220kV塔頭全復(fù)合材料鋼管桿應(yīng)用

周興揚(yáng)，陳小偉，潘 峰，邢月龍，張 彤

(1．國網(wǎng)浙江省電力公司，浙江 杭州 310007；2．國網(wǎng)浙江省電力公司麗水供電公司，浙江 麗水 323000; 3．中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310012)

220kV塔頭全復(fù)合材料鋼管桿應(yīng)用

周興揚(yáng)1，陳小偉2，潘 峰3，邢月龍3，張 彤3

(1．國網(wǎng)浙江省電力公司，浙江 杭州 310007；2．國網(wǎng)浙江省電力公司麗水供電公司，浙江 麗水 323000; 3．中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310012)

220 kV塔頭全復(fù)合材料鋼管桿，可有效減少輸電線路占地，并減少電氣間距實(shí)現(xiàn)壓縮走廊。通過電氣規(guī)劃，得到了水平相間距離、垂直相間距離、絕緣污穢水平分析等相關(guān)內(nèi)容，通過結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，得到了自振特性、風(fēng)振系數(shù)、桿頂撓度計(jì)算、管徑優(yōu)化、構(gòu)件強(qiáng)度穩(wěn)定分析等相關(guān)內(nèi)容。通過研究，揭示了220 kV塔頭全復(fù)合材料鋼管桿設(shè)計(jì)相關(guān)的特性，結(jié)果可作為復(fù)合材料鋼管桿設(shè)計(jì)的參考。

輸電線路；復(fù)合材料；電氣規(guī)劃；結(jié)構(gòu)計(jì)算。

目前，對于220 kV塔頭全復(fù)合材料鋼管桿應(yīng)用很少。本文將對220 kV塔頭全復(fù)合材料鋼管桿進(jìn)行研究，通過減少絕緣子串長和導(dǎo)線與塔體間空氣間距，從而減少三相導(dǎo)線間距，使桿塔緊湊，壓縮線路走廊，提高線路輸電能力。

1 工程概況

依托某220 kV雙回輸電線路，對塔頭復(fù)合材料桿進(jìn)行規(guī)劃。規(guī)劃的復(fù)合桿塔塔頭部分全部采用復(fù)合材料，塔身采用鋼管桿的形式。線路全長16.4 km。導(dǎo)線均采用2×LGJ-630/45鋼芯鋁絞線，地線一根采用JLB40-120鋁包鋼絞線，一根采用36芯OPGW。線路地形：山地15%，河網(wǎng)30%，泥沼55%。10 m高度30年一遇設(shè)計(jì)風(fēng)速取29 m/s，最大覆冰取5 mm。部分地段受規(guī)劃限制，需沿道路走線，采用鋼管桿，因此選擇該段線路中的部分塔型采用復(fù)合桿絕緣塔頭，鋼管桿塔身的形式。

2 電氣塔頭布置

電氣塔頭布置包括：水平相間距離、垂直相間距離、絕緣污穢水平分析等相關(guān)內(nèi)容。

2.1 水平相間距離

根據(jù)前期國家電網(wǎng)公司復(fù)合材料桿塔應(yīng)用研究項(xiàng)目成果，采用復(fù)合橫擔(dān)桿塔的絕緣水平可按“半絕緣”進(jìn)行規(guī)劃。

根據(jù)本工程的所處的污穢情況，一般桿塔按16片146 mm結(jié)構(gòu)高度的絕緣子進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此本次復(fù)合材料桿塔絕緣子串長按8片絕緣子控制，絕緣子串長度按導(dǎo)線水平布置和垂直布置兩種，規(guī)劃的懸垂緣子串(導(dǎo)線水平布置)長度1.6 m，懸垂緣子串(導(dǎo)線垂直布置)長度2.2 m。

考慮絕緣子串風(fēng)偏后不碰塔身、對接地引線的外過間隙滿足要求作為最小間隙的控制，按間隙圓控制的最小水平相間距離為5.0 m(絕緣子串長度2.2 m)和4.8 m(絕緣子串長度1.6 m)，兩者相當(dāng)。考慮導(dǎo)線偏移后實(shí)際走廊寬度6.5 m，相比常規(guī)鋼管塔9.0 m的走廊寬度，可減少2.5 m左右。

根據(jù)水平線間距離計(jì)算導(dǎo)線實(shí)際使用檔距，見表1。

表1 導(dǎo)線實(shí)際使用檔距一覽

從表1可以看出，規(guī)劃的相間距離為不小于5.5 m，實(shí)際使用檔距可用到220 m，基本滿足與原規(guī)劃的水平檔距(250 m)要求，在工程中選擇性使用。

2.2 垂直相間距離

考慮到帶電作業(yè)，全復(fù)合桿垂直相間距離仍按規(guī)程要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，取為5.5 m，符合規(guī)程要求。

