复合横担杆塔设计分析

孙 鹏,白 禹,程克娜

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司,长春 130021)

复合横担杆塔设计分析

孙 鹏,白 禹,程克娜

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司,长春 130021)

介绍复合材料性能,针对输电线路电压等级越来越高,杆塔耗钢材量大,基础作用力大的情况,提出新型复合横担杆塔的设计方法,分析复合材料结构的基本设计方法和基本尺寸规划,并对角钢塔和复合横担塔的经济指标进行比较,认为复合横担塔具有节能和降低造价的优点。

输电线路;复合横担;设计方法

1 概述

随着电网建设的发展,西电东送、南北互供的电网建设,全国输电线路的增多对钢材的需求越来越大,将造成生态环境的严重污染[1]。目前我国110 k V以上输电线路杆塔绝大部分采用全钢结构[2],但钢材存在质量重、易锈蚀或开裂等缺陷,以及施工运输和运行维护困难等问题,而且杆塔为全钢结构的输电线路易发生污秽闪络、风偏放电等故障。

复合材料杆塔用于输电线路可节约大量钢材,利用杆塔绝缘性,不仅易于解决输电线路的风偏和污闪事故,提高线路安全运行水平,同时还可以减小塔头尺寸和走廊宽度;杆塔轻便,易加工成型,可以大幅度地降低杆塔的运输和组装成本;杆塔的耐腐蚀、耐高低温、强度大、被盗可能性小,可降低线路的维护成本;同时由于杆塔颜色可调、无毒害、报废后可再利用,增强了线路的环境友好性。

由此可见,复合材料杆塔具有更好的综合性能,在材料性能满足要求的基础上,通过合理的设计,将复合材料杆塔用于输电线路工程,在经济及社会效益等方面具有重要意义。

2 复合材料性能

复合材料以一种材料为基体(包括金属和非金属两类),另一种材料为增强体组合而成。输电结构的复合材料基体应选用非金属材质,常见非金属质基体复合材料及优缺点见表1。

表1 3种常见复合材料之间优缺点比较

3 复合材料设计

3.1 结构设计方法

目前输电行业内的复合构架设计缺少相关规范依据,该文推荐采用“等代原则”。等代设计是工程复合材料中较常用的设计方法:即在荷载和使用环境基本不变的情况下,考虑复合材料的特点,采用大致相同形状(或适当改变形状和尺寸)的复合材料构件代替原材料,并用原材料的设计方法进行设计。用复合材料代替金属时,结构内部的构件形状和尺寸会发生变化。进行等代设计时,一般采用等刚度设计后,再做强度校核,并辅助采用有限元数值分析对复合材料结构进行计算,优化验证设计。

3.2 横担架构设计

复合材料为典型的各向不同性材料,抗压强度不足抗拉强度一半,且弹性模量远低于钢材,其整体稳定问题也较钢构件突出,因此复合结构设计时应尽可能多的利用拉锁结构,且对压杆提供足够的支撑约束。

横担上平面斜拉杆能充分发挥复合材料性能,通过金具与塔身连接,端节点构造简单,中间无金属节点,不须考虑电气间隙要求;横担下平面为受压材,设计时须考虑稳定问题,应构造节点,并通过附加杆件对受压主材进行支撑,而节点的设置会引入金属材质,从一定意义上降低了横担的绝缘性能。所以,复合横担设计是综合考虑绝缘性能和受压杆稳定的过程,单纯的构造绝缘长度或小长细比受压主材都是不合理的。鉴于此,该文建议横担构架采用图1的构造方案。

图1 复合横担设计方案

3.3 节点连接设计

复合材料是脆性材料,力学性能与金属有本质区别,连接部位是薄弱环节,其设计和分析是整体结构设计计算的重点。通过对国内外复合材料连接设计的广泛调研发现,目前承力复合材料构件主要采用螺栓连接、胶接、螺栓-胶接混合连接和预埋金属件接头、通过金属件接头相连四种连接方式。对于圆形闭口截面构件,以胶接和预埋金属件接头为主。

