750 kV輸電線路復(fù)合材料橫擔(dān)塔的適用性研究

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

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750 kV輸電線路復(fù)合材料橫擔(dān)塔的適用性研究

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

摘要：以新疆地區(qū)某750 kV工程中初步設(shè)計(jì)擬采用的復(fù)合材料橫擔(dān)塔為例，對復(fù)合材料橫擔(dān)塔在工程中應(yīng)用的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了對比分析，給出了推薦結(jié)構(gòu)形式，并通過有限元分析得到復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)的控制工況。通過對新疆地區(qū)不同工程條件下的工程經(jīng)濟(jì)性分析，探討了復(fù)合材料橫擔(dān)塔的適用性。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；750 kV；橫擔(dān)；經(jīng)濟(jì)性；適用性。

高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP)具有強(qiáng)度大、質(zhì)量輕、耐腐蝕以及耐久性能和電絕緣性能好等特點(diǎn)，非常適于制造輸電桿塔。復(fù)合材料桿塔用于輸電線路可以節(jié)約鋼材，利用桿塔的絕緣性，不僅易于解決輸電線路的風(fēng)偏和污閃事故，提高線路安全運(yùn)行水平，同時(shí)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(diǎn)，可以降低桿塔的運(yùn)輸和組裝成本；利用桿塔的耐腐蝕、耐高低溫、強(qiáng)度大、被盜可能性小的特點(diǎn)，可降低線路的運(yùn)行維護(hù)成本；同時(shí)由于桿塔顏色可調(diào)、無毒害、報(bào)廢后可再利用，增強(qiáng)了線路的環(huán)境友好性。

目前國內(nèi)主要將復(fù)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(yīng)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(fù)合材料較為困難，可考慮采用部分絕緣桿塔技術(shù)，即塔身仍采用傳統(tǒng)鋼材結(jié)構(gòu)，僅在塔頭或橫擔(dān)部分采用復(fù)合材料，既節(jié)省了鋼材資源，也充分利用了復(fù)合材料的絕緣性能，還可避免架設(shè)特殊接地引下線。

1　復(fù)合材料橫擔(dān)塔結(jié)構(gòu)方案

本文結(jié)構(gòu)方案以新疆地區(qū)某在建750 kV工程A中初步設(shè)計(jì)擬采用復(fù)合材料橫擔(dān)塔為例進(jìn)行對比分析。

1.1構(gòu)件截面型式

復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔的構(gòu)件主要承受軸心荷載，其構(gòu)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(qiáng)度和穩(wěn)定的承載力要求；(3)制作簡便；(4)連接方便。

對于軸心受壓構(gòu)件，截面開展更具有重要意義，復(fù)合材料由于彈性模量較低，其整體穩(wěn)定問題遠(yuǎn)較鋼構(gòu)件的穩(wěn)定問題突出，因此選擇的截面更應(yīng)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(gòu)件的局部穩(wěn)定)，以提高構(gòu)件的穩(wěn)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(jīng)濟(jì)。

復(fù)合材料拉擠型材的截面形式可根據(jù)需要設(shè)計(jì)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(wěn)定承載力也最高，而且復(fù)合材料管型構(gòu)件制作便捷，連接方便。同時(shí)，目前支柱絕緣子也主要采用圓形構(gòu)件，其電氣性能滿足工程應(yīng)用要求，因此復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔擬采用圓形和環(huán)形截面構(gòu)件作為主要受力構(gòu)件。

1.2橫擔(dān)結(jié)構(gòu)型式

在復(fù)合材料橫擔(dān)型式的設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合復(fù)合材料的特性，一共設(shè)計(jì)了A、B、C 三種方案，計(jì)算和對比結(jié)果見表1。

對于方案A，橫擔(dān)下平面由于受壓，采用了支柱絕緣子結(jié)構(gòu)，橫擔(dān)上平面斜拉材由于受軸向拉力，為了充分利用復(fù)合材料抗拉性能優(yōu)異的特點(diǎn)，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(jié)點(diǎn)構(gòu)造。但由于橫擔(dān)為靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度小，變形大，抵抗破壞能力較弱。橫擔(dān)下平面主材無分段，橫擔(dān)長度較短，但支柱絕緣子的無支撐長度較長，導(dǎo)致構(gòu)件規(guī)格較大，橫擔(dān)整體偏重，不推薦該方案。

對于方案B，結(jié)構(gòu)型式與常規(guī)塔型較一致，橫擔(dān)所有構(gòu)件均采用了支柱絕緣子結(jié)構(gòu)，由于中間金屬連接節(jié)點(diǎn)的存在，絕緣長度有所降低，但復(fù)合材料壓桿無支撐長度較短，可以有效降低其規(guī)格，結(jié)構(gòu)剛度較大，該方案最大的缺點(diǎn)是上平面受拉材采用了支柱絕緣子，不僅不能充分利用復(fù)合材料的優(yōu)良抗拉特性，而且造成了節(jié)點(diǎn)處理困難，不推薦該方案。

