330kV雙回路復(fù)合橫擔(dān)窄基塔設(shè)計及有限元仿真分析?

黃穎 王婧 譚蓉 賀育明 孫清

(1.中國能源建設(shè)集團陜西省電力設(shè)計院有限公司 西安710054；2.西安交通大學(xué) 710049)

引言

隨著電力建設(shè)發(fā)展，全國的電力輸電線路將不斷增加，會消耗大量的鋼材，同時會對自然環(huán)境造成一定的污染[1]。 我國的輸電鐵塔目前基本采用角鋼塔或者鋼管塔，但鋼材在使用過程中存在的種種問題，如自重較大、容易銹蝕等等。 近些年開始被廣泛應(yīng)用的復(fù)合材料在輸電線路中也開始大放異彩，與鋼材相比，能有效改善輸電桿塔的絕緣性能，同時復(fù)合材料的耐腐蝕、質(zhì)量輕、力學(xué)強度高、加工工藝成熟等特點使復(fù)合材料在輸電線路工程中的應(yīng)用越來越多[2]。

1 復(fù)合材料的選型

輸電桿塔中所用復(fù)合材料主要是由樹脂和纖維或其織物組成，樹脂基體將纖維連接成一個整體而承受荷載。 輸電桿塔中適用的復(fù)合材料為玻璃鋼，是以玻璃纖維及其制品作為增強材料，以合成樹脂作基體材料的一種玻璃纖維增強塑料。增強材料選用E 玻纖，輕質(zhì)高強，性價比優(yōu)，也是目前復(fù)合材料生產(chǎn)廠家的一致選擇。 基體材料有兩種選擇，環(huán)氧樹脂和聚氨酯。 聚氨酯力學(xué)性能較差，但韌性、抗沖擊性和延伸性好，且耐腐蝕和耐老化性能優(yōu)于環(huán)氧樹脂； 而環(huán)氧樹脂在價格和成型工藝上有優(yōu)勢，且力學(xué)性能好，故目前應(yīng)用更廣泛。 加工成型是保證復(fù)合材料中纖維和基體共同工作的前提，對復(fù)合材料的物理力學(xué)性能影響顯著。 對于輸電桿塔結(jié)構(gòu)而言，一般均采用型材，主要有拉擠型材、纏繞型材、模壓型材。

2 使用條件

根據(jù)西安周邊市區(qū)的氣象條件和國網(wǎng)典型設(shè)計模塊[3]，最終確定復(fù)合橫擔(dān)窄基塔使用條件見表1。

表1 窄基塔使用條件Tab.1 Narrow base conditions

3 塔頭尺寸規(guī)劃

復(fù)合橫擔(dān)窄基塔中，橫擔(dān)部分采用復(fù)合材料，橫擔(dān)下平面由于受壓，采用支柱絕緣子結(jié)構(gòu)，支柱絕緣子采用環(huán)形截面的復(fù)合材料桿件；橫擔(dān)上平面的斜拉材為了充分利用復(fù)合材料抗拉性能優(yōu)異的特點，采用斜拉絕緣子串，拉桿采用實心圓形復(fù)合材料桿件。 其余部分桿件及節(jié)點板等仍采用鋼材。

輸電桿塔利用復(fù)合材料的絕緣特性，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)材料和功能材料的高度統(tǒng)一，具有非常顯著的優(yōu)勢。 其主要的一個優(yōu)勢是利用復(fù)合材料的絕緣性能良好，可全部替代絕緣子，因而大幅度減低了懸垂串長度，降低了塔高。 串長取值應(yīng)根據(jù)導(dǎo)線不均勻覆冰和斷線不平衡張力取值確定，還應(yīng)校驗大風(fēng)下懸垂串可能發(fā)生的碰撞。 在串長變短情況下，根據(jù)檔距中央導(dǎo)地線線間最小距離、導(dǎo)線不均勻覆冰時的靜態(tài)接近、導(dǎo)線脫冰跳躍時動態(tài)接近優(yōu)化地線支架高度。 復(fù)合材料桿塔的外絕緣配置可按常規(guī)線路用復(fù)合絕緣子的外絕緣配置原則執(zhí)行，根據(jù)風(fēng)偏間隙和絕緣配合最小絕緣距離要求，優(yōu)化布置復(fù)合橫擔(dān)型式。 根據(jù)優(yōu)化塔頭間隙尺寸，校驗桿塔電磁環(huán)境，確定均壓屏蔽方案。

3.1 絕緣配置

絕緣配置、防雷等均按照《110kV ～750kV 架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》(GB50545 -2010)[4]執(zhí)行。

