FRP在桿塔改造中的應(yīng)用

張 林，李 濤，黃尊志，李榮德，張 鑫

（國網(wǎng)山東省電力公司泰安供電公司，山東 泰安 271000）

·班組創(chuàng)新·

FRP在桿塔改造中的應(yīng)用

張 林，李 濤，黃尊志，李榮德，張 鑫

（國網(wǎng)山東省電力公司泰安供電公司，山東 泰安 271000）

近年來因110 kV汶滿I、II線通道環(huán)境變化，為防止線路遭受外力破壞，需要對(duì)其進(jìn)行改造。針對(duì)桿塔對(duì)地距離不足且無法加高的問題，應(yīng)用FRP復(fù)合絕緣材料對(duì)20號(hào)、21號(hào)塔進(jìn)行改造，將角鋼塔塔頭更換為復(fù)合絕緣材料，導(dǎo)、地線直接掛在絕緣橫擔(dān)上，去掉懸垂絕緣子長度，提升導(dǎo)線對(duì)地安全距離，改造后的桿塔能有效提高線路安全運(yùn)行水平。

輸電線路；FRP（纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料）；復(fù)合絕緣桿塔；桿塔改造

0 引言

輸電線路由于所處地理位置的環(huán)境比較復(fù)雜，并且桿塔點(diǎn)多、線長、面廣，同時(shí)長時(shí)間暴露在野外，一方面遭受惡劣自然天氣的侵襲，另一方面受人為等外力破壞，也會(huì)造成線路跳閘，在一定程度上導(dǎo)致線路停電事故發(fā)生概率增大。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長110 kV汶滿I、II線的運(yùn)行環(huán)境日益惡化，輸電線路走廊內(nèi)的房屋、樹木、道路、城鎮(zhèn)建設(shè)、采石挖礦、施工對(duì)線路的破壞大量增加。為防止線路遭受外力破壞，應(yīng)用FRP（纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料）對(duì)20號(hào)、21號(hào)塔進(jìn)行改造。

1 改造背景

110 kV汶滿I線與110 kV汶滿II線同塔架設(shè)，于2005年10月投運(yùn)，已運(yùn)行近10年，原通道內(nèi)為農(nóng)田，近年來110 kV汶滿I、II線19～23號(hào)桿塔所處地段修建濕地公園及公路，造成導(dǎo)線對(duì)公路間距離不符合規(guī)定的7.0 m安全距離。該線路從北向南被4條500 kV線路跨越，分別為：500 kV岱泰線、500 kV鄆泰Ⅱ線、500 kV上泰Ⅰ、Ⅱ線，其中500 kV鄆泰線與110 kV汶滿Ⅰ、Ⅱ線交跨距離最近，經(jīng)實(shí)際測量，交叉點(diǎn)的最小距離為7.4 m（500 kV鄆泰線的導(dǎo)線對(duì)110 kV汶滿線的架空地線）。因此20號(hào)、21號(hào)鐵塔沒有加高的空間，如圖1所示。

圖1 汶滿線20號(hào)鐵塔

多年來國內(nèi)外對(duì)應(yīng)用于輸電線路的FRP開展了廣泛的研究，復(fù)合絕緣桿塔已在輸電工程中逐步應(yīng)用［1］。與常規(guī)鋼質(zhì)桿塔相比，復(fù)合絕緣桿塔具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、溫度適應(yīng)性強(qiáng)、電絕緣性能好、可設(shè)計(jì)性好、維護(hù)性好、環(huán)境性能好等優(yōu)點(diǎn)，因而通過合理的設(shè)計(jì)，充分利用復(fù)合材料的性能等優(yōu)點(diǎn)，將復(fù)合材料技術(shù)應(yīng)用到輸電線路改造中既經(jīng)濟(jì)又高效［2］。

2 方案設(shè)計(jì)