其中胶接的连接部位质量小、引起永久变形小,欧洲和美国的复合材料结构设计规范中也对复合材料胶接进行了介绍,均认为其拥有足够的连接强度。但是现场胶接的质量得不到可靠保证,同时目前国产胶的承载力较低,难以满足复合横担的承载力要求。而预埋金属件接头,其承载力较高,连接方便,但工艺复杂,难以在多规格材质的复合横担上应用。

借鉴预埋金属件接头、螺栓连接和胶接等连接方法,提出一种新型节点连接方式-钢套管式节点,该节点生产过程是在复合材料型材成型后,利用胶结连接金属件,再通过金属件进行螺栓连接。钢套管式节点可以提高节点的承载能力,并且传力可靠,连接方便。

3.4 构件抗老化设计

玻璃钢纤维复合材料的老化主要是由树脂基体、增强纤维以及树脂/纤维粘接界面的破坏引起。上海玻璃钢研究所对玻璃钢材料进行自然老化试验,指出采用必要的防老化措施后,玻璃钢的老化问题不是很严重,强度未发生较大退化,强度保留率在85%以上,且泊松比没有明显下降。因此,该文推荐对复合材料构件进行全外表面防老化涂漆处理。

4 基本塔型尺寸规划

基本塔型采用本次投标设计的SZ1型杆塔,基本使用条件如下:

b.水平档距为420 m;垂直档距为550 m;

c.Kv=0.85;

d.导线垂直排列,取消悬垂绝缘子。

4.1 悬垂串长确定

采用复合横担时,由于横担为绝缘体,导线和横担之间考虑不采用悬垂绝缘子串,可以消除塔头风偏放电故障,对低电压等级的输电线路是可行的。但对于采用分裂导线的高电压等级输电线路,除了绝缘需要,在杆塔设计时还需要考虑线悬垂塔的纵向不平衡张力。若取消悬垂绝缘子串,会因分裂导线纵向不平衡张力控制而需增大横担塔身的构件规格,较不经济。以下拟将绝缘子串取消,保留适当金具长度。

计算所得输电线路杆塔分裂导线纵向不平衡张力仅为最大使用张力,平地6.2%,山区11.4%;冰区脱冰工况纵向不平衡张力更小,均满足设计规范规定。因此,平丘地形时可考虑1～1.2 m串长,一般山地地形(高差＜15%)可考虑1.5～1.8 m串长。该工程使用复合横担直线塔适用于平丘地,金具长度推荐采用1.2 m。

计算出的输电线路杆塔分裂导线纵向不平衡张力仅为最大使用张力,平地6.2%,山区11.4%;冰区脱冰工况纵向不平衡张力更小,均满足设计规范规定。因此,平丘地形时可考虑1～1.2 m串长,一般山地地形(高差＜15%)可考虑1.5～1.8 m串长。该工程使用复合横担直线塔适用于平丘地,金具长度推荐采用1.2 m。

4.2 最小塔头布置

根据规程规定,10 mm冰区导、地线水平位移不小于1.75 m。根据规程规定导地线线间距离应满足0.012L+1 m的要求。导地线塔头垂直距离取6 m。根据GB 50545-2010《110～750 k V架空输电线路设计规范》,垂直排列导线最小垂直线间距离不小于10 m,SZ1塔采用绝缘横担后,悬垂绝缘子串可缩短,间隙圆对导线垂直线间距离不起控制作用,故垂直线间距离取10 m。

4.3 间隙

海拔1 000 m以下按规程规定大气过电压间隙3.3 m,操作过电压间隙2.7 m,工频电压间隙1.3 m。该工程为双回路,采用加强绝缘,实际大气过电压条件下间隙值取为4.1 m。间隙对塔头布置不控制。

4.4 电磁环境校核

采用复合横担后,相间水平、垂直距离均小于常规塔型,表面场强,无线电干扰,可听噪声计算值均增大,但仍满足规程要求。

4.5 双回路复合材料直线塔杆塔设计

双回路直线塔导线一般采用垂直排列的布置方式,该方案的线路走廊较小、回路明确、结构简单、传力清晰、施工和检修较为方便,并且在500 k V双回输电线路工程中广泛应用。

