输配电线路复合材料杆塔应用实践

2014-12-10李万燕

中国科技纵横 2014年12期

关键词：杆体杆塔复合材料

李万燕

(广东电网公司茂名供电局,广东茂名 525000)

输配电线路复合材料杆塔应用实践

李万燕

(广东电网公司茂名供电局,广东茂名 525000)

随着社会市场经济的发展,我国的电力行业也取得了快速的发展,社会发展过程中电力需求大幅增加的同时,对于电力供应也提出了更高的要求,要求其不仅能够满足最基本的用电需求,还要能够保证供电的安全、可靠性,电力架空线路是电力网络建设过程中,常见的一种供电线路敷设形式,而其中最重要的一个组成部分就是杆塔,随着各项技术的进步,输电线路复合材料杆塔的研究受到了更多的关注,本文就主要对其予以简单分析研究。

输配电线路复合材料杆塔应用实践

近年来,我国的电力行业取得了快速的发展,电网的建设数量及建设规模在不断的增大,在这种快速发展的背景下,增强输电线路杆塔复合材料的应用非常必要,与普通杆塔相比,复合材料杆塔具有诸多的优点,将其应用于电力网络中,能够有效的减少输电线路对于周围环境的电磁干扰及噪声干扰,并且其具有高效、环保的诸多优点,虽然我国的复合材料杆塔的研究与应用起步较晚,但是,随着各项技术的进步,其安全性、可靠性将不断提升,并且将有效的降低其造价成本,本文就主要对其应用实践进行简单分析。

1 输电线路复合材料杆塔应用特点分析

复合材料杆塔主要指的是应用玻璃纤维等强树脂型的复合材料所造成的输电线路杆塔,应用这种复合材料制造而成的输电线路杆塔,具有强度高、质量轻的优点,将其应用于输电线路的架空敷设中,其具有很强的耐腐蚀性能及绝缘性能,便于进行维护与设计,在实际应用中具有非常好的环境适应能力,在遇到较大的温度变化、冲击及撞击时,不容易出现形变,并且这种材料的杆塔在实际运行过程中具有非常好的抗雷击性能,与普通材料的输电线路杆塔相比,其防雷性能得到有效提升。

图1 不同工况下挠度曲线

图2 杆体底部应变荷载曲线

在输电线路的架设工作中,应用复合材料杆塔,具有成本低廉、工作量小的特点,这使得其在电力工程中具有较大的发展前景,其能够有效的增强输电线路走廊的输电密度,并且对于降低环境污染具有积极的作用,另一方面,由于这种材质杆塔的质量较轻,在工程应用中,能够有效的节约运输成本。

综上所述,复合材料杆塔具有抗雷击性强、抗污染性强、抗撞击性强、抗腐蚀性强、绝缘性能良好的优点,这对于输电线路运行的安全、稳定性的提升具有非常重要的作用,因此,其在实际应用中,具有广阔的发展前景。

2 输电线路复合材料杆塔关键技术细节

2.1 结构设计和优化

在杆塔结构设计及优化工作中,其重点内容是要能够协调好经济性、变形以及结构强度之间的关系,下面就主要针对此进行简单分析研究。

2.1.1 选择合适的材料设计强度

在杆塔材料设计强度的选择过程中,想要很好的满足构件的强度要求,就需要依据材料的腐蚀老化试验结果及基本力学性能,对实测值进行修正,并根据实际的工程设计要求,选择材料的设计强度值为测试强度与0.6的乘积。

2.1.2 选择杆塔外形

在杆塔外形选择及优化的过程中,应该充分的考虑其经济性及变形,在杆体的选形过程中,可以应用ANSYS有限元程序应用SOLID46层状单元来进行模拟,在优化的过程中,其控制因素主要有正常工况下的塔重最轻、材料强度、杆顶扰度等。

2.1.3 选择加工工艺

在杆塔加工的过程中,各种加工工艺都会对最终的加工质量产生影响,这就需要在综合考虑各种影响因素的基础上,选择合适的加工工艺,在实际的加工过程中,纤维层的铺设方向、玻璃钢的加工工艺等都会对杆塔的承载力产生一定的影响,选取FH35塔的加工作为实例进行分析,其杆体结构划分为四层,从上到下表现为:表面抗老化功能层、纤维缠绕外承载层、树脂/石英砂刚度层、纤维缠绕内密封层,由于其上段杆体中的节点构造比较多,用量较少,其加工过程中应用的是全玻璃钢缠绕方案,而其下段杆体则应用的是树脂/石英砂颗粒夹层结构的改进工艺,应用该方案使得杆塔的整体造价显著降低,在保证其正常运行的同时具有非常好的经济性性能。

