220 kV 全復合材料輸電桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

張恩銘

（國網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司，合肥 230022）

0 引言

隨著電力工程的逐漸發(fā)展，電力公司在逐年提高骨干網(wǎng)架電壓等級的同時，新型復合材料在電力工程中的應用比例也相應增加。復合材料是一種將纖維與樹脂通過一定工藝粘結(jié)在一起的特殊材料，其包括但不限于玻璃纖維、碳纖維、環(huán)氧樹脂和聚脂樹脂等。一般環(huán)形圓管多采用纏繞工藝，特殊形狀材料可在固化前在模具中拉擠成型。20 世紀末，美國率先將復合材料在電力領(lǐng)域生產(chǎn)使用。國內(nèi)材料引入起步較晚，目前全復合材料桿僅在35 kV 線路有實際工程項目投運[1]。隨著近年來復合材料工藝、材料本身強度和剛度的提高，需要研究設(shè)計人員逐漸嘗試在110 kV 及以上電壓等級輸電線路桿塔上進行應用研究。本文引入220 kV 設(shè)計條件，采用列舉法設(shè)計出輸電桿塔尺寸，運用有限元軟件進行力學校驗，得出最終優(yōu)化結(jié)果，可為220 kV 合復合材料輸電桿塔最終應用及推廣提供參考。

1 復合材料輸電桿塔現(xiàn)狀

1.1 國外復合材料輸電桿塔的提出

20 世紀末，美國Sharkspeare 公司是最早開發(fā)復合材料輸電桿塔的公司[2]。隨后，美國電力公司在蒙大拿州安裝了75 根復合材料輸電桿塔來替代混凝土和木質(zhì)輸電桿塔，用來抵抗開裂和腐朽。接著，Bedford 公司生產(chǎn)了聚酯纖維類輸電桿塔，并在2008 年已大范圍推廣到市場中進行應用。根據(jù)老化試驗，該輸電桿塔壽命預計可達70 年以上[3-4]。

1.2 國內(nèi)復合材料輸電桿塔研究應用

因復合材料本身引入國內(nèi)較遲，相關(guān)纏繞擠壓、聚酯合成工藝發(fā)展緩慢，使復合材料在國內(nèi)輸電工程的應用較為滯后。2007 年，國家電網(wǎng)有限公司（以下簡稱“國家電網(wǎng)”）武漢研究所設(shè)計的首批10 kV 復合材料橫擔通過試驗[5]；2017 年，引入美國RS 公司生產(chǎn)的輸電桿塔并進行相關(guān)試驗。2009 年，國家電網(wǎng)啟動復合材料桿塔項目，研究絕緣、抗覆冰及抗腐蝕特性，電壓等級涵蓋10 kV，35 kV，110 kV 及220 kV，其中110 kV 和220 kV 僅應用于橫擔上[6]；2009 年12 月，帶有復合材料橫擔輸電桿塔已經(jīng)在連云港220 kV 茅薔線投入試運行。330 kV 及500 kV 格構(gòu)式桿塔也有復合材料涉及[7-8]。目前，周興揚等人[9]已經(jīng)結(jié)合鋼管桿進行了220 kV 復合材料橫擔研究探討，計算了桿頂位移和強度。陳路等人[10]分析了220 kV 復合材料桿頭間隙和桿身受力，對比傳統(tǒng)類桿塔作經(jīng)濟分析。李飛[11]在進行復合材料輸電桿塔應用研究時提出了桿型的選擇。

1.3 全復合材料輸電桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計思想

復合材料本身具有一般金屬類材料所不能比擬的重要優(yōu)良特性，但其本身剛度較低、容易變形。隨著材料工藝的提高，彈性模量及拉壓強度的增強使得復合材料可以用在220 kV 及以上電壓等級上作結(jié)構(gòu)受力承載。通過桿型選擇和徑厚比的計算表明，復合材料不僅可以在220 kV 輸電桿塔橫擔上使用，還使得全復合材料輸電桿塔的應用成為現(xiàn)實。

2 FRP 復合材料特性

2.1 絕緣高強

FRP 全稱為Fiber Reinforced Plastic，是一種纖維類增強性復合塑料。該材料的彈性模量在25～50 GPa 之間，與鋼材構(gòu)件相比要低得多?？估瓘姸群涂箟簭姸雀鶕?jù)纖維和樹脂材料的不同以及現(xiàn)場纏繞壓擠工藝的不同，拉伸在500～800 MPa，抗壓強度在300～500 MPa[12]。其本身具有優(yōu)良的絕緣性能，可以較大地降低絕緣子串長度或者不使用絕緣子串，進一步縮減桿塔結(jié)構(gòu)尺寸，降低線路走廊寬度[13]。復合材料本身具有疏水性，可以有效減少桿塔覆冰，不生銹[14-16]。一般輸電線路格構(gòu)式鐵塔或者鋼管塔，需要進行熱鍍鋅處理，而復合材料不需要鍍鋅，塔身少維護或者免維護，可以在人煙稀少區(qū)域投入使用。

