10 kV分段式復(fù)合材料電桿設(shè)計及性能研究

陳建勝，張正曉，邢照亮，陳麒麟，潘豪蒙，張 卓

（1.國網(wǎng)浙江永嘉縣供電有限公司，浙江 溫州 325100；2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司 先進(jìn)輸電技術(shù)國家重點實驗室，北京 102209）

0 引言

我國是一個山地眾多的國家，配電線路工程尤其是以10 kV為代表的配網(wǎng)線路，不可避免地要經(jīng)過植被茂密的林區(qū)、道路曲折的山區(qū)等運(yùn)輸條件困難的地區(qū)。并且，這些地區(qū)的線路桿塔也經(jīng)常由于地質(zhì)災(zāi)害等原因被損壞。由于環(huán)境復(fù)雜，道路崎嶇，大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)入困難。特別是在地質(zhì)災(zāi)害、不良天氣等情況下，搶修桿塔及工器具的運(yùn)輸成為搶修工作的瓶頸難點。

復(fù)合材料具有優(yōu)異的可設(shè)計性，具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、絕緣、防腐、無磁、抗疲勞等多重特性[1]。復(fù)合材料電桿已經(jīng)在沿海及山區(qū)地帶得到批量應(yīng)用[2-3]，受到用戶的認(rèn)可。但是在實際應(yīng)用過程中，由于地形多種多樣，且山區(qū)丘陵路況復(fù)雜，整桿式復(fù)合材料電桿長度較長，且質(zhì)量相對較重，可達(dá)300 kg，在搬運(yùn)的過程中遇到樹木、大坡度或需急轉(zhuǎn)彎等特殊情況，會造成搬運(yùn)困難[4]。因此，亟需開發(fā)具有分段式快速組裝形式的復(fù)合材料搶修桿。

本文通過設(shè)計，研制一種快速組裝的分段式復(fù)合材料搶修桿，解決復(fù)合材料電桿在山區(qū)搶險救災(zāi)搬運(yùn)過程中的問題。

1 復(fù)合材料電桿材料選型及性能

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料最大的優(yōu)點是比強(qiáng)度高和比模量高。分段式復(fù)合材料搶修桿同時要受到導(dǎo)線及自身的重力、導(dǎo)線間的張力、90°大風(fēng)風(fēng)載等載荷的作用，因此要求電桿桿體具有較高的彎曲強(qiáng)度[5]。

復(fù)合材料桿塔主要由樹脂基體、增強(qiáng)纖維組成。增強(qiáng)纖維是復(fù)合材料中的主要受力材料，為復(fù)合材料提供主要的力學(xué)性能，國內(nèi)常用的增強(qiáng)纖維有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等。不同纖維的力學(xué)特性具有很大的差別，在復(fù)合材料桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計中，玻璃纖維由于具有力學(xué)性能好、絕緣性能良好、可加工性佳、成本低廉等優(yōu)點，應(yīng)用最為廣泛。樹脂基體為復(fù)合材料提供了良好的電性能、光學(xué)性能、耐腐蝕性等，常用的樹脂基體有環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂和乙烯基樹脂等。其中聚氨酯樹脂以其韌性好、固化快、無苯乙烯煙霧等優(yōu)點，同時高性能聚氨酯具有良好的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和耐老化性能，成為環(huán)氧樹脂基體材料最好的替代材料，目前已廣泛用于復(fù)合材料桿塔的制造中。

復(fù)合材料桿塔樹脂基體目前有環(huán)氧體系、乙烯基體系及聚氨酯體系，通過纏繞工藝成型。參照測試標(biāo)準(zhǔn)對各基體與歐文斯科寧PB-192-2400玻璃纖維纏繞單向板進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示。通過不同樹脂基體復(fù)合材料的性能分析，看出聚氨酯體系的綜合性能較優(yōu)，且樹脂固化度及含量較高，與玻纖的匹配性較好，因此優(yōu)選聚氨酯樹脂作為基礎(chǔ)樹脂。

