10kV配電線路復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔承受力計(jì)算研究

陳鑫

摘 要：經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過(guò)程中對(duì)電力的需求越來(lái)越大，電網(wǎng)系統(tǒng)不斷擴(kuò)大，其所承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越大，例如跳閘、電網(wǎng)安全事故等等，人們?cè)诓粩嗟膶ふ液蛧L試新的方法從而減小甚至避免風(fēng)險(xiǎn)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，復(fù)合材料在電力輸送系統(tǒng)中發(fā)揮的作用也越來(lái)越大，例如由復(fù)合材料制造的橫擔(dān)桿塔等逐漸替代了傳統(tǒng)的木質(zhì)或者金屬合金橫擔(dān)桿塔，減小了一定的風(fēng)險(xiǎn)概率，同時(shí)也提高了電力系統(tǒng)的效益。相比于傳統(tǒng)的木質(zhì)或者金屬合金橫擔(dān)桿塔，復(fù)合材料在橫擔(dān)桿塔中的應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢(shì)，文章對(duì)10kV配電線路復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔承受力進(jìn)行計(jì)算研究，并與實(shí)際的受力情況進(jìn)行對(duì)比，對(duì)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)于配電線路復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔的研究和設(shè)計(jì)提供支持和依據(jù)，對(duì)于電力系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：配電線路;復(fù)合材料;橫擔(dān)桿塔;承受力計(jì)算

中圖分類號(hào)：TM75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）05-0065-03

Research on Bearing Capacity Calculation of Composite Cross Arm Pole and Tower for 10kV Distribution Line

Chen Xin

（Power Distribution Branch of Zhejiang Zhongxin Power Engineering Construction Co.， Ltd.， Hangzhou 311200， China）

Abstract：In the process of economic development， the demand for electricity is increasing， and the power grid system continues to expand， and the risks it bears are also increasing， such as tripping， power grid safety accidents， etc.， people are constantly looking for and trying new methods to reduce or even avoid risks. With the continuous progress of technology， the role of composite materials in the power transmission system has become greater and greater. For example， cross arm poles made of composite materials have gradually replaced traditional wooden or metal alloy cross arm poles， which reduces the risk probability and improves the efficiency of the power system. Compared with traditional wooden or metal alloy cross arm poles， the application of composite materials in cross arm poles has certain advantages. This paper calculates and studies the bearing capacity of composite cross arm poles in 10kV distribution lines， and compares them with the actual stress situation， verifies the calculation results， which provides support and basis for the research and design of composite cross arm towers for distribution lines. It is of great significance to the development of the power system.

Key words：distribution lines; composite materials; cross arm poles and towers; bearing capacity calculation