110 kV汶滿I線與110 kV汶滿II線同塔架設(shè)，導(dǎo)線型號(hào)均為LGJ-240／30，兩側(cè)地線型號(hào)均為GJ-50，塔身架設(shè)ADSS光纜，20號(hào)、21號(hào)塔為MZ-12塔型。

改造前20號(hào)、21號(hào)桿塔間架空地線對(duì)500 kV導(dǎo)線距離7.4 m，按照規(guī)程要求改造后此距離應(yīng)不超過6 m［3］。為提高對(duì)地距離，且滿足規(guī)程要求，將20號(hào)、21號(hào)塔設(shè)計(jì)為FRP復(fù)合絕緣桿塔，如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)方案

將導(dǎo)線直接掛在FRP復(fù)合桿塔絕緣橫擔(dān)上并提升導(dǎo)、地線高度，主桿根開不作調(diào)整，塔頭部更換FRP復(fù)合材料，橫擔(dān)改為復(fù)合絕緣橫擔(dān)。

復(fù)合絕緣橫擔(dān)由玻璃纖環(huán)氧樹脂芯棒、硅橡膠傘裙、前端連接金具、連接法蘭組成。芯棒與金具連接采用膠裝工藝，芯棒與傘裙采用整體一次成型注壓工藝。芯棒機(jī)械強(qiáng)度高、抗張抗彎，強(qiáng)度比普通鋼材高。傘裙具有良好的憎水性能，其整體結(jié)構(gòu)保證了內(nèi)絕緣不受潮［4-5］。

3 設(shè)計(jì)荷載計(jì)算

桿塔型式為三聯(lián)桿雙回路型，水平檔距Lh=140 m；垂直檔距Ln=150 m；呼高h(yuǎn)=11 m；桿高H=14.78 m。導(dǎo)線和地線參數(shù)如表1所示。年平均氣溫為5℃，氣象條件定義如表2所示。

表1 導(dǎo)線和地線指標(biāo)

表2 氣象條件

3.1 導(dǎo)、地線最大張力和應(yīng)力

導(dǎo)線和接地線最大張力和應(yīng)力計(jì)算公式為

式中：Tmax為導(dǎo)線和地線最大張力；σmax為導(dǎo)線和地線最大應(yīng)力；Ψ為可變荷載組合系數(shù)，取1.0；γO為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取 1.0；γQi為荷載的分項(xiàng)系數(shù)，取1.4；Tp為拉斷力；KC為導(dǎo)、地線的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，導(dǎo)線KC=2.5、地線KC=3.0；系數(shù)0.7為稀有風(fēng)速和覆冰氣象條件時(shí)，導(dǎo)、地線弧垂最低點(diǎn)最大張力不超過拉斷力的70%；S為導(dǎo)、地線截面面積。

由式（1）、（2）計(jì)算導(dǎo)、地線最大張力和應(yīng)力：Tmax導(dǎo)= 29.05 kN；σmax導(dǎo)=105.25 MPa；Tmax地=13.85 kN；σmax地=279.3 MPa。

3.2 大風(fēng)載荷

水平荷載和垂直荷載計(jì)算公式為

式中：WX為垂直于導(dǎo)線及地線方向的水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；α為風(fēng)壓不均勻系數(shù)，取0.75；βC為風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)，取1.0；μZ為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取0.88；μSC為導(dǎo)、地線的體型系數(shù)，取1.1；θ為風(fēng)向與導(dǎo)線或地線方向之間的夾角；WO為基準(zhǔn)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值，WO=v2／16，Pa；d為導(dǎo)、地線直徑；Lh為水平檔距；n為導(dǎo)地線每相子導(dǎo)線根數(shù)，均為1；γG為導(dǎo)地線無冰垂直比載，取1.2。

由式（3）計(jì)算導(dǎo)、地線水平荷載為WX導(dǎo)=1.690 kN，WX地=0.858 kN。

由式（4）計(jì)算導(dǎo)、地線垂直荷載為G導(dǎo)=1.627 kN，G地=0.745 kN。

-5℃時(shí)，由式（1）、（2）計(jì)算導(dǎo)、地線張力和應(yīng)力如下：T導(dǎo)=23.284 kN；σ導(dǎo)=84.38 MPa；T地=10.898 kN；σ地=220.21 MPa。

