一种轻便型应急复合抢修塔的研制

2021-09-15张吉波

科学技术创新 2021年26期

张吉波罗伟

（国网甘肃省电力公司张掖供电公司，甘肃张掖 734000）

1 概述

针对摘要中提到的问题，本文着重论述了一种立柱式的轻便型应急复合抢修塔，其具有重量轻、强度高、易运输、易组立等特性，相比传统的格构式抢修塔（铝合金或复合材料制作），其塔架受力更合理，重量更轻、组装也更便捷，特别适用于输电线路的抢修，尤其是在地质情况恶劣的山地、林区、高原等地，其优势更加明显，对于推进中国输电线路快速抢修技术的进步具有重要意义。

轻便型应急复合抢修塔结构设计新颖、成型材料先进、制造工艺独特。塔身主杆采用高强度的碳纤维材料经内发泡模压工艺制成，模块化分段式结构，每段长度约为4米，重量小于80kg，端头设置有轻质高强的连接法兰，能够实现杆段的快速组装。通过对主杆的搭配重组，可组装成不同高度和不同型式的应急抢修塔，广泛适用于35-220kV电压等级的输电线路临时抢修，能够有效提高线路应对突发事件的快速恢复能力。该抢修塔还配置有专用的复合绝缘横担，抢修架线时无需使用悬垂绝缘子，导线可直接挂在横担端头的线夹金具内，不但能够大幅提高线路抢修效率，而且还能够提高导线的对地的安全距离，安全性更高。

2 研究内容

2.1 设计方案研究

2.1.1 设计条件

根据电网架空输电线路的运行实际需求，按照表1的条件参数设计的抢修塔，能满足绝大多数情况的抢修使用要求，该塔主要由地线横梁、拉杆、横担、拉线、主杆、横撑及底盘等组成。拉线为双层内八布置，同方向拉线共用一个拉盘,本次设计的抢修塔，适用于35-220kV输电线路倒塔事故时快速抢修用。

表1

2.1.2 设计工况

根据荷载作用性质的不同，杆塔所受荷载可分为三部分（如图1所示）：①水平荷载:即沿横担方向作用于抢修塔结构的荷载；②纵向荷载:即垂直于抢修塔横担方向作用于塔结构的荷载;③垂直荷载:即沿着铅垂方向作用于抢修塔结构的荷载。

图1 挂线及荷载示意图

按照《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T 5154-2012），对不同工况条件下抢修塔的载荷状况进行计算，共设计18种工况条件，如表2所示。

表2 载荷工况设计

2.1.3 仿真分析验证

首先使用UG软件对轻便型应急复合抢修塔结构进行设计，然后按照以上18种工况，使用有限元分析软件SAP2O00对抢修塔结构的力学性能进行分析,考查轻便型应急复合抢修塔结构在各工况下杆件的内力、挠度等受力特性，根据受力结果优化结构设计，同时以此为基础对复合材料性能及配方进行优化设计。

2.1.3.1 模态分析。前三阶模态振型分别表现为纵向、扭转和横向，充分说明杆塔纵向刚度最弱，其次为抗扭刚度，最后为横向刚度。分析结果符合拉线塔特性。（图2）

图2 模态分析结果

2.1.3.2 变形分析。大风工况：45度大风控制，分析得出杆顶最大挠度及边相地线和边相导线挂点处最大位移。（图3）

图3 45度大风分析结果

覆冰工况：分析得出杆顶最大挠度和边相地线和边相导线挂点处最大位移为。（图4）

图4 覆冰分析结果

起吊工况：起吊导线1控制，分析得出杆顶最大挠度和边相地线和边相导线挂点处最大位移。（图5）

图5 起吊分析结果

锚线工况：锚导线3控制，分析得出杆顶最大挠度,边相地线和边相导线挂点处最大位移。（图6）

图6 锚线分析结果

不均匀覆冰工况：最大弯控制，最大扭不起控制，分析得出杆顶最大挠度和边相地线、边相导线挂点处最大位移。（图7）

图7 不均匀覆冰分析结果

长期荷载：分析得出杆顶最大挠度和边相地线、边相导线挂点处最大位移，主要为垂直位移。（图8）

图8 长期荷载分析结果

2.1.3.3 内力分析。主杆：最大压力180kN，扭矩M=6.0 kN.m,弯矩Mx=50kN.m，弯矩My=10kN.m,最大应力80Mpa，最大应力对应不均匀覆冰工况。（图9）