本次設(shè)計的復(fù)合材料搶修桿采用聚氨酯樹脂/玻璃纖維體系，并采用環(huán)向及小角度螺旋纏繞成型，這是因為聚氨酯復(fù)合材料具有良好的耐疲勞性、力學(xué)性能以及優(yōu)異的耐候性等[6]。復(fù)合材料桿選用的材料主要有：普通雙組分聚氨酯，享斯邁公司生產(chǎn)，其中A組分為SK15002脂肪組多元醇混合物，B組分為Suprasec3276異氰酸酯；高強(qiáng)度玻璃纖維無捻紗，PB-192-2400，歐文斯科寧公司生產(chǎn)。

表1 不同樹脂基體單向板性能數(shù)據(jù)Tab.1 Performance data of the unidirectional boards with different resin matrix

2 復(fù)合材料電桿設(shè)計

2.1 應(yīng)用工況

以浙江永嘉地區(qū)為例，該工程為10 kV，單回路，15 m直線桿，導(dǎo)線為JKLY-10/240絕緣導(dǎo)線，導(dǎo)線為三角排列，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料以及運(yùn)行經(jīng)驗，按浙C氣象區(qū)設(shè)計，其組合如表2所示。

表2 浙C氣象設(shè)計表Tab.2 Zhejiang C meteorological design table

JKLY-10/240導(dǎo)線主要參數(shù)如表3所示。

表3 導(dǎo)線參數(shù)Tab.3 Wire parameters

2.2 基本載荷計算

配網(wǎng)用復(fù)合材料錐形桿一般采用直埋式，埋深長度約為桿長的1/6。

經(jīng)各個工況分析[7]，電桿在90°大風(fēng)、無冰、未斷線工況下彎矩最大，水平和不平衡垂直載荷作用在單桿任意截面處的彎矩Mx為式（1）[8]。

式（1）中：Ga代表導(dǎo)線重力傳遞至桿的載荷；Ph代表導(dǎo)線風(fēng)壓傳遞至桿的載荷；Px為截面x-x以上主桿桿身風(fēng)壓；Z為截面x-x以上風(fēng)壓合力作用的高度。Ga、Ph、Px、Z的表達(dá)式如式（2）～（5）所示。

式（2）～（5）中：Gli為上導(dǎo)線重力，N；a0為上導(dǎo)線到桿的距離，m；Pli為上導(dǎo)線風(fēng)壓，N；h1為上導(dǎo)線到主桿的距離，m；Pc為下導(dǎo)線的風(fēng)壓，N；h2為下導(dǎo)線到主桿的距離，m；C為風(fēng)載體型系數(shù)，對于環(huán)形截面構(gòu)件，風(fēng)載體型系數(shù)C=0.7；v為風(fēng)速，m/s；Dx為主桿x-x處外徑，m；D0為主桿頂部外徑，m；hx為截面x-x以上主桿高度，m；按梯形面積重心高，對于拔梢桿，Z一般取0.5hx。

線路中導(dǎo)線重力GD為式（6）。

式（6）中：γ4D為導(dǎo)線垂直載荷綜合比載[9]，N/(m·mm2)，表達(dá)式為式（7）；AD為導(dǎo)線計算截面積，mm2；L為水平檔距，m。

式（7）中：m為導(dǎo)線計算質(zhì)量，kg/km。

導(dǎo)線風(fēng)壓PD為式（8）。

式（8）中，γ1D為導(dǎo)線無冰風(fēng)壓綜合比載，N/(m·mm2)，計算方法如式（9）所示。

式（9）中：v為設(shè)計風(fēng)速，m/s；α為風(fēng)速不均勻系數(shù)，其取值如表4所示；C為風(fēng)載體型系數(shù)，C=1.2；d為導(dǎo)線外徑。

表4 風(fēng)速不均勻系數(shù)取值表Tab.4 Value table of wind speed nonuniformity coefficient

在計算時，還應(yīng)考慮復(fù)合材料電桿因撓度的變化所產(chǎn)生的附加彎矩，取主彎矩的15%計算。電桿埋深2.5 m，在埋深地面下1/3處，所受彎矩最大，MX=86.2 kN·m。

根據(jù)T/CEC 108—2016《配網(wǎng)復(fù)合材料電桿》標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)合材料電桿承載力彎矩為標(biāo)準(zhǔn)檢驗彎矩的2倍[10]，即彎矩為172.4 kN·m。