2.3 絕緣配置方式

從前期的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，復(fù)合材料的耐電痕化性能，比復(fù)合絕緣子硅橡膠要差。

復(fù)合材料在戶外及嚴(yán)酷環(huán)境中運(yùn)行往往受到鹽露、水分、灰塵等污穢物的污染，在表面形成電解質(zhì)。在電場作用下，在聚合物表面出現(xiàn)一種特殊放電破壞現(xiàn)象—漏電起痕破壞現(xiàn)象，在表面形成不完全導(dǎo)電通道。在表面或接近表面的放電產(chǎn)生漏電痕跡的過程稱“電痕化”，而絕緣材料在放電作用下引起的蝕損稱為“電腐蝕”。目前規(guī)劃的220 kV塔頭全復(fù)合材料鋼管塔，由于采用了懸掛絕緣子串的方式，大大降低了復(fù)合材料部分的電壓，因此建議復(fù)合材料的耐電痕化性能可按2.5級考核，同時根據(jù)污穢試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

一般鋼管桿塔絕緣污穢水平可通過絕緣子型號和片數(shù)調(diào)節(jié)，一般均為相對地的絕緣水平，采用復(fù)合材料后，其絕緣水平需考慮相對相的污穢閃絡(luò)。相對相的污穢閃絡(luò)的爬電距離暫按相對地的污穢閃絡(luò)的1.7倍考慮。對于全復(fù)合桿污穢放電途徑為：左側(cè)導(dǎo)線－絕緣子串－左側(cè)復(fù)合桿塔橫擔(dān)－右側(cè)復(fù)合桿塔橫擔(dān)－右側(cè)絕緣子串－右側(cè)導(dǎo)線，為相間的絕緣閃絡(luò)，部分的絕緣強(qiáng)度需通過復(fù)合橫擔(dān)的復(fù)合體承擔(dān)。全復(fù)合桿污穢放電途徑見圖1，復(fù)合材料實(shí)際的爬電系數(shù)見表2。

圖1 全復(fù)合桿污穢放電途徑示意圖

表2 復(fù)合材料實(shí)際的爬電系數(shù)

從表2可以看出，絕緣子串長度主要取決于復(fù)合橫擔(dān)中復(fù)合材料實(shí)際的爬電系數(shù)(即爬電距離/復(fù)合材料長度)，如復(fù)合材料爬電系數(shù)足夠大，則可以通過減少絕緣子串片數(shù)，減少串長，從而減少橫擔(dān)長度達(dá)到減小線路走廊的目的。否則需增加絕緣橫擔(dān)長度或采用增加絕緣子片數(shù)來滿足要求。根據(jù)原110 kV試驗(yàn)數(shù)據(jù)，一般的復(fù)合材料能夠滿足爬電系數(shù)1.0(即復(fù)合材料長度即為爬電距離)，因此按1900 mm的復(fù)合材料距離配合采用三傘瓷和復(fù)合絕緣子可以滿足要求，如需采用雙傘瓷或玻璃絕緣子后，其要求的復(fù)合材料爬電系數(shù)為1.06～1.44，一般根據(jù)試驗(yàn)都能滿足絕緣污穢閃絡(luò)距離要求。

2.4 電氣塔頭布置結(jié)論

根據(jù)上述分析，規(guī)劃的220 kV復(fù)合桿塔橫擔(dān)長度為3.25 m，走廊寬度6.5 m，相比常規(guī)鋼管塔9.0 m的走廊寬度，可減少2.5 m左右，其走廊寬度的控制條件主要是雷電間隙(導(dǎo)線對接地引下線的距離)以及污穢泄漏距離控制。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

結(jié)構(gòu)計(jì)算分析包括：荷載選取、自振特性、風(fēng)振系數(shù)、桿頂撓度計(jì)算、管徑優(yōu)化、構(gòu)件強(qiáng)度穩(wěn)定分析等相關(guān)內(nèi)容的研究。計(jì)算兩種直線桿塔，分別是常規(guī)鋼管桿(全塔采用鋼材)和塔頭復(fù)合桿(塔頭采用復(fù)合材料，塔頭以下采用鋼材)，常規(guī)鋼管桿塔高52.2 m，呼高36 m，塔頭復(fù)合桿塔高50.5 m，呼高36 m。

3.1 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

利用ANSYS有限元軟件對輸電塔進(jìn)行建模。鋼材的屈服強(qiáng)度取為345 MPa，彈性模量取E=2.06×1011N/m2，密度取ρ=7850 kg/m3，泊松比取μ=0.3。復(fù)合材料的參數(shù)取值見表3。