2.2 質(zhì)輕耐老化

根據(jù)復合材料研究試驗，研究人員在材料中加入抗老化樹脂，實現(xiàn)耐高溫、抗老化的功能，可以有效增加絕緣桿的使用壽命[17-18]。如果在樹脂結(jié)構(gòu)中加入紫外線吸收劑效果更佳。該材料密度僅為一般鋼材的30%，相同體積下的桿塔要比鋼材重量輕，在新建線路架設(shè)中會節(jié)省較多的人力、物力，有效節(jié)省項目成本[16]。

3 輸電桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 桿塔受力荷載計算

輸電桿塔設(shè)計參考現(xiàn)有國家電網(wǎng)220 kV 典型設(shè)計中鋼管桿設(shè)計條件，導線采用LGJ—300/40 鋼芯鋁絞線，地線采用JLB40—150 鋁包鋼絞線，最大設(shè)計風速25 m/s，覆冰厚度5 mm，設(shè)計檔距300 m，最高氣溫40 ℃，最低氣溫-10 ℃。通過公式計算導線風荷載，包括最大風、輕度覆冰等不同設(shè)計工況，最終荷載歸納如表1 所示。

表1 受力荷載 N

3.2 桿塔尺寸計算

國內(nèi)外目前使用的復合材料輸電桿塔多為仿造鋼管桿式設(shè)計，基本為薄壁環(huán)形截面[16]。復合材料桿塔最大的短板為彈性模量較低、剛度不足和抗彎抗變形能力較差。因為輸電桿塔設(shè)計對變形有規(guī)定要求，在進一步提高電壓等級后，線路本身由于自重荷載及風荷載的增加，會造成輸電桿塔整體受力變形[19]，因此輸電桿塔采用環(huán)形內(nèi)部加勁肋來增強輸電桿塔結(jié)構(gòu)剛度（具體為內(nèi)部加三角形作為復合材料桿塔主桿）。主桿截面如圖1 所示。

為進一步彌補輸電桿塔剛性不足的缺點，電桿采用克里姆型桿塔，也稱為“鳥骨型”（即輸電桿塔的桿頭橫擔結(jié)構(gòu)分為上、中、下三段布置，在保證線間電氣安全距離情況下，縮短橫擔長度，避免因電壓等級提高、導線自重大而引起復合材料橫擔的變形）。

圖1 復合材料桿主桿截面

對導線間距進行取值，計算不同氣象條件下的狀態(tài)方程式及應力弧垂關(guān)系：

式中：fm為導線弧垂；σ01，σ02分別為2 種不同狀態(tài)下架空線弧垂最低點的應力值；γ1，γ2分別為2 種不同狀態(tài)下架空線比載；t1，t2分別為2 種不同狀態(tài)下架空線的溫度；l 為該檔檔距；α為架空線溫度膨脹系數(shù)；E 為架空線的彈性系數(shù)。

根據(jù)式（1），最大弧垂發(fā)生在最高溫時，不同工況下的導線弧垂見表2。

表2 不同工況下的導線弧垂

導線間最小距離可表示為：

式中：Dm為導線間最小距離；λ 為絕緣子串長度；U 為電壓等級。

根據(jù)公式（2）計算得出線間最小距離為4.43 m，考慮到帶電作業(yè)安全距離，橫擔最小長度不得小于1.8 m（需要再額外考慮帶電作業(yè)人體活動距離）?？死锬沸蜅U塔導線兩兩間距為三角形布置，其等效水平距離需要大于4.43 m，呼稱高為H=10.78+6.5+0.6=17.88 m。地線支架高度指的是金具掛點到上橫擔導線絕緣子掛點之間的高度，復合材料本身為絕緣體，防雷保護角采用20°保護角。

計算得到地線支架高度：

通過無風雷過電壓計算可知，滿足檔距中央導地線最小間距。連接處不采用長絕緣子，僅采用金具連接，復合材料輸電桿塔尺寸較一般鋼管桿小很多，建造成本也相應小很多。由式（1）—式（4）及呼稱高尺寸得出輸電桿塔外形如圖2 所示。

圖2 輸電桿塔尺寸

3.3 輸電桿塔截面壁厚計算

復合材料由于基礎(chǔ)參數(shù)與一般鋼材具有很大不同（泊松比、彈性模量和拉壓強度等），因此不可以直接套用現(xiàn)有的典型設(shè)計尺寸，宜采用既定范圍內(nèi)的“列舉”法來對輸電桿塔尺寸進行列舉，優(yōu)化計算，選取經(jīng)濟適宜值。為計算簡便，將輸電桿塔視為一懸臂梁，采用加勁肋結(jié)構(gòu)，頂端施加導線橫向風荷載和垂直重量荷載，輸電桿塔設(shè)定桿徑和肋厚，進行桿頂變形量求解[20]，具體如表3、圖3 所示。