表1　不同復(fù)合材料橫擔(dān)型式對比

對于方案C，其橫擔(dān)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(jì)算長度，簡化了端部節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，結(jié)構(gòu)剛度較大，兼具了方案A和B的優(yōu)點(diǎn)，橫擔(dān)最輕，推薦采用該方案。

1.3節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

目前復(fù)合材料橫擔(dān)的節(jié)點(diǎn)推薦采用套管式連接，該節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)過程為在復(fù)合材料型材成型后，利用膠結(jié)連接金屬件，再通過金屬件進(jìn)行螺栓連接。

套管式節(jié)點(diǎn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)提高了節(jié)點(diǎn)的承載能力：由于采用在復(fù)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(gòu)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(jié)點(diǎn)主要借鑒了鋼結(jié)構(gòu)的思想，與傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)類似，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)較為成熟，傳力明確可靠。

(3)連接方便：套管在工廠與復(fù)合材料進(jìn)行膠結(jié)，現(xiàn)場只需進(jìn)行金屬件之間的螺栓連接，這與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)完全相同，技術(shù)要求較低，便于現(xiàn)場組裝。

復(fù)合材料連接采用套管式節(jié)點(diǎn)，由于塔身采用了角鋼構(gòu)件，借鑒以往鋼管塔節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，橫擔(dān)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(jié)構(gòu)有限元分析

復(fù)合材料是正交各向異性材料，目前國內(nèi)普遍采用的鐵塔設(shè)計(jì)程序無法進(jìn)行復(fù)合材料橫擔(dān)設(shè)計(jì)，因此本工程在設(shè)計(jì)時(shí)，采用了有限元分析軟件ANSYS12.0進(jìn)行分析，全塔模型見圖2。

圖2　復(fù)合材料橫擔(dān)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(fù)合材料橫擔(dān)桿件的軸力,參考文獻(xiàn)[4]并綜合考慮，安全系數(shù)按3.0考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)。各類型桿件的受拉及受壓的控制荷載和對應(yīng)控制工況詳見表2。

表2　復(fù)合材料橫擔(dān)桿件的軸力及控制工況

從表2中可知，當(dāng)復(fù)合材料橫擔(dān)采用推薦方案時(shí)，橫擔(dān)構(gòu)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(fù)合材料構(gòu)件的重量80%左右，由覆冰斷線工況控制。

不同工況下，橫擔(dān)端部的相對位移詳見表3。

表3　復(fù)合材料橫擔(dān)位移計(jì)算結(jié)果

從表3中可知，最大位移為安裝工況時(shí)，Z向位移為351.9 mm，僅為計(jì)算高度的0.98%；而技術(shù)規(guī)程中長期荷載效應(yīng)組合(無冰，風(fēng)速5 kV及年平均氣溫)作用下，橫擔(dān)最大位移為78.3 mm，為計(jì)算高度的0.22%，滿足規(guī)范對桿塔計(jì)算撓度的要求。

2　不同工程條件下的對比分析

為了得到復(fù)合材料橫擔(dān)塔在不同工程條件下的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，并依此得到復(fù)合材料橫擔(dān)塔在實(shí)際工程中的適用條件，選擇了新疆的三個(gè)工程進(jìn)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(shè)計(jì)中擬采用的復(fù)合材料橫擔(dān)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(shè)計(jì)中擬采用的復(fù)合材料橫擔(dān)塔(以下簡稱750 kV工程B)；工程三是新疆與西北聯(lián)網(wǎng)第二通道750 kV輸電線路工程中實(shí)際使用的復(fù)合材料橫擔(dān)塔(以下簡稱西北聯(lián)網(wǎng)二回750 kV)。

2.1工程技術(shù)條件

三個(gè)工程的實(shí)際工程技術(shù)條件及復(fù)合材料橫擔(dān)塔的桿塔使用條件見表4、表5。

表4　工程技術(shù)條件

表5　復(fù)合材料橫擔(dān)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(fù)合橫擔(dān)鐵塔配套絕緣子串的最短串長，按照規(guī)范進(jìn)行了縱向不平衡張力計(jì)算。

根據(jù)《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50545—2010規(guī)定，10 mm及以下冰區(qū)平丘地形雙分裂以上導(dǎo)線懸垂塔的縱向不平衡張力按照最大使用張力的20%設(shè)計(jì)；根據(jù)《重覆冰架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》DL/T5440—2009規(guī)定，15 mm雙分裂以上導(dǎo)線懸垂塔的縱向不平衡張力按照最大使用張力的35%設(shè)計(jì)。