表3 復(fù)合材料的參數(shù)取值

常規(guī)鋼管桿和塔頭復(fù)合桿的前六階模態(tài)的頻率結(jié)果見表4，表中數(shù)據(jù)表明：常規(guī)鋼管桿的第一、二階頻率0.552 Hz比塔頭復(fù)合桿0.670 Hz要小，這是由于塔頭復(fù)合桿由于塔頭采用復(fù)合材料，塔身質(zhì)量下降較為明顯，自振頻率增加，但并不代表塔頭復(fù)合桿的剛度比常規(guī)鋼管桿要強(qiáng)。圖2為塔頭復(fù)合桿的前六階振型圖，從圖中可以看出，輸電塔有三種振型，分別為x向彎曲振型、y向彎曲振型及扭轉(zhuǎn)振型。

表4 常規(guī)鋼管桿和塔頭復(fù)合桿前六階頻率

3.2 塔頭復(fù)合桿撓度分析

分別按照荷載長期效應(yīng)(風(fēng)速=5 m/s)和最大設(shè)計(jì)風(fēng)速(風(fēng)速=29 m/s)計(jì)算結(jié)構(gòu)的位移。表5為桿頂撓度(位移)對比。從中可以發(fā)現(xiàn)，對于荷載的長期效應(yīng)組合情況，常規(guī)鋼管桿和塔頭復(fù)合桿桿頂?shù)膿隙惹Х直确謩e為1.13‰和1.62‰，滿足規(guī)范5‰的要求，塔頭采用復(fù)合材料是合適的；對于設(shè)計(jì)風(fēng)速組合情況，桿頂?shù)奈灰贫挤浅４?，塔頭復(fù)合桿的撓度更為明顯，比常規(guī)鋼管桿增大40%左右。

圖2 塔頭復(fù)合桿前六階振型圖

表5 桿頂撓度對比(復(fù)合材料t=14 mm，E=35×109N/m2)

3.3 塔頭復(fù)合桿優(yōu)化分析(壁厚變化)

對塔頭復(fù)合桿的復(fù)合材料采用不同的厚度進(jìn)行優(yōu)化分析，厚度分別取10 mm、12 mm、14 mm、16 mm、18 mm和20 mm，表6為桿頂撓度(位移)對比。從中可以發(fā)現(xiàn)，對于荷載的長期效應(yīng)組合情況，隨著壁厚的增加塔頭復(fù)合桿桿頂?shù)膿隙惹Х直确謩e為1.914‰、1.743‰、1.621‰、1.529‰、1.457‰和1.400‰，雖然都滿足規(guī)范5‰的要求，但是隨著復(fù)合材料壁厚的增加桿頂撓度的下降并不是十分明顯，因此采用14 mm厚度的復(fù)合材料可以滿足工程的需要。

表6 塔頭復(fù)合桿桿頂撓度對比

4 塔頭復(fù)合桿風(fēng)振系數(shù)

根據(jù)規(guī)范定義，風(fēng)振系數(shù)β是指在一定時間范圍內(nèi)由平均風(fēng)壓和脈動風(fēng)壓共同作用的總效應(yīng)(位移、內(nèi)力、內(nèi)矩、荷載)與平均風(fēng)壓產(chǎn)生的效應(yīng)之比，定義為：

式中：Pe(z)為等效靜風(fēng)荷載;為靜力風(fēng)荷載；Pd(z)為動力風(fēng)荷載。

目前，風(fēng)振系數(shù)βL(z)的定義為：

式中：M(z)為輸電桿塔結(jié)構(gòu)z高度處該層的集中質(zhì)量；σy1(z)為結(jié)構(gòu)z高度處位移均方根值；μs(z)為結(jié)構(gòu)的z高度處的體型系數(shù)；μs(z)為z高度處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)；ω0=V210/1600為基本風(fēng)壓；A(z)為z高度處該層的風(fēng)力計(jì)算面積；g為峰值因子，本文取2.2。

表7為桿身主要節(jié)點(diǎn)的風(fēng)振系數(shù)，表8為地線架及橫擔(dān)主要節(jié)點(diǎn)的風(fēng)振系數(shù)。從中可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)算得到的復(fù)合輸電桿結(jié)構(gòu)的荷載風(fēng)振系數(shù)在沿高度上的數(shù)值分布不均勻，底部小，上部大。

表7 桿身主要節(jié)點(diǎn)的風(fēng)振系數(shù)

表8 地線架及橫擔(dān)主要節(jié)點(diǎn)的風(fēng)振系數(shù)

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

按照鋼管價格9000元/t，復(fù)合材料價格按照22000元/t進(jìn)行計(jì)算，技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比見表9，由表9可知：隨著復(fù)合材料價格的下降，塔頭復(fù)合材料鋼管桿的經(jīng)濟(jì)性與鋼管桿基本相當(dāng)，略優(yōu)于鋼管桿(價格約為鋼管桿的0.96)。

