materials; cross arm poles and towers; bearing capacity calculation

0 引言

復合材料在使用過程中具有絕緣性能好、質量輕、耐腐蝕、易加工、可設計性強等優點，成為各種金屬材料的理想替代品。近幾年來，我國對于復合材料的研究進展迅速，各種新型材料層出不窮，復合材料在各個領域的應用越來越廣泛，尤其是在工程領域，隨著復合材料各種性能的不斷優化和完善，其在各種結構中的應用已經逐漸取代了部分金屬制品結構。例如，在配電線路中由復合材料制造的橫擔桿塔的塔重較輕、結構簡單輕便、維護成本較低，因此在配電線路中已經逐漸發展成為鋼材料的替代品。配電線路中復合材料橫擔桿塔的應用使其使用壽命延長，避免了頻繁的更換電桿，還可以減少走廊寬度，降低成本，提高經濟效益，復合材料橫擔桿塔的這些優勢使其在配電線路中前景廣闊。另外，復合材料橫擔桿塔充分利用了復合材料的優勢，替代了傳統的金屬橫擔，為配電線中電桿塔的發展開拓了新的模式。本文研究中，利用力學中有限元的相關概念，對復合材料橫擔桿塔的受力情況進行計算，并驗證了復合材料橫擔桿塔設計的合理性，為復合材料橫擔桿塔的設計提供參考，對于配電線路的發展和改革具有重要意義。

1 國內外研究現狀

國外的技術發展較為先進，因此對于材料的研究和應用也起步較早，在復合材料橫擔桿塔的研究中也相對較早。例如，日本在20世紀60年代為了解決因為風偏而引起的電力系統閃絡問題，將復合材料應用與配電線橫擔中，并取得了很好的效果。美國在高鹽霧腐蝕嚴重的區域進行復合材料桿塔的應用，該復合材料桿塔有長達幾十年的使用壽命，表現出優異的耐腐蝕性能。加拿大為了研發強度大、耐沖擊力強的輸電桿，利用聚氨酯樹脂進行了模段式復合材料的組合，成功加強了輸電桿的強度和耐沖擊力。我國對于復合材料在配電線路中的研究受到技術條件、工藝條件等的影響發展較為緩慢。然而近些年來國家經濟水平的提高帶動了技術水平和工藝水平的提高，復合材料的研究取得較大進步，并被廣泛應用于配電線路橫擔桿塔的建設中。例如，2010年我國在銀川地區在110kV的輸電工程中進行了復合材料桿塔的投入使用，2012年在上海220kV的架空配電線路中成功進行了復合橫擔的應用，該復合橫擔減小了走廊寬度。到目前位置，復合材料橫擔桿塔的已經國內多個城市進行了應用，涉及110kV、220kV、500kV、750kV等的線路工程，復合材料橫擔桿塔在國內的研究和應用取得了較大的進步，另外我國具有特殊的地形地貌、天氣環境和能源分布，針對這些復雜的地理環境問題，復合材料橫擔桿塔在我國還有很大的應用空間和研究空間。

2 復合材料桿塔橫擔的選型

復合材料的彈性模量和抗壓強度相對較低，在配電線桿塔中完全采用復合材料會出現很多問題，例如造成較大的構件規格，從而造成連接鋼件同樣使用較大規格、連接長度較長等問題，還有復合材料的桿塔接地困難等問題。因此為了能同時利用復合材料的優勢有能利用角鋼塔身強度高、剛度大的優勢，在配電線路中桿塔的橫擔部位中應用復合材料，有效地避免了上述問題。在10kV配電線路橫擔桿塔中應用復合材料，為了充分發揮其優勢，其結構形式主要采用三拉一壓的形式。該中結構港式構造簡單、成本低，具體的結構圖形如圖1所示。

針對復合材料自身的特點，本文中采用線彈性有限元方法分析復合材料橫擔桿塔的內應力，根據實際的應用情況，利用有限元軟件建立復合材料橫擔桿塔的有限元模型，并結合實際情況進行有限元模型中各項參數的設置。配電線路的桿塔中復合材料橫擔包括上、中、下三層，而每一層橫擔又由四根桿件組成（圖2），分別為一根壓桿（圖2中用1表示）和三根受拉絕緣棒（圖2中用2、3、4表示）。

通過有限元分析計算復合材料橫擔的荷載工況，分析三層橫擔的桿件內力，通過對計算結果的分析進行復合材料橫擔的桿件的選型。

3 壓管承載力分析

復合材料的截面形式雖然可以根據實際需求進行設計，但是在配電線路橫擔桿塔中一般選擇圓形截面，因為該種截面的截面慣性矩最大，而且管型構件制作便捷，因此一般的復合材料橫擔均采用圓形截面的支柱絕緣子作為主要受力構件。在計算復合材料壓管的應力時將其簡化。簡化之后計算變截面壓管在其任意高度截面處的慣性矩為：

其中，是變截面壓管兩端截面的慣性矩;為變截面壓管的長度;為壓管中間壁厚與兩端壁厚的比值。復合材料等截面壓管的臨界載荷為：

其中，E為復合材料的彈性模量。根據上述公式并結合復合材料橫擔的實際情況設置參數，計算不同構件下的臨界荷載，并與有限元模型的計算結果進行對比分析，對比分析結果如表1所示。由表1中的數據可以明顯看出變截面載荷的理論值與有限元計算值的結果相差較小，在允許的誤差范圍內，說明有限元分析法可用于復合材料橫擔承載力的計算中，結果可靠。另外，通過表中的數據還可以明顯發現，相對于等截面的壓管來說，變截面的承載力更大，因此在施工過程中可以結合實際情況具體應用。

4 連接節點承載力分析

復合材料橫擔的節點部位主要采用膠接連接金屬件，然后再通過金屬件進行螺栓連接。在上述完成有限元模型的建立分析之后，再施加一定的載荷，研究連接節點處的強度。在配電線路復合材料橫擔中，拉管與絕緣管之間通過膠裝的方式連接，拉管主要受到拉伸作用。實驗時，拉管一端通過法蘭進行固定，另一端法蘭通過螺栓施加一定程度的拉伸和彎曲載荷，得到膠裝高度方向的應力分布曲線，如圖3所示。

由圖3可以看出，膠裝高度越高膠黏劑應力越小，其最大應力滿足設計需求，且在拉伸實驗過程中，但應力增加到一定程度，螺栓被拉斷而膠裝部分卻無損壞，說明膠裝部位所能承受的應力達到要求。

同樣的，在復合材料橫擔的壓管與絕緣管也是通過膠裝的方式連接。與上述實驗不同的是，在實驗過程中主要對拉管施加一定拉伸作用力，獲得拉管的膠裝部位膠裝高度方向的應力分布曲線，如圖4所示。

由圖4中可以明顯看出，拉管上膠粘劑的應力隨著膠裝高度的增加而逐漸較小，到達一定高度后，膠粘劑應力逐漸趨于穩定。說明膠裝高度對于拉管中膠粘劑的應力影響較小，膠裝部位的所能承受的應力滿足要求。

5 結語

復合材料具有耐沖擊性能好、耐酸堿腐蝕、穩定性好、絕緣性能較好等優勢，將其運用到配電線路橫擔桿塔中對于輸電線路的發展起到推動作用。而且，復合材料在橫擔中的應用還能解決線路走廊進展的為題，減小成本，安裝和維護相對較為簡單。本文中對其承載力的研究，對于復合材料在配電線路橫擔桿塔中的設計和應用工作提供一定的參考作用，對于其發展具有重要意義。

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