為了確定750 kV輸電工程復(fù)合橫擔(dān)鐵塔配套絕緣子串的最短串長，按照規(guī)范進(jìn)行了縱向不平衡張力計(jì)算，以連續(xù)7檔(檔距均勻分布)，第一檔斷線為計(jì)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(fēng)、有冰。

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

750kV工程A，當(dāng)取消懸掛絕緣子串時(shí)，計(jì)算結(jié)果表明，10 mm冰區(qū)分裂導(dǎo)線縱向不平衡張力為最大使用張力的16.66%，滿足規(guī)范要求，可按照懸掛2.0 m串長(金具長度為2 m)進(jìn)行塔頭布置。

750kV工程B，當(dāng)取消懸掛絕緣子串時(shí)，計(jì)算結(jié)果表明，15 mm冰區(qū)導(dǎo)線縱向不平衡張力為最大使用張力的38.52%，不滿足規(guī)范要求；只有當(dāng)懸掛串長超過4 m(金具長度為2 m)時(shí)，15 mm冰區(qū)分裂導(dǎo)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(guī)范要求。

2.3塔頭尺寸

根據(jù)規(guī)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(dǎo)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(hù)角不宜大于10°；且在一般檔距的檔距中央，導(dǎo)線與地線間的距離，應(yīng)滿足S ≥0.012L+1(S為導(dǎo)線與地線間的距離，L為檔距)。

復(fù)合橫擔(dān)的尺寸不僅要滿足間隙圓的要求，還應(yīng)考慮最小電弧距離，爬高比、金具節(jié)點(diǎn)長度及制造工藝要求等因素。

參照國家電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)的要求和西北聯(lián)網(wǎng)第二通道750 kV工程的電氣性能試驗(yàn)及實(shí)際運(yùn)行情況，西北聯(lián)網(wǎng)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(qū)，最小電弧距離取6000 mm，復(fù)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(qū)，最小電弧距離取6800 mm，復(fù)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(jié)點(diǎn)長度及制造工藝要求等因素以后，復(fù)合橫擔(dān)長度見表6。

表6　不同工程復(fù)合材料橫擔(dān)塔橫擔(dān)尺寸

2.4經(jīng)濟(jì)性對比

以750 kV工程A初步設(shè)計(jì)擬采用復(fù)合材料橫擔(dān)塔為例，為了分析復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔的經(jīng)濟(jì)性，需綜合考慮材料費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)、安裝費(fèi)、人工費(fèi)等因素進(jìn)行測算。由于采用復(fù)合材料橫擔(dān)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(fù)合材料橫擔(dān)桿塔的呼高比傳統(tǒng)角鋼塔降低7 m。因此將36 m呼高復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔與43 m呼高傳統(tǒng)角鋼塔經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較(不考慮復(fù)合材料橫擔(dān)的備品、備件)，兩個(gè)塔的結(jié)構(gòu)布置及尺寸見圖4。

圖4　兩個(gè)塔的結(jié)構(gòu)布置及尺寸

經(jīng)初步測算，由于取消了絕緣子，在相同的使用條件下，復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔的呼高比傳統(tǒng)鐵塔顯著降低，桿塔全高有所增加，塔頭部分結(jié)構(gòu)形式更加簡潔、傳力明確，桿塔風(fēng)荷載減小，桿塔重量減輕，基礎(chǔ)作用力也相應(yīng)減小，造價(jià)降低。以750 kV工程A中平丘地段ZB31101直線塔為例，設(shè)計(jì)風(fēng)速31kV，設(shè)計(jì)冰厚10 mm，海拔1500 m，與相同規(guī)劃條件的復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比分析見表7。

表7　750 kV工程A經(jīng)濟(jì)性對比

由表7可知，當(dāng)呼高為43 m時(shí)，ZB31101塔重為32.80 t，走廊寬度約為50.8 m；而對于相同規(guī)劃條件下的750 kV復(fù)合材料橫擔(dān)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(shí)取消了懸垂絕緣子，其綜合造價(jià)約降低4.26%。

同理可以得到750 kV工程B的角鋼塔ZBC34151與復(fù)合材料橫擔(dān)塔FZ - 2經(jīng)濟(jì)性對比見表8。新疆與西北聯(lián)網(wǎng)第二通道750 kV輸電線路工程的材料重量參考文獻(xiàn)，經(jīng)濟(jì)性以當(dāng)前費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算對比分析，見表8。

