李佳慧

(廣州電力設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510520)

0 引 言

目前，中國110 kV以上輸電線路桿塔絕大部分采用角鋼及鋼管桿的形式，所有結(jié)構(gòu)件都由鋼材制作。隨著特高壓骨干網(wǎng)絡(luò)、區(qū)域直流互聯(lián)的建設(shè)，需要樹立更多桿塔，若仍然采用傳統(tǒng)全鋼材料的電力桿塔，原料開采將帶來難以逆轉(zhuǎn)的生態(tài)破壞及不可再生資源的消耗；此外鋼材存在質(zhì)量重、易銹蝕、不便施工運(yùn)輸?shù)葐栴}[1]。隨著復(fù)合材料技術(shù)及其制造工藝的發(fā)展，對采用重量輕、強(qiáng)度大、耐腐蝕、耐高低溫、絕緣性能好的復(fù)合材料的復(fù)合桿塔進(jìn)行研究具有重要意義[2]。

國內(nèi)外都已開展了復(fù)合桿塔的研究。在復(fù)合材料方面：纖維主要采用玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維，樹脂主要采用環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂、酚醛樹脂，兩者加工成纖維布、筋材及索材[3-4]。在復(fù)合桿塔方面：中電武漢鐵塔公司運(yùn)用有限元分析方法建立了復(fù)合材料橫擔(dān)仿真模型,分析各種典型工況的應(yīng)力和位移,明確最危險工況為斷線工況[5]；山東大學(xué)研究了桿塔的復(fù)合接地材料接地特性，基于CDEGS仿真平臺搭建模型，總結(jié)出沖擊下復(fù)合接地材料接地體散流特性[6]；國網(wǎng)鄭州供電公司采用ATP-EMTP仿真平臺對比了復(fù)合桿塔和純鋼塔的防雷性能，發(fā)現(xiàn)復(fù)合桿塔具有更優(yōu)的耐雷能力[7]；南瑞集團(tuán)研究了復(fù)合桿塔接地引下線空氣間隙，依據(jù)沖擊過電壓放電試驗(yàn)繪制間隙與放電電壓特性曲線確認(rèn)最優(yōu)空氣間隙值[8]。

下面基于現(xiàn)有國內(nèi)外復(fù)合桿塔研究成果，系統(tǒng)地提出一種500 kV雙回路桿塔設(shè)計方案，對涉及的塔頭尺寸、絕緣配置、荷載校驗(yàn)及經(jīng)濟(jì)性關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 絕緣配合

1.1 設(shè)計輸入條件

以國家電網(wǎng)有限公司500 kV通用5E1模塊典型設(shè)計為基礎(chǔ)，使用氣象條件為風(fēng)速27 m/s、覆冰10 mm，其他基本技術(shù)條件見表1。

500 kV雙回輸電線路有兩類桿塔——垂直排列的鼓型(或傘形)塔及雙三角布置的“倒山形”緊湊型塔?？紤]到受力清晰及構(gòu)造簡潔等因素，復(fù)合材料桿塔按照垂直布置的鼓型(或傘形)塔考慮，即塔身采用鋼材結(jié)構(gòu)，橫擔(dān)采用復(fù)合材料，導(dǎo)線垂直排列布置于塔身兩側(cè)。

1.2 電氣間隙

GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》給出的500 kV常規(guī)鐵塔間隙配置要求見表2。

表2 500 kV常規(guī)鐵塔間隙配置

復(fù)合橫擔(dān)由于材料電氣性能與鋼制材料存在差異，故電氣間隙需在常規(guī)配置的基礎(chǔ)上結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行修正。試驗(yàn)設(shè)置如圖1所示，考慮干燥和淋雨兩種試品狀態(tài)以及250 μs和1000 μs兩種波前時間的沖擊電壓波形，得到表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)。采用標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓的50%放電電壓與間隙距離經(jīng)驗(yàn)公式對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