2.3 分段式復(fù)合材料搶修桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計

復(fù)合材料搶修桿試樣的性能參數(shù)指標(biāo)如表5所示。

表5 復(fù)合材料搶修桿試樣性能參數(shù)Tab.5 Performance parameters of composite repair pole

本次按照工程概況設(shè)計為長度15 m的分段式復(fù)合材料錐形電桿，整體錐度為1/75，梢徑為190 mm，底徑為390 mm，分段式復(fù)合材料搶修桿組裝后的錐度與整桿相一致。插接處按照緊固連接，經(jīng)計算電桿底部埋深1/3處厚度為7 mm。通過式（10）計算該處的應(yīng)力。

由此可知強(qiáng)度安全系數(shù)為338/248=1.36倍，彎矩172.4 kN·m能滿足強(qiáng)度滿足要求。

為方便運(yùn)輸，復(fù)合材料搶修桿分為9 m+7 m上下兩段，根據(jù)纏繞原理，梢徑端較末端厚，長度越長越明顯，纖維纏繞理論計算如下：

上段長度為9 m，梢經(jīng)厚度為12.12 mm，質(zhì)量為115.19 kg。

下段長度為7 m，梢經(jīng)厚度為10.70 mm，質(zhì)量為117.92 kg。

按照錐度計算公式得出模具的理論尺寸如表6所示。

表6 15 m上下段模具理論尺寸Tab.6 Theoretical dimension of 15 m upper and lower mould

15 m分段式復(fù)合材料搶修桿設(shè)計如圖1所示。

圖1 15 m分段式復(fù)合材料搶修桿Fig.1 The 15 m segmented composite repair pole

2.4 復(fù)合材料搶修桿有限元校核

使用ABAQUS仿真軟件進(jìn)行分析，復(fù)合材料電桿纏繞單層復(fù)合材料參數(shù)如表7所示。

表7 仿真計算參數(shù)Tab.7 Simulation parameters

理論設(shè)計最大彎矩為172.4 kN·m，對復(fù)合材料搶修桿模型根部進(jìn)行固定，上下段緊密配合插接，通過螺栓固定，對電桿頂部施加最大彎矩載荷14 073 N載荷和1.1倍最大彎矩載荷15 480 N。

加載14 073 N時有限元校核分析結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，電桿軸向最大壓縮應(yīng)力為287.2 MPa，電桿撓度最大變形為4.159 m，插接部位最大應(yīng)力為239.7 MPa。

圖2 加載14 073 N時仿真受力圖Fig.2 Simulation stress diagram when loading 14 073 N

加載15 480 N時有限元校核分析結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，電桿軸向最大壓縮應(yīng)力為317.8 MPa，電桿撓度最大變形為4.520 m，插接部位最大應(yīng)力為258.9 MPa。

插接部位的應(yīng)力較大，易造成應(yīng)力集中，為結(jié)構(gòu)的薄弱位置，需進(jìn)行加強(qiáng)。綜上有限元分析計算校核，最大壓縮應(yīng)力小于材料性能參數(shù)，底端壁厚為7 mm時，強(qiáng)度滿足復(fù)合材料電桿實際應(yīng)用的工況要求。

圖3 加載15 480 N時仿真受力圖Fig.3 Simulation stress diagram when loading 15 480 N

3 型式試驗

3.1 產(chǎn)品制備

通過以上分析設(shè)計172.4 kN·m分段式復(fù)合材料搶修桿，纏繞成型三套，具體指標(biāo)如表8所示。

表8 三套分段式搶修桿數(shù)據(jù)表Tab.8 Data sheet of three sets of segmented repair poles

三套復(fù)合材料電桿上段約為115 kg，下段約為120 kg，與理論設(shè)計基本一致，且上下段質(zhì)量3～4人可輕松抬起搬運(yùn)。分段式復(fù)合材料搶修桿的組裝采用直接套裝的形式，但在復(fù)合材料搶修桿生產(chǎn)過程中因外徑無模具保證，尺寸不精確，根據(jù)經(jīng)驗下段梢徑整體小1 mm，插入深度可增加100 mm，因此在保證插接深度為1 m的情況下，對下段的上部表面1 m內(nèi)進(jìn)行處理和配合工裝使用，保證其插接深度與上下段插接密實。另外分段式搶修桿在回收時需拆分搬運(yùn)，需設(shè)計一種專門工裝進(jìn)行拆分，將組裝與拆分工裝一體設(shè)計，如圖4所示，提高工裝的攜帶便捷性與使用功能。