表3 列舉桿頂位移求值 cm

圖3 桿頂位移走向圖

由表3 和圖3 可知，直徑越大時，桿頂變形位移越小，反之增大；加勁肋越厚，整體剛度增加，位移減小，反之加大。結(jié)合表4 和圖4 可知，直徑越小，肋越薄的桿塔，局部應力越大。因為復合材料桿為薄壁材料，需要考慮局部應力是否會發(fā)生局部屈曲；由于復合材料本身抗壓抗拉強度值比較高，圖4 顯示，該列舉范圍區(qū)間內(nèi)所有應力值均在允許范圍內(nèi)，因此約束條件為表3 桿頂位移。為節(jié)省工程材料，提高經(jīng)濟效益，直徑和壁厚不宜過大，所以選取臨界值直徑46 cm、肋厚1.2 cm 為適宜值，此時桿頂計算位移值約為12.43 cm。

4 有限元分析驗算

纖維復合材料在受力時為脆性材料，發(fā)生破壞時無明顯預兆，荷載與位移在受力時呈線性變化，應力及形變曲線無突變和瞬間下降，因此有限元分析時采用實體單元solid45 模塊，該單元有8 個節(jié)點且每個節(jié)點具有xyz 3 個方向自由度。為確保網(wǎng)格劃分具有較高密度以增加數(shù)值精確度，在切分時采用多塊分割，進行克里姆桿型建模，如圖5 所示。

表4 列舉應力求值

圖4 應力走向圖

圖5 有限元建模分析

輸入直徑為46 cm、加勁肋厚為1.2 cm 的數(shù)據(jù)進行有限元受力分析，分別得出最大風工況（v=25 m/s，b=0，t=-5°）時的最大拉伸強度為192 MPa，壓縮強度為142 MPa，均小于材料最大抗拉強度和抗壓強度，符合設(shè)計標準，如圖6 所示。

在長期效應荷載（v=5 m/s，b=0）時，最大位移發(fā)生在桿頂水平位移，為12.43 cm。根據(jù)設(shè)計要求：符合設(shè)計要求，如圖7 所示。

圖6 桿塔應力分析

圖7 桿塔各節(jié)點水平位移分布

桿塔垂直最大位移為1.9 cm，根據(jù)圖8 所示發(fā)生在下橫擔頂端，值為負，方向沿著z 軸向下。由于此節(jié)點向下變形最大，則其與中、上橫擔相對距離較受力變形前會有所增加，大于最小線間距離初始值為4.43 m，形變后不會發(fā)生相間放電。

5 尚需要開展的工作

5.1 桿塔防雷設(shè)計

圖8 桿塔各節(jié)點垂直位移分布

本文防雷設(shè)計是根據(jù)電力設(shè)計手冊通用防雷設(shè)計進行設(shè)計的，220 kV 保護角為20°，復合材料輸電桿塔本身為絕緣性輸電桿塔，其防雷性能與一般鋼管、角鋼塔有本質(zhì)區(qū)別[21]，不適合完全套用傳統(tǒng)桿塔。如果采取本文結(jié)構(gòu)設(shè)計進行防雷，需在地線支架處順復合材料輸電桿塔中空部分下引至地面，由接地引線做好防雷接地。

5.2 桿塔節(jié)點連接

因為復合材料本身為脆性材料，制作時多為一體成型。高電壓等級輸電桿塔尺寸較長，為克服輸電桿塔剛性不足問題，縮短橫擔長度，設(shè)計為克里姆桿型。如果使用一般220 kV 鋼管雙回路桿塔或者500 kV 全復合材料，一體成型會影響施工中運輸和裝配問題。因此需要分成多節(jié)式裝配，分節(jié)時使用法蘭配結(jié)構(gòu)膠連接或者預埋金屬螺絲等，在結(jié)構(gòu)受力時，需要校驗輸電桿塔是否會出現(xiàn)應力集中，是否會發(fā)生局部屈曲[22]。

5.3 內(nèi)部加勁肋制作成型

將薄壁輸電桿塔進行加勁肋設(shè)計，理論上可以提高輸電桿塔整體剛度、降低變形幅度。在復合材料制作時，材料的纏繞工藝、擠壓工藝或是模具處理后的加肋型輸電桿塔是否還能達到原有的材料性能和預期的結(jié)構(gòu)剛度，需要加工后進行現(xiàn)場機械試驗驗證。

6 結(jié)語

復合材料因其具有輕質(zhì)高強、絕緣性能良好和耐腐蝕等諸多優(yōu)點，逐漸受到青睞。從低壓配電到高壓輸電，已經(jīng)逐漸替代傳統(tǒng)材料。由于受制于其剛度低、易變形的短板，在電壓等級較高的輸電桿塔中，很難完全替換掉傳統(tǒng)桿塔。文中簡化了設(shè)計方法，根據(jù)不同工況設(shè)計條件，提出全復合材料桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計，并在既定檔距下給出輸電桿塔尺寸，為今后復合材料輸電桿塔的推廣使用提供理論參考。