表9 塔頭復(fù)合材料鋼管桿經(jīng)濟(jì)性比較

6 結(jié)論

220 kV塔頭復(fù)合桿的設(shè)計(jì)研究主要結(jié)論如下：

(1)經(jīng)過塔頭布置規(guī)劃和計(jì)算，建議最大使用檔距取220～250 m較為合適，此時上、中、下橫擔(dān)長度分別為2.75 m、3.25 m、2.75 m，走廊寬度約6.5 m，比常規(guī)設(shè)計(jì)走廊9.0 m縮短約2.5 m，走廊壓縮約28%；其走廊寬度的控制條件主要是雷電間隙(導(dǎo)線對接地引下線的距離)以及污穢泄漏距離控制。

(2)經(jīng)過塔型規(guī)劃，規(guī)劃的塔頭復(fù)合桿基本滿足設(shè)計(jì)要求，選用8片絕緣子，絕緣子串長度按導(dǎo)線水平布置和垂直布置兩種，導(dǎo)線水平布置懸垂緣子串長度1.6 m，導(dǎo)線垂直布置懸垂緣子串長度2.2 m。對于污穢嚴(yán)重地區(qū)，建議采用爬距更大的耐污玻璃絕緣子、三傘瓷絕緣子或合成絕緣子。

(3)復(fù)合材料桿塔接地方式研究表明：復(fù)合材料桿塔最經(jīng)濟(jì)、有效的防雷措施是架設(shè)避雷線，并采用逐塔接地的防雷接地方式。對比分析三種接地引下線的引下方式——內(nèi)側(cè)、中心和外側(cè)豎直接地引下的利弊，推薦接地引下線采用桿塔線路內(nèi)側(cè)豎直接地引下方式。

(4)塔頭復(fù)合桿的前兩階頻率明顯比常規(guī)鋼管桿要高，這是由于塔頭采用復(fù)合材料，塔身質(zhì)量下降較為明顯，導(dǎo)致自振頻率增加，但并不代表塔頭復(fù)合桿的剛度比常規(guī)鋼管桿要強(qiáng)。

(5)通過對復(fù)合材料厚度t變化對塔頭復(fù)合桿塔頂撓度的變化情況分析，得出采用厚度14 mm、主彈摸為E=35×109N/m2的復(fù)合材料可以滿足工程的需要，均能滿足規(guī)范5‰的要求。

(6)利用時程分析法并結(jié)合我國荷載規(guī)范，準(zhǔn)確得出了橫擔(dān)、桿身等不同部位的風(fēng)振系數(shù)的取值，建議該塔塔身風(fēng)振系數(shù)取值1.60，橫擔(dān)取值1.65。

[1] DLT5154－2002，架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S]．

[2] DLT5154－2012，架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S]．

[3] GB50009－2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]．

[4] GB50009－2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]．

[5] Simiu E.，Scanlan R.H．風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用－風(fēng)工程導(dǎo)論[M]．劉尚培，等，譯．上海：同濟(jì)大學(xué)出版社出版，1998．

[6] 張相庭．結(jié)構(gòu)風(fēng)壓和風(fēng)振計(jì)算[M]．上海：同濟(jì)大學(xué)出版社出版，1985 ．

[7] 黃本才．結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析原理及應(yīng)用[M]．上海：同濟(jì)大學(xué)出版社出版，2001．

[8] ASCE 74－2009,Guidelines for Electrical Transmission Line Structural Loading[S]．

[9] IEC 60826－2003,Design criteria of overhead transmission lines [S]．

[10] BS EN 50341－1,Overhead electrical lines exceeding AC 45 kV(Part 1)[S]．

Application of Composite Steel Tube Pole Using Composite Materials in 220 kV Tower Head

ZHOU Xing-yang1, CHEN Xiao-wei2, PAN Feng3, XIN Yue-long3, ZHANG Tong3
(1. State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310007, China; 2. State Grid Lishui Electric Power Company, Hangzhou 323000; 3. Zhejiang Electric Power Design Institute, Hangzhou 310012, China)

In order to reduce the transmission line area and to reduce the electrical spacing to achieve compression transmission line corridors，We study the 220 kV composite steel tube pole structure using composite materials. Through the electrical planning, the horizontal phase spacing, vertical distance, level of insulation pollution analysis and other related content have been obtained. Through structural analysis, the vibration characteristics of windinduced vibration coefficient is obtained, the top deflection calculation and stability analysis on optimization of pipe diameter, strength and other related content have been obtained, respectively. Through research, some characteristics of 220 kV composite steel tube pole were revealed and the procedure and the results presented in this paper can be used as reference for the design of 220 kV composite steel tube pole.

transmission lines; composites; electrical planning structure calculation.

TM75

B

1671-9913(2017)02-0046-05

2016-03-21

周興揚(yáng)(1962- )，男，浙江紹興人，碩士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析研究，電網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)管理工作。