表8　750 kV工程B經(jīng)濟(jì)性對比

續(xù)表8

由表8可知，當(dāng)呼高為43 m時(shí)，ZB314151塔重為50.10 t ，走廊寬度約為50.8 m；而對于相同規(guī)劃條件下的750 kV復(fù)合材料橫擔(dān)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(shí)縮短了懸垂絕緣子，其綜合造價(jià)約降低2.68%。

表9　西北聯(lián)網(wǎng)二回750 kV工程經(jīng)濟(jì)性對比

由表9可知，當(dāng)呼高為49 m時(shí)，ZB31051塔重為29.70 t，走廊寬度為35.2 m；而對于相同規(guī)劃條件下的750 kV復(fù)合材料橫擔(dān)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(shí)取消了懸垂絕緣子，其綜合造價(jià)約降低5.73%。

通過上述三個(gè)工程的復(fù)合材料橫擔(dān)塔與其相同工程條件下設(shè)計(jì)的角鋼塔對比發(fā)現(xiàn)，750 kV輸電工程采用復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔比傳統(tǒng)鐵塔可減小輸電走廊寬度，減輕桿塔和基礎(chǔ)重量，一定程度上降低輸電塔的綜合造價(jià)。

在塔重、基礎(chǔ)重量和經(jīng)濟(jì)性方面對比，西北聯(lián)網(wǎng)二回750 kV工程最優(yōu)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(fù)合材料占最大重量比重的壓管由覆冰斷線工況控制，F(xiàn)Z - 2塔位于15 mm中冰區(qū)，相對于位于10 mm輕冰區(qū)的FZ - 1 和FZ - 3塔，計(jì)算的復(fù)合橫擔(dān)重量比重要小很多；另外輕冰區(qū)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(qū)的FZ - 2塔呼高縮短的5.5 m幅度要大，塔身計(jì)算的重量減少幅度也大一些。由此推論，重冰區(qū)采用復(fù)合材料橫擔(dān)塔的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢將進(jìn)一步削減。

在節(jié)約線路走廊方面對比，750 kV工程B最優(yōu)。所以在某些位于中、重冰區(qū)的工程條件下，當(dāng)線路走廊比較緊張時(shí)，可以考慮采用復(fù)合材料橫擔(dān)塔。

3　結(jié)論與建議

(1)依托新疆地區(qū)在建750 kV工程A實(shí)際討論了復(fù)合材料橫擔(dān)塔在750 kV線路中的應(yīng)用情況，給出了復(fù)合材料構(gòu)件的主要截面型式，簡要介紹了復(fù)合材料橫擔(dān)與塔身的節(jié)點(diǎn)連接方式，并通過計(jì)算對比分析給出了推薦橫擔(dān)結(jié)構(gòu)型式。

(2)通過ANSYS12.0軟件進(jìn)行有限元分析表明，復(fù)合材料橫擔(dān)構(gòu)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(yīng)組合(無冰，風(fēng)速5 m/s及年平均氣溫)作用下，橫擔(dān)最大位移為78.3 mm，為計(jì)算高度的0.22%，滿足規(guī)范對桿塔計(jì)算撓度的要求。

(4)對新疆三個(gè)工程的懸垂串按照規(guī)范要求進(jìn)行計(jì)算得到，位于輕冰區(qū)的工程可取消懸垂絕緣子串，位于中冰區(qū)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(jié)點(diǎn)長度及制造工藝要求等因素計(jì)算出復(fù)合橫擔(dān)長度。

(6)通過上述三個(gè)工程的復(fù)合材料橫擔(dān)塔與其相同工程條件下設(shè)計(jì)的角鋼塔的經(jīng)濟(jì)性對比可知，復(fù)合材料橫擔(dān)塔在輕冰區(qū)有較好的經(jīng)濟(jì)性，推薦采用，在中冰區(qū)經(jīng)濟(jì)性一般，僅當(dāng)線路走廊比較緊張時(shí)，可以考慮采用。

參考文獻(xiàn):

[1]夏開全．復(fù)合材料在輸電桿塔中的研究與應(yīng)用[J]．高科技纖維與應(yīng)用，2005，30(5)．

[2]左玉璽，等．750 kV輸電線路復(fù)合橫擔(dān)設(shè)計(jì)研究[J]．電網(wǎng)與清潔能源，2013，29(1)．

[3]楊林，王虎長，趙雪靈．復(fù)合材料在輸電桿塔中的應(yīng)用研究[J]．中國電力，2014，(1)．

[4]劉克龍，等．復(fù)合材料的安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析[J]．南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，36(1)．

[5]DL/T 5154—2012，架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S]．

[3]GB50545—2010，110～750 kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[7]劉振亞．高海拔外絕緣配置技術(shù)規(guī)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(xiàn)標(biāo)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。