复合材料电杆在油田输电线路中的应用

2024-01-10郑春生刘天方王洪艳

上海电气技术 2023年4期

郑春生刘天方王洪艳司健

胜利石油管理局有限公司电力分公司山东东营 257000

1 应用背景

自胜利石油管理有限公司电力分公司2020年申报中石化重大科技项目“碳纤维复合材料输变电设施研究与应用”立项以来,复合材料电杆凭借优异的机械与电气性能,取得了良好的应用效果。2021年,输电线路用复合材料电杆逐步试点应用。通过以35 kV滩海线为代表的国家保护区滩涂地型典型应用及以110 kV渤大线为代表的页岩油电驱压裂技术输电技术应用,逐步探索出一条适合油田电网系统的复合材料电杆应用路径。

2 环形混凝土电杆

环形混凝土电杆由沙子、水泥、钢筋经离心机塑性蒸制而成,因材料工艺原因存在质量大、挠度低、易风化开裂、不耐腐蚀、寿命短等缺点,寿命一般为15～30 a。华经产业研究院发布的《2020—2025年中国混凝土电杆市场运行态势及行业发展前景预测报告》显示,随着国家大基建项目逐个落地完工,环形混凝土电杆市场将逐年收窄,未来30～50 a环形混凝土电杆将完全退出市场,由电缆、管塔、复合材料电杆取代。

3 复合材料电杆

复合材料电杆是一种利用复合材料,包括聚氨酯、玻璃纤维、碳纤维等,通过变角缠绕工艺构成的电力电杆,有12 m、15 m、18 m等长度之分,性能参数见表1。

表1 复合材料电杆性能参数

从表1中可以发现,复合材料电杆具有五方面优点。第一,强度大,质量小,便于运输及施工,尤其适用于难以进入的地区及灾后电力抢修。第二,电杆整体绝缘,相地爬电距离大幅增大,可以有效防止由感应雷引起的雷击闪络事故,带电作业性能优异。第三,电杆表面有良好的憎水性,防污闪、抗覆冰能力强,适合用于重污染地区。第四,韧性好,大变形下可自行恢复,不影响后续使用,尤其适合沿海强风地区使用。第五,耐腐蚀,使用寿命可达40 a以上。

复合材料电杆从材料和工艺角度解决了传统环形混凝土电杆的部分缺点,为输配电线路带来更多解决方案。复合材料电杆的一个显著特点就是工艺复杂,造价成本较高,是环形混凝土电杆单价的数倍。但随着工艺控制逐步稳定,产量逐步提升,所带来的规模效应可以有效摊销生产成本,从而降低复合材料电杆的采购成本。

4 油田输电线路概况

胜利油田输电线路始建于1965年3月,随着油田石油开发的进程,经过超过50 a的发展,油田电网逐步覆盖东营、滨州、淄博、德州等6个地市、22个县区。油田电网现有292条输电线路,近15 000基电杆,其中大部分地处黄河以北区域。黄河以北39%的面积处于黄河入海口滩涂沼泽地带,河流纵横,盐场密布,水汽极大,土地多为盐碱地,含盐量约0.5%。黄河入海口广袤空旷,年雷暴日约32.2 d,属雷暴多发区。油田滩海地区大部分处于工业和电磁污染最严重的Ⅳ级污秽区域,盐密为0.25～0.35 mg/cm2。

油田有51%的输电线路环形混凝土电杆建于1992年以前,82%的输电线路环形混凝土电杆建于2002年以前,运行30 a以上的环形混凝土电杆占输电线路总量的一半以上。虽然每年各管理区对危及线路运行的危险杆塔进行了更换及补强加固,但并没有从根本上解决问题。电力分公司输电线路现有管理人员230人左右,平均年龄47周岁,人均管辖线路15.2 km,输电设备与管理人员的双重老化是不可回避的问题。

5 应用案例分析

受国资委四供一业政策影响,油田输电线路近几年无新架设工程。油田输电线路改建换杆等受成本限制,复合材料电杆在油田输电线路中的应用,更多位于环境恶劣、对强度要求较高的特殊地区。

5.1 35 kV滩海线

2021年7月10日,35 kV滩海线69号杆因短时强风造成严重倾斜,随时有倒杆风险,周围环境为国家5A级生态保护区。现场电杆架设的难点有四方面。第一,电杆长期浸泡在腐蚀性较强的海水中。第二,基础松软,易歪杆倒杆。第三,野生动物出没,以东方白鹳为主,易造成短路接地事故。第四,生态保护区内严禁大型机具进入,并且对周围生态破坏有严格的控制。