2.1.4 验证真型试验

开展真型试验的主要目的是对设计方法、设计思路及产品进行验证,本次设计中的FH35塔的结构设计方案,成功通过了大风超载工况、覆冰、断线等工况测试,其设计强度及变形等都能很好的满足设计要求。在该塔结构从断线、覆冰及大风超载等工况进行测试,结果如图1所示。

图1显示了三种工况下杆顶变形的实测值与理论值,结果基本一致,偏差均控制在10%以内,表明模型表位准确。以上几种工况均存在一定的反弯现象,主要是由于张力作用于导线挂点处,而塔身不受张力影响。以断线及大风工况为例,经过计算,最大应力出现在结构底部,分别为166MPa和165MPa,比材料设计强度低很多。所以,大风工况超载到146%的时候,也未出现破坏,杆顶的变形已经达到了5m,荷载取出后,杆塔依然可以恢复到原始状态,没有出现变形残余。而在断线工况下,塔身与断线横担处出现最大应用,主要是由于张力非常大引起的。

图2为杆体底部在大风工况下的应变情况,从中可看到,拉压侧的应变发展趋势相对稳定,杆体的应该主要是以环向应变为主,在3000με左右,其拉应力与压应力分别可达到155MPa和149MPa,这个结果与理论值基本一致。

除此以外,根据应力分布图,塔身下半段的应力比上半段明显要大,导致这种现象出现的原因主要是夹砂层刚度过低,导致结构加剧变形。将下半段的夹砂层换成玻璃钢之后,大幅度降低了杆顶挠度,拉应力与压应力分别降低到86.4MPa与86.9MPa。所以,在玻璃钢的生产成本较低的情况下,可以采用全杆玻璃钢的方法,提高杆塔的抗变性。

2.2 节点设计和优化

复合材料杆塔的节点设计主要包含:节点方案的选择及优化两部分的内容,在节点的选择及优化的过程中,应该充分的考虑经济性、加工制造的可行性、连接的可靠性等方面的内容,同时需要综合的考虑套筒局部变形对胶层开裂的要求、杆塔扰度控制、抗扭强度、上下杆体变形的协调性等方面的要求,以FH35塔为例,对其各种节点构造方案进行简单分析,金属法兰套筒、插接胶粘、管壁预埋金属螺栓是其常用的几种节点方案,对这几种方案的安装性、可加工性及可靠性进行综合的考虑,最终选择了金属法兰套筒粘结主杆,在此基础上,辅以抗扭销钉连接,这种节点设计方案,具有承载力高、安装方便、加工方便、抗疲劳性强的优点。

应用ANSYS有限元程序对该节点方案进行优化,优化结果表明,主杆与套筒之间的抗剪强度会随着金属套筒长度的增加而不断的增加,但是当其长度值超过临界值以后,相关的增加趋势会逐渐趋于稳定,综合的考虑各种因素,在FH35塔的节点设计工作中,将其套筒的高度确定为0.5米,应用这种设计方案,使得杆塔的节点在实际运行过程中,其应力能够均匀分布,并且具有较好的强度值。

2.3 横担连接和优化

在复合材料杆塔的设计过程中,横担连接常用的一种连接结构是拉挤结构,的那是这种连接方式在实际的应用过程中,不具备环向的缠绕层,如果其长期的处于扭转应力的作用下及疲劳弯曲的状态下,是很容易导致出现单向纤维分层的,尤其是在其运行过程中受到雷击作用时,其中的芯棒材料很容易被击穿,裂纹容易沿着纤维方向开展,从而造成杆塔结构的失效,因此,本次研究中横担的连接应用单向拉挤芯材作为弯曲载荷的承载体与纤维交叉缠绕层承担扭转载荷的复合结构,这对于横担综合承载能力的提升具有积极的作用。

3 未来应用展望

虽然我国在复合材料杆塔的研究中取得了一定的进步,但是由于我国的研究及应用起步较晚,在这方面还具有巨大的发展空间,目前复合材料杆塔在低电压等级的输电线路中已经开始试点运行,在未来的研究中,将会主要围绕其绝缘性能、抗覆冰性能、耐腐蚀性能等性能优势展开,通过对这方面性能优势的拓展,使其更好的应用于气候环境较恶劣的电力网络中,这对于减少电力网络的运行维护成本,提升其经济性能及安全性能具有积极的作用,随着各项技术的进步,将更好的应用其绝缘性能,使得线路走廊进一步缩短,并要逐渐将其应用于高电压等级的输电线路中,这对于其经济效益及社会效益的提升都具有非常重要的作用。