图9 主杆分析结果（左：最大弯，右：最大扭）

主杆横撑：主杆横撑受最大轴力N=12.0 kN,弯矩Mx=4.7 kN.m,弯矩My=6.1 kN.m,最大应力40Mpa，对应安装工况。（图10）

图10 横撑分析结果

地线挂线梁：受弯构件,弯矩Mx=10kN.m,弯矩My=30kN.m,最大应力90Mpa，对应安装工况，由于位于挂线梁根部，有应力集中现象，需手工计算复核。（图11）

图11 地线挂梁分析结果

地线架横撑：地线横梁受最大轴力N=4.0 kN,弯矩Mx=7.5 kN.m,弯矩My=10.6 kN.m,最大应力65Mpa，对应安装工况。（图12）

图12 地线架横撑分析结果

横担：最大轴力25kN,弯矩Mx=30kN.m,弯矩My=32kN.m，最大应力85Mpa，最大应力对应不均匀覆冰工况。（图13）

图13 横担分析结果

2.2 主杆结构及成型工艺的研究

2.2.1 主杆结构

圆管状的复合材料主杆，两端头通过螺纹紧固加胶接的方式固定有轻质的铝合金法兰。其中，复合材料主杆由碳纤维复合材料包裹着闭孔型发泡材料经内发泡模压工艺成型，闭孔型发泡材料膨胀后成团状分布在复合材料主杆圆周方向的环形夹层内，并在夹层内通过发泡挤压作用成型出数道加强筋，用以增强主杆抗弯强度。复合材料主杆外表覆盖有耐候涂层，有效防止抢修塔主杆紫外老化，保证产品使用寿命。杆体结构如图14。

图14 主杆结构

2.2.2 主杆成型工艺研究

根据前期试验结果所掌握的树脂、增强纤维对抢修塔性能的影响情况，通过挤拉成型、缠绕成型、内发泡模压成型三种不同的制备工艺，制备长度为4米的复合材料抢修塔杆标准试样，分别测试复材管的力学性能（包括抗拉强度、抗拉模量、拉伸强度、拉伸模量、压缩强度、压缩模量、剪切强度和剪切模量等）、抗老化、耐候性等性能，全面掌握各种配方、各种工艺参数对产品性能的综合影响情况。

根据前期试验结果，本项目确定采用内发泡模压成型工艺进行主杆的制作，以取得更高性能的产品。

2.2.3 主杆配方研究

以环氧树脂为基体材料，选用玻璃纤维或者其他高性能纤维材料作为增强材料制备复合材料主杆。采用不同技术方案对树脂进行改性，以改善其力学、耐老化、耐候性等；另外，开发中温树脂固化体系，在保证性能满足要求的前提下，适当降低固化温度，从而在一定程度上降低制造成本。

同时还着重研究不同种类的碳纤维-玻璃纤维混杂纤维或者其他高性能纤维材料以及纤维配比、纤维取向布置等因素对复合材料性能的影响，优化复合材料配方。

2.3 复合绝缘横担的研究

采用环氧树脂引拔棒为横担芯体，表面通过注射工艺成型有间歇性硅橡胶伞裙护套，在保证产品电气性能及使用寿命的同时，还能够有效解决硅橡胶伞裙在施工过程中踩踏易损坏的问题。

2.4 连接结构的设计研究

连接结构是轻便型应急复合抢修塔应用的关键，连接结构不但要有较高的强度，而且还必须拆卸方便，满足抢修的基本要求。对于管型截面复合材料构件的连接，一种是外加法兰连接，另一种是套筒连接，二者都需采用紧固连接的方式与复合管材连接，通过有限元分析结果，对复合管材节点连接展开试验研究，主要包括节点受力的理论计算方法和胶结成型工艺。