表3 橫擔(dān)間隙50%操作沖擊電壓試驗(yàn)結(jié)果

圖1 復(fù)合橫擔(dān)塔頭間隙試驗(yàn)試品

U50=3400K/(1+8/d)

(1)

式中：K為間隙系數(shù)；d為間隙距離，m；U50為50%放電電壓，kV。

500 kV交流輸電系統(tǒng)2%最大操作過電壓水平取2.0 pu；500 kV設(shè)備海拔1000 m及以下地區(qū)，考慮3%的慣用偏差以及10%的安全裕度，雷電沖擊50%放電電壓要求值為1909 kV，可得500 kV復(fù)合橫擔(dān)桿塔間隙配置推薦值如表4所示。

表4 500 kV復(fù)合橫擔(dān)桿塔間隙配置推薦值 單位：m

1.3 懸垂金具

采用復(fù)合橫擔(dān)時，導(dǎo)線與橫擔(dān)間有兩種連接方式：采用懸垂絕緣子和不采用懸垂絕緣子，具體布置分別如圖2、圖3所示。對于非常規(guī)的不采用懸垂絕緣子，是利用了復(fù)合材料的絕緣性，消除塔頭風(fēng)偏從而減小塔頭尺寸。

圖2 采用懸垂串

圖3 不采用懸垂串

對采用懸垂絕緣子和不采用懸垂絕緣子兩種方案進(jìn)行電場有限元計算，仿真結(jié)果如圖4所示，具體數(shù)據(jù)見表5。

(a)采用懸垂串電位分布 (b)不采用懸垂串電位分布圖4 復(fù)合橫擔(dān)電位分布

表5 復(fù)合橫擔(dān)電壓分布

可以看出，復(fù)合橫擔(dān)加裝懸垂串絕緣子電壓分布不均勻，絕緣子承受電壓很高，橫擔(dān)承受電壓較低，易發(fā)生閃絡(luò)；復(fù)合橫擔(dān)取消絕緣子，增大橫擔(dān)長度，并加裝均壓屏蔽環(huán)后，其電位分布優(yōu)于500 kV線路加裝絕緣子的電位分布。

2 塔頭設(shè)計

復(fù)合橫擔(dān)桿塔的塔頭設(shè)計，主要考慮利用橫擔(dān)的絕緣性能優(yōu)化相對地及相間間隙、不均勻冰電磁環(huán)境等方面，使塔頭更為緊湊。

根據(jù)以往復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，復(fù)合橫擔(dān)有水平布置和斜向布置兩種方式。復(fù)合橫擔(dān)斜向布置時，應(yīng)避免風(fēng)偏時導(dǎo)線及金具與復(fù)合橫擔(dān)碰撞。絕緣子串搖擺角按式(2)計算。

(2)

式中：PJ為懸垂絕緣子串風(fēng)壓，N；GJ為懸垂絕緣子串垂直荷載，N；P為各工況下的導(dǎo)線風(fēng)荷載，N/m；WL為導(dǎo)線單位自重，N/m；lh為桿塔水平檔距，m；lv為桿塔折算到實(shí)際工況下的垂直檔距，m；α為高差系數(shù)；T為各工況下導(dǎo)線的張力，N；θ為桿塔轉(zhuǎn)角角度。

在考慮絕緣間隙時，需考慮塔身出口處導(dǎo)線弧垂對間隙的影響。小弧垂的計算方法如式(3)所示。

(3)

式中：γ為導(dǎo)線比載，N/m·mm2；σ為導(dǎo)線應(yīng)力，N/mm2；b為橫擔(dān)半寬，m；l為檔距，m；Δf為小弧垂，m。

計算得到帶電部分與桿塔接地構(gòu)件的最小間隙見表6，依據(jù)此得到復(fù)合桿塔塔頭尺寸見圖5。

圖5 塔頭尺寸

表6 繪制間隙圓的參數(shù)