3.3 安裝載荷

由式（3）計(jì)算導(dǎo)、地線水平荷載為WX導(dǎo)=0.188 kN，WX地=0.093 kN。

垂直荷載計(jì)算公式為

式中：GF為玻璃鋼搶修鋼塔附加重量，取1 960 N。

由式（5）計(jì)算導(dǎo)、地線垂直荷載為G導(dǎo)=5.214 kN，G地=2.969 kN。

-10℃時(shí)，由式（1）、（2）計(jì)算導(dǎo)、地線張力為T導(dǎo)= 25.147 kN，T地=11.887 kN。

3.4 低溫載荷

由式（4）計(jì)算水平荷載為WX導(dǎo)=0，WX地=0。

低溫垂直載荷與大風(fēng)時(shí)垂直載荷相同，G導(dǎo)= 1.627 kN，G地=0.745 kN。

-20℃時(shí)，張力最大，由式（1）計(jì)算得：T導(dǎo)=Tmax導(dǎo)= 29.047 kN，T地=Tmax地=13.847 kN。

3.5 覆冰載荷

由式（3）計(jì)算導(dǎo)、地線水平荷載為WX導(dǎo)=0.188 kN，WX地=0.093 kN。

由式（4）計(jì)算導(dǎo)、地線垂直荷載為G導(dǎo)=3.224 kN，G地=1.715 kN。

由式 （1）計(jì)算-5℃時(shí)導(dǎo)、地線的張力為T導(dǎo)= 25.500 kN，T地=11.936 kN。

荷載圖繪制如圖3所示。

圖3 荷載圖

由荷載圖計(jì)算合力，對(duì)比如表3所示。

表3 合力計(jì)算 kN

4 現(xiàn)場安裝及效果

本工程施工難度較大，主要是在原鐵塔的基礎(chǔ)進(jìn)行升高，由于絕緣橫擔(dān)需要與原塔對(duì)接試裝，有可能出現(xiàn)連接問題，又因該處穿過4條500 kV線路，不光是感應(yīng)電壓高，拆除和安裝時(shí)也極易超出安全距離。針對(duì)以上問題，提出以下措施。

1）嚴(yán)格遵守停電、驗(yàn)電、掛接地線制度，因交跨較多，應(yīng)在工作地段加掛接地線。

2）分工明確，在放松導(dǎo)、地線和拆除原橫擔(dān)安裝新橫擔(dān)時(shí)要設(shè)專人指揮，使用吊車時(shí)也要設(shè)專人隨車指揮。

3）高空作業(yè)人員要使用全方位安全帶。在桿塔上作業(yè)移位時(shí)不得失去安全帶的保護(hù)，安全帶要系在牢固的構(gòu)件上。

4）使用吊車時(shí)，吊車要支點(diǎn)要用方木墊牢支腿。吊車吊臂伸縮時(shí)要設(shè)專人觀察，對(duì)交跨導(dǎo)線的距離不得小于7 m。吊車司吊要有上崗證且有經(jīng)驗(yàn)的人員擔(dān)任。

圖4 現(xiàn)場施工圖

圖5 改造后現(xiàn)場

由于維修工程只進(jìn)行鐵塔上端部件的更換，導(dǎo)、地線利用原有的維修方案采用導(dǎo)、地線不下落，地面體組裝、使用吊車吊裝鐵塔，待新塔立起后，提升導(dǎo)、地線，如圖4所示。耐張塔調(diào)整導(dǎo)地線弧垂，采用設(shè)置安全可靠的后備保護(hù)繩，逐相利用手扳葫蘆采用松卸螺栓型耐張線夾的方式。復(fù)合橫擔(dān)按照?qǐng)D紙制造加工完成后在現(xiàn)場進(jìn)行安裝，安裝時(shí)應(yīng)注意：螺栓安裝緊固時(shí)按照表4給出的標(biāo)準(zhǔn)值，否則會(huì)造成復(fù)合材料的變形或裂紋；在施工時(shí)如發(fā)生復(fù)合材料的變形、裂紋時(shí)應(yīng)及時(shí)更換；復(fù)合材料的邊沿應(yīng)打磨成圓弧形，邊沿和孔沿應(yīng)將毛刺處理干凈；螺栓應(yīng)墊雙墊片。