參照國家電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)《高海拔外絕緣配置技術(shù)規(guī)范》的要求，海拔2000m 以下d 級污區(qū)，復(fù)合絕緣子公稱爬電距離不小于11200mm，結(jié)構(gòu)高度不小于 3480mm，最小電弧距離不小于3150mm。

對于相間間隙，根據(jù)《絕緣配合第一部分：定義、原則和規(guī)則》(GB 311.1 -2012)[5]，范圍II 內(nèi)的相間絕緣，標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊耐受電壓等于相對地雷電沖擊耐受電壓。 根據(jù)《110kV ～750kV 架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》(GB 50545 - 2010)[4]，1000m 塔頭工頻和操作過電壓相間最小間隙分別為1.6m 和3.4m，本項目相間帶電體間隙受操作過電壓控制。 相間操作過電壓修正到2000m，操作過電壓最小間隙為3.8m，另外考慮0.3m 的裕度。

對于相對地間隙(對塔身和地線支架)，根據(jù)《國家電網(wǎng)公司110 -500kV 輸電線路通用設(shè)計修訂設(shè)計要求匯總》(2010)，海拔 2000m，工頻、操作、雷電、帶電檢修間隙分別為1m、2.15m、2.55m、2.45m。 相對地間隙受雷電過電壓控制，考慮0.3m 裕度[6]。 塔頭空氣間隙見表2。

表2 塔頭空氣間隙(單位：m)Tab.2 Air clearance for tower head(unit：m)

3.2 縱向不平衡張力

為了確定本項目復(fù)合橫擔(dān)鐵塔配套絕緣子串的最短串長，按照規(guī)范進行了縱向斷線不平衡張力計算，典型斷線工況計算模型采用連續(xù)7 檔，檔距 300m，高差 30m，第一檔分別斷 1、2 根導(dǎo)線，其余檔不斷，計算結(jié)果見表3。 根據(jù)《110kV ～750kV 架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》(GB 50545 -2010)[4]規(guī)定，10mm 及以下冰區(qū)平丘地形雙分裂以上導(dǎo)線懸垂塔導(dǎo)線斷線縱向不平衡張力按照最大使用張力20%設(shè)計。 從計算結(jié)果可見，斷線縱向不平衡張力基本上不控制絕緣子串長。 在極端情況，金具串從掛點至分裂導(dǎo)線中心長1m，斷線2 根的情況下，縱向張力差8.13%，滿足規(guī)范要求，故懸垂金具串取值1.2m。

表3 縱向不平衡張力計算結(jié)果Tab.3 Calculation results of longitudinal unbalanced tension

3.3 最小塔頭尺寸

按照間隙圓(懸垂串長1.2m)布置的塔頭尺寸見圖1，塔頭尺寸不僅考慮到復(fù)合橫擔(dān)高壓側(cè)金屬頭尺寸，還考慮到干弧距離等因素，間隙圓控制工況是雷電過電壓和相間操作過電壓工況。

圖1 塔頭尺寸Fig.1 Tower head size

3.4 電磁環(huán)境校核

根據(jù)上述塔頭尺寸，校核電磁環(huán)境計算結(jié)果見表4。

表4 電磁環(huán)境計算結(jié)果(海拔2000m)Tab.4 Calculation results of electromagnetic environment(Altitude 2000m)

從上述計算結(jié)果可見，無線電干擾和可聽噪聲均滿足《110kV ～750kV 架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》(GB 50545 -2010)[4]規(guī)定。 根據(jù)規(guī)范要求，330kV 線路導(dǎo)線外徑為 2 × 21.6mm 時，Em/Eo(Em為導(dǎo)線表面最大工作場強；Eo為導(dǎo)線起暈臨界電場強度)不宜大于84.60，復(fù)合橫擔(dān)中相Em/Eo為0.75，滿足規(guī)范要求。

4 復(fù)合橫擔(dān)塔結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

4.1 結(jié)構(gòu)選型

就結(jié)構(gòu)形式而言，“單桿式”桿塔的剛度小、承載能力低，一般僅用于較低電壓等級的輸電線路[7]。 由于采用單桿、雙桿結(jié)構(gòu)時塔身撓度較大，采用三桿結(jié)構(gòu)時雖然增強了塔頭剛度，但結(jié)構(gòu)不對稱，塔頭與塔身連接復(fù)雜，采用四桿方案時，雖然構(gòu)件與塔身連接節(jié)點較多且復(fù)雜，但是結(jié)構(gòu)合理。 綜合考慮以上因素，項目采用四桿結(jié)構(gòu)。