0 引言

復(fù)合材料在使用過(guò)程中具有絕緣性能好、質(zhì)量輕、耐腐蝕、易加工、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為各種金屬材料的理想替代品。近幾年來(lái)，我國(guó)對(duì)于復(fù)合材料的研究進(jìn)展迅速，各種新型材料層出不窮，復(fù)合材料在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是在工程領(lǐng)域，隨著復(fù)合材料各種性能的不斷優(yōu)化和完善，其在各種結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已經(jīng)逐漸取代了部分金屬制品結(jié)構(gòu)。例如，在配電線路中由復(fù)合材料制造的橫擔(dān)桿塔的塔重較輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便、維護(hù)成本較低，因此在配電線路中已經(jīng)逐漸發(fā)展成為鋼材料的替代品。配電線路中復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔的應(yīng)用使其使用壽命延長(zhǎng)，避免了頻繁的更換電桿，還可以減少走廊寬度，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔的這些優(yōu)勢(shì)使其在配電線路中前景廣闊。另外，復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔充分利用了復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，替代了傳統(tǒng)的金屬橫擔(dān)，為配電線中電桿塔的發(fā)展開(kāi)拓了新的模式。本文研究中，利用力學(xué)中有限元的相關(guān)概念，對(duì)復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔的受力情況進(jìn)行計(jì)算，并驗(yàn)證了復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔設(shè)計(jì)的合理性，為復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔的設(shè)計(jì)提供參考，對(duì)于配電線路的發(fā)展和改革具有重要意義。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外的技術(shù)發(fā)展較為先進(jìn)，因此對(duì)于材料的研究和應(yīng)用也起步較早，在復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔的研究中也相對(duì)較早。例如，日本在20世紀(jì)60年代為了解決因?yàn)轱L(fēng)偏而引起的電力系統(tǒng)閃絡(luò)問(wèn)題，將復(fù)合材料應(yīng)用與配電線橫擔(dān)中，并取得了很好的效果。美國(guó)在高鹽霧腐蝕嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行復(fù)合材料桿塔的應(yīng)用，該復(fù)合材料桿塔有長(zhǎng)達(dá)幾十年的使用壽命，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能。加拿大為了研發(fā)強(qiáng)度大、耐沖擊力強(qiáng)的輸電桿，利用聚氨酯樹(shù)脂進(jìn)行了模段式復(fù)合材料的組合，成功加強(qiáng)了輸電桿的強(qiáng)度和耐沖擊力。我國(guó)對(duì)于復(fù)合材料在配電線路中的研究受到技術(shù)條件、工藝條件等的影響發(fā)展較為緩慢。然而近些年來(lái)國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平的提高帶動(dòng)了技術(shù)水平和工藝水平的提高，復(fù)合材料的研究取得較大進(jìn)步，并被廣泛應(yīng)用于配電線路橫擔(dān)桿塔的建設(shè)中。例如，2010年我國(guó)在銀川地區(qū)在110kV的輸電工程中進(jìn)行了復(fù)合材料桿塔的投入使用，2012年在上海220kV的架空配電線路中成功進(jìn)行了復(fù)合橫擔(dān)的應(yīng)用，該復(fù)合橫擔(dān)減小了走廊寬度。到目前位置，復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔的已經(jīng)國(guó)內(nèi)多個(gè)城市進(jìn)行了應(yīng)用，涉及110kV、220kV、500kV、750kV等的線路工程，復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔在國(guó)內(nèi)的研究和應(yīng)用取得了較大的進(jìn)步，另外我國(guó)具有特殊的地形地貌、天氣環(huán)境和能源分布，針對(duì)這些復(fù)雜的地理環(huán)境問(wèn)題，復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔在我國(guó)還有很大的應(yīng)用空間和研究空間。

2 復(fù)合材料桿塔橫擔(dān)的選型

復(fù)合材料的彈性模量和抗壓強(qiáng)度相對(duì)較低，在配電線桿塔中完全采用復(fù)合材料會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，例如造成較大的構(gòu)件規(guī)格，從而造成連接鋼件同樣使用較大規(guī)格、連接長(zhǎng)度較長(zhǎng)等問(wèn)題，還有復(fù)合材料的桿塔接地困難等問(wèn)題。因此為了能同時(shí)利用復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)有能利用角鋼塔身強(qiáng)度高、剛度大的優(yōu)勢(shì)，在配電線路中桿塔的橫擔(dān)部位中應(yīng)用復(fù)合材料，有效地避免了上述問(wèn)題。在10kV配電線路橫擔(dān)桿塔中應(yīng)用復(fù)合材料，為了充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，其結(jié)構(gòu)形式主要采用三拉一壓的形式。該中結(jié)構(gòu)港式構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低，具體的結(jié)構(gòu)圖形如圖1所示。

針對(duì)復(fù)合材料自身的特點(diǎn)，本文中采用線彈性有限元方法分析復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔的內(nèi)應(yīng)力，根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用情況，利用有限元軟件建立復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔的有限元模型，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行有限元模型中各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置。配電線路的桿塔中復(fù)合材料橫擔(dān)包括上、中、下三層，而每一層橫擔(dān)又由四根桿件組成（圖2），分別為一根壓桿（圖2中用1表示）和三根受拉絕緣棒（圖2中用2、3、4表示）。

通過(guò)有限元分析計(jì)算復(fù)合材料橫擔(dān)的荷載工況，分析三層橫擔(dān)的桿件內(nèi)力，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析進(jìn)行復(fù)合材料橫擔(dān)的桿件的選型。