圖4 插拔一體工裝及使用圖Fig.4 Plug and pull integrated tooling and use diagram

插拔組裝步驟為：將上下兩段放置平地先預(yù)組裝插入，使用設(shè)計的插拔一體工裝緊固。插拔工裝固定在下段，鋼絲繩通過掛鉤掛住上段的梢部，搖動緊線器緊固，緊固至指定位置即插接深度為1 m后，使用便攜式手電鉆打孔，穿入剪式螺栓，固定防止拔出，如圖5所示。

圖5 分段式電桿插拔工裝與螺栓圖Fig.5 Drawing of plug and pull tooling and bolt for segmented pole

拔出時，先將緊固剪式螺栓拆除，插拔一體工裝固定至搶修桿的下段，通過調(diào)整鋼絲繩穿過定滑輪，掛鉤掛住上段搶修桿的大端，搖動緊線器，使上下段分開。

另外實際組裝測試的過程中，分段式復(fù)合材料電桿的插接深度[11]及螺栓固定位置具有一定的關(guān)系，螺栓位置靠上，易造成上段電桿內(nèi)側(cè)應(yīng)力集中，造成失穩(wěn)。根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，插接深度在1 m，最上側(cè)螺栓位置大于250 mm時，可以避免這種失穩(wěn)情況的發(fā)生。

3.2 懸臂式試驗

目前復(fù)合材料電桿力學(xué)性能試驗的方法是參照中國電力企業(yè)聯(lián)合會頒布的T/CEC 108—2016《配網(wǎng)復(fù)合材料電桿》標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)中的測試方法是參考GB/T 4623—2014《環(huán)形混凝土電桿》[12]中的懸臂式試驗方法。電桿力學(xué)測試的性能指標(biāo)主要是承載力和撓度，在電桿頂部模擬實際施加載荷，通過記錄受力與對應(yīng)撓度的變化反映電桿實際工況[13]。

3.3 實驗測試數(shù)據(jù)對比

按照懸臂式試驗要求對三套經(jīng)纏繞成型的分段式復(fù)合材料搶修桿進(jìn)行測試，將復(fù)合材料搶修桿根部2.5 m固定牢固，距離頂部0.25 m處通過卷揚(yáng)機(jī)施加載荷，每次施加載荷后保壓3 min，記錄每次施加載荷的位移與載荷變化，結(jié)果如表9所示。待測試完后，測量根部位移與桿體形變，得到載荷與位移的變化如圖6所示。

表9 分段式搶修桿載荷位移測試數(shù)據(jù)Tab.9 Load displacement test data of three sets of segmented repair pole

圖6 分段式搶修桿載荷-位移圖Fig.6 Load-displacement diagram of segmented repair pole

通過對3套15 m分段式搶修桿進(jìn)行彎矩測試，表明3套都能滿足彎矩要求，且試驗完成后復(fù)合材料電桿能恢復(fù)到原狀，根據(jù)圖6載荷-位移圖可知，3套分段式搶修桿位移變化基本一致，實際測試的位移較理論值小，表明實際壓縮應(yīng)力較理論值大，安全系數(shù)更高。

4 結(jié)論

（1）通過理論和結(jié)構(gòu)計算，經(jīng)過ABAQUS理論校核結(jié)果表明，設(shè)計出的分段式復(fù)合材料搶修桿能滿足當(dāng)?shù)剌d荷要求。

（2）通過分段設(shè)計與成型，每段的質(zhì)量較整桿大幅降低，3～4人可輕松搬運(yùn)，極大地降低了人工搬運(yùn)強(qiáng)度，避免因長度受限造成的影響。

（3）分段式復(fù)合材料搶修桿設(shè)計時應(yīng)加大撓度的控制，避免因位移過大對線路的運(yùn)行造成影響。

（4）分段式復(fù)合材料搶修桿的插接位置受力情況較復(fù)雜，在承受導(dǎo)線載荷時易應(yīng)力集中，需著重設(shè)計加強(qiáng)。