3 桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 整體結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料存在抵抗彈性形變能力差和抗壓不穩(wěn)定的缺陷，國內(nèi)復(fù)合材料加工技術(shù)暫時無法生產(chǎn)各種尺寸構(gòu)件，難以滿足“格構(gòu)式”桿塔所有構(gòu)件的強(qiáng)度需求。故在使用復(fù)合材料時應(yīng)避開承擔(dān)形變力大的部分，減少多件復(fù)合材料的連接；同時充分發(fā)揮復(fù)合材料的良好絕緣性能，在塔頭及橫擔(dān)部分使用復(fù)合材料?；谏鲜鲈瓌t，500 kV同塔雙回復(fù)合桿塔中對絕緣性要求高、尺寸較小、連接較少的橫擔(dān)部分采用復(fù)合材料，桿塔主體塔身仍采用鋼材，在有效保證桿塔的絕緣性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下有效減少鋼材耗量。

3.2 橫擔(dān)設(shè)計

采用復(fù)合材料制作的橫擔(dān)通常有“懸臂單桿”和“拉壓雙桿”兩種結(jié)構(gòu)形式?！皯冶蹎螚U”式橫擔(dān)結(jié)構(gòu)形式見圖6，其結(jié)構(gòu)簡單安裝方便，但依靠復(fù)合材料自身的抗彎能力來傳遞荷載，變形較大。

圖6 懸臂單桿復(fù)合材料橫擔(dān)

“拉壓雙桿”式橫擔(dān)結(jié)構(gòu)形式見圖7，其支柱絕緣子和復(fù)合絕緣子均以軸向受力為主，受力和變形較小。對于500 kV復(fù)合材料塔，鐵塔荷載較大、橫擔(dān)長度較長，采用懸臂單桿柱絕緣子將承受很大的彎矩，故采用拉壓雙桿式橫擔(dān)。

圖7 拉壓雙桿復(fù)合材料橫擔(dān)

主要構(gòu)件及規(guī)格信息見表7。

表7 構(gòu)件選材明細(xì)

3.3 結(jié)構(gòu)有限元分析

通過有限元軟件對GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的荷載進(jìn)行分析，可以得到各工況下復(fù)合材料橫擔(dān)桿件的軸力。各類型桿件的受拉及受壓的控制荷載和對應(yīng)控制工況詳見表8，每種工況結(jié)構(gòu)軸力圖見圖8—圖12。

表8 各類桿件受拉及受壓的控制荷載和對應(yīng)控制工況

上橫擔(dān)斜拉絕緣子的控制工況為最大覆冰氣象條件下右側(cè)地線斷裂、上橫擔(dān)右側(cè)導(dǎo)線斷線、其他導(dǎo)線未斷，其桿塔和復(fù)合絕緣子橫擔(dān)及塔身受力情況如圖8所示，其上橫擔(dān)斜拉絕緣子受拉力78.24 kN；中橫擔(dān)斜拉絕緣子的控制工況為最大覆冰氣象條件下右側(cè)地線斷裂、中橫擔(dān)右側(cè)導(dǎo)線斷線、其他導(dǎo)線未斷，其桿塔和復(fù)合絕緣子橫擔(dān)及塔身受力情況如圖9所示，其上橫擔(dān)斜拉絕緣子受拉力79.22 kN；下橫擔(dān)斜拉絕緣子的控制工況為最大覆冰氣象條件下右側(cè)地線斷裂、下橫擔(dān)右側(cè)導(dǎo)線斷線、其他導(dǎo)線未斷，其桿塔和復(fù)合絕緣子橫擔(dān)及塔身受力情況如圖10所示，其上橫擔(dān)斜拉絕緣子受拉力66.03 kN；圖11及圖12反映了橫擔(dān)絕緣子在控制工況4和5下承受壓力的情況，從而確定復(fù)合橫擔(dān)的尺寸及控制荷載情況。