3 壓管承載力分析

復(fù)合材料的截面形式雖然可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是在配電線路橫擔(dān)桿塔中一般選擇圓形截面，因?yàn)樵摲N截面的截面慣性矩最大，而且管型構(gòu)件制作便捷，因此一般的復(fù)合材料橫擔(dān)均采用圓形截面的支柱絕緣子作為主要受力構(gòu)件。在計(jì)算復(fù)合材料壓管的應(yīng)力時(shí)將其簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化之后計(jì)算變截面壓管在其任意高度截面處的慣性矩為：

其中，是變截面壓管兩端截面的慣性矩;為變截面壓管的長(zhǎng)度;為壓管中間壁厚與兩端壁厚的比值。復(fù)合材料等截面壓管的臨界載荷為：

其中，E為復(fù)合材料的彈性模量。根據(jù)上述公式并結(jié)合復(fù)合材料橫擔(dān)的實(shí)際情況設(shè)置參數(shù)，計(jì)算不同構(gòu)件下的臨界荷載，并與有限元模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比分析結(jié)果如表1所示。由表1中的數(shù)據(jù)可以明顯看出變截面載荷的理論值與有限元計(jì)算值的結(jié)果相差較小，在允許的誤差范圍內(nèi)，說(shuō)明有限元分析法可用于復(fù)合材料橫擔(dān)承載力的計(jì)算中，結(jié)果可靠。另外，通過(guò)表中的數(shù)據(jù)還可以明顯發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于等截面的壓管來(lái)說(shuō)，變截面的承載力更大，因此在施工過(guò)程中可以結(jié)合實(shí)際情況具體應(yīng)用。

4 連接節(jié)點(diǎn)承載力分析

復(fù)合材料橫擔(dān)的節(jié)點(diǎn)部位主要采用膠接連接金屬件，然后再通過(guò)金屬件進(jìn)行螺栓連接。在上述完成有限元模型的建立分析之后，再施加一定的載荷，研究連接節(jié)點(diǎn)處的強(qiáng)度。在配電線路復(fù)合材料橫擔(dān)中，拉管與絕緣管之間通過(guò)膠裝的方式連接，拉管主要受到拉伸作用。實(shí)驗(yàn)時(shí)，拉管一端通過(guò)法蘭進(jìn)行固定，另一端法蘭通過(guò)螺栓施加一定程度的拉伸和彎曲載荷，得到膠裝高度方向的應(yīng)力分布曲線，如圖3所示。

由圖3可以看出，膠裝高度越高膠黏劑應(yīng)力越小，其最大應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)需求，且在拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，但應(yīng)力增加到一定程度，螺栓被拉斷而膠裝部分卻無(wú)損壞，說(shuō)明膠裝部位所能承受的應(yīng)力達(dá)到要求。

同樣的，在復(fù)合材料橫擔(dān)的壓管與絕緣管也是通過(guò)膠裝的方式連接。與上述實(shí)驗(yàn)不同的是，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主要對(duì)拉管施加一定拉伸作用力，獲得拉管的膠裝部位膠裝高度方向的應(yīng)力分布曲線，如圖4所示。

由圖4中可以明顯看出，拉管上膠粘劑的應(yīng)力隨著膠裝高度的增加而逐漸較小，到達(dá)一定高度后，膠粘劑應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。說(shuō)明膠裝高度對(duì)于拉管中膠粘劑的應(yīng)力影響較小，膠裝部位的所能承受的應(yīng)力滿足要求。

5 結(jié)語(yǔ)

復(fù)合材料具有耐沖擊性能好、耐酸堿腐蝕、穩(wěn)定性好、絕緣性能較好等優(yōu)勢(shì)，將其運(yùn)用到配電線路橫擔(dān)桿塔中對(duì)于輸電線路的發(fā)展起到推動(dòng)作用。而且，復(fù)合材料在橫擔(dān)中的應(yīng)用還能解決線路走廊進(jìn)展的為題，減小成本，安裝和維護(hù)相對(duì)較為簡(jiǎn)單。本文中對(duì)其承載力的研究，對(duì)于復(fù)合材料在配電線路橫擔(dān)桿塔中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用工作提供一定的參考作用，對(duì)于其發(fā)展具有重要意義。

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