针对以上情况,电力分公司进行复合材料电杆特型设计。其中,套筒式实心预制钢桩基础为国内首创,适用于滩涂软质地基,埋入基础部分为一根锥状镀锌钢管或不锈钢管,与上部法兰连接,管身带有螺旋叶片,可以由螺杆钻机打入地下形成钢桩。在复合材料电杆安装完成后,安装电杆定位板,并注入混凝土。自7月14日抢修施工完成至今,35 kV滩海线运行情况良好,69号杆再无倒杆情况发生。35 kV滩海线复合材料电杆应用如图1所示。

图1 35 kV滩海线复合材料电杆应用

从输电运维角度看,复合材料电杆具有质量小、强度高、耐腐蚀等优势,套筒式实心预制钢桩基础具有基础牢固、模块化组装、成本低等优点,两者灵活搭配,可应对复杂地理环境,适用于快速应急抢险工程。据统计,生态保护区及沿海滩涂地区的输电线路共有40条以上,涉及电杆500基以上,在未来运维工作中将继续推广应用复合材料电杆。

项目组邀请华北电力大学对复合材料电杆及套筒式实心预制钢桩基础进行可靠性校验,内容分三部分:塔身风载荷计算、下压稳定性计算、倾覆稳定性计算。

塔身风载荷的计算针对LGJ-70/10、LGJ-95/20、LGJ-120/20三种型号的导线在10 m/s、30 m/s、60 m/s大风工况,以及覆冰工况下进行,覆冰工况的风速为10 m/s,覆冰厚度为10 mm。大风工况计算结果见表2,覆冰工况塔头风载荷为10.2 N/m,塔身风载荷为13.7 N/m。

表2 大风工况计算结果

对于下压稳定性,参照标准 DL/T 5219—2014《架空输电线路基础设计技术规程》中的规定,对套筒式实心预制钢桩基础进行计算。桩极限侧阻力标准值见表3,极限端阻力标准值见表4,灌注桩竖向承载力抗力分项因数见表5。

表3 桩极限侧阻力标准值 kPa

表4 桩极限端阻力标准值 kPa

表5 灌注桩竖向承载力抗力分项因数

套筒式实心预制钢桩基础的竖向载荷为20.8 kN,竖向承载力设计值为337.81 kN,下压稳定性满足要求。

对于倾覆稳定性,参照标准DL/T 5219—2014中相关规定,对套筒式实心预制钢桩基础进行计算。选择LGJ-120/20型导线在30 m/s大风工况下进行倾覆稳定性计算,此时导线风压为1 545.43 N,绝缘子串风压为70.87 N。

黏性土的参数见表6。塔头风荷载为76.52 N·m,塔身风荷载为102.77 N·m,横担以上视为塔头,电杆所受风荷载简化为一个集中力,计算得到倾覆力矩为39.07 kN·m。显然倾覆力矩小于极限倾覆力矩,倾覆稳定性满足要求。

表6 黏性土参数

5.2 110 kV渤大线

2022年3月28日,中石化胜利油田产能建设重点项目义193-X28井台电驱压裂110 kV、31 500 kV·A输变电工程一次送电成功。这一工程是复合材料电杆在国内首次小规模应用于石化产业110 kV输电线路。电驱压裂输变电工程输电线路要求根据电驱压裂输变电工程地理位置及电源位置灵活调整输电设计方案,压裂工期短,不超过30 d,需循环使用。

在输电线路环节对比各种电杆。

(1) 环形混凝土电杆线路造价低,但无法频繁重复使用,在高腐蚀性、高强度使用情况下极易造成倒杆断杆。如果将环形混凝土电杆定义为一次性使用,那么成本将远高于复合材料电杆,影响电驱压裂工程稳定运行。

(2) 角钢塔线路强度高,结构复杂,质量极大,在临时输电用电情况下使用成本极高,并且需要灌注桩基础,施工周期长、成本高。

(3) 管塔线路与角钢塔线路类似,质量大,需要灌注桩基础,施工周期长、成本高。

(4) 电缆线路不适用于长距离输电,并且每次电驱压裂工程地理位置、距离不定,中间接头过多会导致短路事故。

(5) 复合材料电杆线路强度高,质量小,基础简单,施工周期短,成本比环形混凝土电杆线路高,但低于角钢塔线路、管塔线路及电缆线路。

通过对比,选择使用复合材料电杆线路作为实施方案。输电线路采用稍径为190 mm的复合材料电杆,共组立三基。其中,15 m单杆单挑终端杆一基、12 m三联单杆单挑直线杆一基、15 m三联单杆单挑耐张杆一基,设计档距为80～120 m。因为线路全长不超过300 m,并且穿越110 kV国华线,可以不考虑防雷及接地。3月28日,输电线路一次送电成功。

通过在义193-X28井台电驱压裂输变电工程的应用,证明复合材料电杆可以较好满足工程需求,同时积累了复合材料电杆在电驱压裂输变电工程中应用的经验,未来可以逐步改进,进一步简化杆型和工艺流程,降低工程成本。