圖8 控制工況1

圖9 控制工況2

圖10 控制工況3

圖11 控制工況4

圖12 控制工況5

4 經(jīng)濟(jì)性分析

以國家電網(wǎng)有限公司典型設(shè)計5E1-SZ1(呼高42 m)為例，由于采用復(fù)合材料橫擔(dān)，復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔的全高比傳統(tǒng)角鋼塔低8.3 m。根據(jù)上述分析，復(fù)合材料橫擔(dān)塔的懸垂串長為1.5 m，傳統(tǒng)角鋼塔的懸垂串長為5 m，為保證下橫擔(dān)導(dǎo)線對地距離相同，將38.5 m呼高復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔與傳統(tǒng)42 m呼高角鋼塔經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，兩個塔的結(jié)構(gòu)布置及尺寸見圖13。

圖13 同等使用條件下角鋼塔與復(fù)合桿塔尺寸

復(fù)合橫擔(dān)按照每噸3萬元計算費(fèi)用，對相同電壓等級、相同使用氣象條件下的復(fù)合桿塔與傳統(tǒng)全鋼制角鋼塔的建造費(fèi)用進(jìn)行分析，其結(jié)果見表9。

表9 復(fù)合桿塔與傳統(tǒng)全鋼制角鋼塔經(jīng)濟(jì)性

從表9及圖14可知，當(dāng)呼高為42 m時，角鋼塔方案塔質(zhì)量約為36.62 t。而對于相同規(guī)劃條件下的500 kV復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔，呼高為38.5 m，塔質(zhì)量(包含復(fù)合材料橫擔(dān))約為27.44 t，降低約25%。復(fù)合橫擔(dān)按照每噸3萬元計算時,與傳統(tǒng)角鋼塔相比，復(fù)合材料塔本體造價降低約9.6%。

圖14 復(fù)合桿塔與傳統(tǒng)全鋼制角鋼塔經(jīng)濟(jì)性比較

經(jīng)過測算，當(dāng)復(fù)合材料橫擔(dān)價格達(dá)到4.5萬元/t時，復(fù)合材料塔的本體造價與角鋼塔基本持平。若復(fù)合材料橫擔(dān)價格高于4.5萬元/t時，復(fù)合材料塔的本體造價高于角鋼塔。

5 結(jié) 論

以500 kV通用設(shè)計5E1模塊SZ1型直線塔為基礎(chǔ)進(jìn)行復(fù)合桿塔電氣和結(jié)構(gòu)方案研究和仿真計算，得到如下結(jié)論：

1)推薦的塔頭尺寸導(dǎo)線水平距離由相對地間隙圓控制，而導(dǎo)線層間距由相間間隙控制。復(fù)合材料橫擔(dān)與垂直方向夾角為65°，導(dǎo)線層間距為7 m，上、中、下橫擔(dān)等效長度分別為6.1 m、8.55 m和6.75 m，地線支架長度為8.55 m，導(dǎo)地線掛點(diǎn)間距為4 m。

2)500 kV同塔雙回復(fù)合桿塔，其對絕緣性要求高、尺寸較小、連接較少的橫擔(dān)部分采用復(fù)合材料，其桿塔主體塔身仍采用鋼材，從而保證桿塔絕緣性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，有效減少了鋼材耗量。

3)在新型復(fù)合材料單價為3萬元/t時，相同規(guī)劃條件下的500 kV復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔相比呼高為42 m的角鋼塔方案，成本降低約25%。

4)當(dāng)復(fù)合材料橫擔(dān)價格高于4.5萬元/t時，復(fù)合材料塔本體造價將高于角鋼塔方案，若不考慮通道清理的因素，不建議采用復(fù)合材料塔。在實(shí)際工程中應(yīng)用復(fù)合材料塔時，應(yīng)充分考慮復(fù)合材料橫擔(dān)的市場價格。