表4 常用螺栓緊固扭矩標(biāo)準(zhǔn)值 Nm

改造完成后線路如圖5所示，絕緣配合方面單塔兩根導(dǎo)線線間距離3.8 m，相鄰兩塔導(dǎo)線線間距離3.2 m，空氣間隙1.4 m，大于帶電作業(yè)安全距離；合成橫擔(dān)絕緣子泄漏比距大于2.75 cm／kV。防雷保護(hù)方面，邊相保護(hù)角18°小于給定的22°；中相包絡(luò)線高于絕緣子表面；導(dǎo)地線凈空接近距離大于2.5 m。安全距離方面，110 kV汶滿線20～21號(hào)塔對(duì)地距離8 m，500 kV鄆泰線與110 kV汶滿Ⅰ、Ⅱ線交跨交叉點(diǎn)的最小距離為7.5 m，符合規(guī)程要求。

5 結(jié)語

應(yīng)用FRP復(fù)合絕緣材料很好地解決了110 kV汶滿I、II線20號(hào)、21號(hào)桿塔對(duì)地距離不足且無法加高的問題。

在線路走廊寬度壓縮了16%的前提下，桿塔雷電沖擊絕緣強(qiáng)度為 1 494 kV，較鐵塔提高了約1.14倍。

在接地電阻為20 Ω的條件下，桿塔的耐雷水平提高了94%，雷擊閃絡(luò)跳閘率降低了82%。

采用的防污和防雷電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使110 kV雙回線路格構(gòu)式復(fù)合材料桿塔防污和防雷性能相對(duì)于同電壓等級(jí)鐵塔得到顯著提升。

［1］張慶.輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析［J］.中國集體經(jīng)濟(jì)，2013（22）：86，92.

［2］唐應(yīng)軍.110 kV輸電線路復(fù)合材料桿塔應(yīng)用研究［J］.通訊世界，2014（21）：124-125，126.

［3］王小麗.復(fù)合絕緣橫擔(dān)在 220 kV架空輸電線路中的應(yīng)用［J］.電氣應(yīng)用，2013，32（1）：74-78.

［4］張冬海，張暉，張忠，等.納米技術(shù)在高性能電力復(fù)合絕緣材料中的工程應(yīng)用［J］.中國科學(xué)：化學(xué)，2013，43（6）：725-743.

［5］DL／T 741—2001 架空送電線路運(yùn)行規(guī)程［S］.

Application of FRP in Tower Reconstruction

ZHANG Lin，LI Tao，HUANG Zunzhi，LI Rongde，ZHANG Xin
（State Grid Tai’an Power Supply Company，Tai’an 271000， China）

The No.20 and No.21 towers of Wenman transmission line are in need of renovation because of the change of the channel environment in recent years.For problems that the distance of towers to the ground is small and the height of towers can not be increased，F(xiàn)RP is used in the renovation.The angle steel tower head is replaced with FRP，the guide line and the ground line are directly link to the insulation cross arm，and the suspension insulator is removed，so the distance of the wire to ground is improved to a safe distance.The improved towers can effectively improve the safe operation of the line.

transmission line；FRP；composite pole；tower reconstruction

TM75

B

1007－9904（2017）01－0076－04

2016-06-28

張 林（1986），男 ，工程師，從事輸電線路運(yùn)行檢修工作；

李 濤（1973），男，高級(jí)技師，從事輸電線路運(yùn)行檢修工作。