复合横担塔也可采用垂直排列的布置方式,对上相横担,考虑到取消绝缘子串后金具串较短。为满足导、地线间距离的要求,考虑到构造和传力要求,将其与地线支架独立。

同时地线支架采用角钢,防雷接地易于实现。该布置方式既能满足承载力的要求,又能很好地与常规角钢塔协调。由于户外自然环境恶劣,复合横担塔在长期运行过程中,可能会出现因老化而强度下降、绝缘性能减退等现象,此时需要更换同规格复合横担。此时为避免导线落地,需采用地线支架暂挂导线,待更换复合横担后再将悬挂于地线支架的导线挂回。

复合横担塔下横担长度仅为7.05 m,较常塔缩短2.4 m;但此塔头尺寸仅仅是根据绝缘及规范相关规定确定的最小塔头尺寸,未考虑其他因素的影响。综合考虑横担最小电弧距离、爬高比(不宜大于4 m)、金具节点长度及制造工艺要求等因素以后,实际复合横担需要适当加长。最短横担要求的绝缘长度为5 m,通过在玻璃纤维复合材料上覆硅带伞裙的橡胶护套,可以使其爬电距离达到11 000 mm以上,满足500 k V线路污耐压的要求。

5 复合材料杆塔的技术经济比较

以下以直线塔为例进行技术经济指标比较。本体造价经济指标对比,角钢塔和复合横担塔经济指标对比见表2。

表2双回路角钢塔、复合横担塔经济指标对比

由表2可知,与常规角钢塔相比,双回路复合横担直线塔主要有以下优点:

a.横担结构与直线塔的横担结构相同,结构型式简单,传力清晰;

b.横担长度较常规角钢塔缩短2.3 m,减小走廊宽度约4.6 m,减小了导线的荷载作用,降低塔重和基础作用力;

c.塔重降低约22%,基础混凝土降低约13%,本体造价降低约16%。

由此可见,对于双回路直线塔,当导线横担采用复合材料时,具有显著的经济效益。同时由于走廊宽度降低,施工通道所涉及的赔偿、协议收取,施工周期等都将降低,也必将提升线路运行的整体经济指标。

6 结束语

在输电线路的经济分析中,通常注重建设期间的费用投资,往往忽视了结构全寿命过程费用的分析,这里主要指线路杆塔的维护费用。随着经济、技术与管理的发展,人们越来越倾向于采用包括运行维护在内的结构全寿命过程的经济、技术以及环境影响等综合指标来评价架空输电线路杆塔结构。随着输电网建设规模的不断扩大,输电线路结构的运行维护问题将日益突出,线路结构的综合费用效益分析将逐步受到重视。为保证供电可靠性,输电线路应尽可能采用在使用期内免维护或少维护的电力设施。结构质量是结构经济性的重要指标之一。非金属复合材料杆塔比木质杆、混凝土杆和钢管杆质量轻,可以大幅降低运输成本和施工人工成本。复合材料架空线路电塔相对常规铁塔对运营维护依赖性低,维护费用也远低于常规铁塔。

[1] 左玉玺,薛更新,孙 强,等.750 k V输电线路复合横担设计研究[J].电网与清洁能源,2013,29(1):

[2] 王 力,罗正帮,杨雪锋.复合材料输电杆塔设计及其发展的制约因素[J].工程与建设,2014,28(4):

本文责任编辑:王丽斌

Composite Crossarm Tower Design Analysis

Sun Peng,Bai Yu,Cheng Kena

(China Electric Power Engineering Consulting Group Northeast Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Changchun 130021,China)

The properties of composite materials,aiming at the line voltage level is more and more high,tower steel consumption and a large amount of basic force,puts forward the design method of the new composite crossarm tower,planning and analysis of basic dimensions of the basic design method of composite structures,and the steel tower and the tower of the composite cross arm economic indicators were compared.That the composite crossarm tower has the advantages of low cost and energy saving.

tower transmission;composite cross arm;design method

TM753

:A

:

孙 鹏(1987-),女,工程师,主要从事输电线路设计和研究方面工作。