在四柱式方案的基礎(chǔ)上，經(jīng)過后期的多次計算以及討論研究，為了更好地滿足電氣設(shè)計要求，復(fù)合橫擔(dān)的布置方式也由原來的水平布置改為上挑1.0m 進行布置。

4.2 構(gòu)件截面型式選擇

復(fù)合材料由于彈性模量較低，故其整體穩(wěn)定性能不良，因此應(yīng)該選擇慣性矩大的截面型式以提高穩(wěn)定性[8]。 綜合比較后，圓形或者圓管型截面的截面慣性矩較大，同時復(fù)合材料圓形、圓管型構(gòu)件工藝制作技術(shù)成熟，與鋼制構(gòu)件連接更方便。 因此復(fù)合橫擔(dān)塔應(yīng)在圓形或圓管型截面中進行合理選擇。

4.3 橫擔(dān)結(jié)構(gòu)選型

復(fù)合橫擔(dān)的設(shè)計方案如圖2 所示。 橫擔(dān)的下平面主要承受壓力，所以使用空心復(fù)合材料絕緣圓管，橫擔(dān)上平面承受拉力，采用實心復(fù)合材料絕緣棒。

圖2 復(fù)合橫擔(dān)方案Fig.2 Compositecross-armscheme

4.4 節(jié)點設(shè)計

1.橫擔(dān)與塔身連接處節(jié)點設(shè)計

考慮到連接部位的重要性，同時總結(jié)實踐應(yīng)用經(jīng)驗，最終采用復(fù)合材料鋼套管通過節(jié)點板和螺栓與鐵塔主材連接。

2.橫擔(dān)端部節(jié)點設(shè)計

壓桿端部利用鋼套筒與掛點處桿件用法蘭連接，斜拉桿利用拉桿連接金具與掛點處鋼板連接，橫擔(dān)端部節(jié)點見圖3。 此種橫擔(dān)端部連接方式在2013 年設(shè)計的全復(fù)合塔頭桿塔中已成功應(yīng)用，試驗證明此連接方式安全可靠，但傳力路徑較長，330kV 及以下的低電壓等級可考慮此種連接方式。

圖3 橫擔(dān)端部節(jié)點Fig.3 Endnode of cross-arm

5 復(fù)合橫擔(dān)塔有限元仿真分析

5.1 復(fù)合橫擔(dān)窄基塔有限元模型

以330kV 雙回路復(fù)合橫擔(dān)窄基塔為研究對象，采用大型通用有限元分析軟件ANSYS 進行有限元數(shù)值模擬。 建立了復(fù)合橫擔(dān)窄基塔梁桿有限元模型見圖4。 復(fù)合橫擔(dān)梁桿模型主要構(gòu)件參數(shù)見表5。 通過模態(tài)分析和靜力工況分析驗證復(fù)合橫擔(dān)輸電塔設(shè)計方案在工程應(yīng)用中的可行性和合理性。

圖4 復(fù)合橫擔(dān)塔梁桿有限元模型Fig.4 Finite element model

表5 梁桿模型主要構(gòu)件材料參數(shù)Tab.5 The material parameters

5.2 復(fù)合橫擔(dān)窄基塔模態(tài)分析

對窄基塔有限元梁桿模型進行模態(tài)分析，整塔前3 階固有頻率見表6，前3 階振型見圖5。 設(shè)計人員在設(shè)計時應(yīng)盡量減小對這些頻率的激勵，以避免引起共振。

表6 復(fù)合橫擔(dān)窄基塔梁桿模型前三階頻率Tab.6 The first three frequencies of composite cross-arm narrow foundation tower beam model

由圖5 可知，模型1 階振型為沿X軸的平動，2 階振型為沿Y軸的平動，3 階振型為扭轉(zhuǎn)，符合振型出現(xiàn)的一般規(guī)律。 因窄基塔整體剛度小，結(jié)構(gòu)偏柔，故頻率整體偏低。

圖5 復(fù)合橫擔(dān)窄基塔梁桿模型前三階振型Fig.5 The three vibration modes of composite cross-arm narrow foundation tower beam model

5.3 復(fù)合橫擔(dān)窄基塔靜力分析

對復(fù)合橫擔(dān)窄基塔進行靜力分析，用以驗證設(shè)計方案的合理性和可行性，計算工況有：大風(fēng)、覆冰、斷線、安裝等 33 個工況，提取結(jié)果主要包括整塔位移云圖、軸力云圖、彎矩云圖及應(yīng)力云圖等。 現(xiàn)以60°大風(fēng)工況Gmax 這一典型工況為例，對有限元分析計算的內(nèi)容和提取結(jié)果進行展示。

1.60°大風(fēng)工況Gmax 復(fù)合橫擔(dān)窄基塔靜力分析結(jié)果(典型工況)

該工況下，窄基塔最大位移0.962m 出現(xiàn)在塔X軸正向頂角，位移云圖見圖6。

圖6 位移云圖(單位：m)Fig.6 Displacement nephogram(unit：m)

最大拉力1270kN 和最大壓力-1540kN 均出現(xiàn)在塔腿處，軸力云圖見圖7。

塔身中部承受My向彎矩比較大，最大彎矩值為14.15kN·m，彎矩云圖見圖8。

如圖9 所示，該工況下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大應(yīng)力為277MPa，出現(xiàn)在變坡處主材(下橫擔(dān)的下平面附近主材)，但未超過此處鋼材的屈服強度。 由于變坡處主材截面突變，且塔身坡度發(fā)生變化，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，屬于結(jié)構(gòu)的薄弱位置。

圖7 軸力云圖(單位：N)Fig.7 Axial force nephogram(unit：N)

圖8 彎矩云圖(單位：N·m)Fig.8 Bending moment nephogram(unit：N·m)

圖9 最大應(yīng)力云圖(單位：Pa)Fig.9 Maximum stress nephogram(unit：Pa)

2.復(fù)合橫擔(dān)窄基塔靜力分析總結(jié)(33 個工況)

通過對復(fù)合橫擔(dān)窄基塔各個工況下的位移、軸力、彎矩以及應(yīng)力的分析及對比，可以得到以下結(jié)論：

(1)大風(fēng)工況下輸電塔的塔頭位移均比較大，最大位移出現(xiàn)在90°大風(fēng) Gmax 工況下，位移達(dá)1.005m。

(2)60°大風(fēng)Gmax 工況下，豎向支座反力以及塔身大部分主材壓力和拉力最大，塔腿最大壓力為 -1540kN，最大拉力為1270kN，表明該工況為主材的控制工況。

(3)對于復(fù)合橫擔(dān)拉桿，2 倍起吊右中導(dǎo)線工況為其控制工況，最大拉力可達(dá)到36.91kN。

(4)對于復(fù)合橫擔(dān)壓桿，斷右上導(dǎo)線+右中導(dǎo)線工況控制其承受的最大壓力，最大壓力可達(dá)70.08kN； 2 倍起吊右中導(dǎo)線工況控制其承受的最大彎矩，My向最大彎矩可達(dá)11.38kN·m。

(5)斷右地線+右上導(dǎo)線工況下復(fù)合橫擔(dān)壓桿最大拉力為42kN。

(6)在靜力計算的33 種各工況下，主材均未達(dá)到屈服強度，仍處于彈性階段，設(shè)計較為安全。

6 復(fù)合橫擔(dān)塔經(jīng)濟性分析

從表7 中可以看出，復(fù)合橫擔(dān)窄基塔本體造價較高，這是由于復(fù)合材料價格較貴，但復(fù)合橫擔(dān)窄基塔的走廊寬度較窄基鋼管塔減少了2.4m，拆遷費用節(jié)省2.59 萬元，在綜合拆遷賠償?shù)纫蛩睾?，?fù)合橫擔(dān)窄基塔較窄基鋼管塔造價節(jié)省1.49 萬元。

表7 經(jīng)濟指標(biāo)對比Tab.7 Comparison of economic indicators

續(xù)表

7 結(jié)論

330kV 復(fù)合橫擔(dān)窄基塔橫擔(dān)采用復(fù)合材料，塔身主材采用鋼管。 經(jīng)驗算，其電磁環(huán)境參數(shù)滿足規(guī)范要求。 橫擔(dān)的下平面主要承受壓力，所以使用空心復(fù)合材料絕緣圓管，橫擔(dān)上平面承受拉力，采用實心復(fù)合材料絕緣棒。 經(jīng)過有限元數(shù)值計算，該330kV 復(fù)合橫擔(dān)窄基塔在各工況下主材和復(fù)合橫擔(dān)均未達(dá)到屈服強度，處于彈性階段，設(shè)計較為安全。 復(fù)合橫擔(dān)窄基塔本體造價較高，但是在綜合了征地、拆遷賠償?shù)纫蛩睾?，?fù)合橫擔(dān)窄基塔具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)越性。