新型輸電桿塔的設(shè)計(jì)研究

張恩銘，龔 靖，曹 帥

(東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林吉林132012)

輸電線路是將輸電導(dǎo)線用絕緣子固定在直立地面的桿塔上，以傳輸電能的線路。輸電桿塔作為最重要的線路承載結(jié)構(gòu)，因?yàn)殚L期暴露于野外，面對強(qiáng)風(fēng)，覆冰以及腐蝕老化，容易出現(xiàn)諸多隱患。所以，桿塔本身的材料和結(jié)構(gòu)直接影響到整個(gè)線路的輸電性能，同時(shí)也涉及到電力行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)營成本。傳統(tǒng)桿塔如木質(zhì)桿塔易腐蝕，混凝土桿塔自重高，安裝較困難，開裂現(xiàn)象較嚴(yán)重，使用壽命短等缺點(diǎn)。

隨著復(fù)合材料的技術(shù)日益成熟，一種具有高強(qiáng)度纖維材料復(fù)合樹脂基(FRP)已經(jīng)在輸油管道、混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)等多方面應(yīng)用。由于材料本身輕質(zhì)高強(qiáng)、密度不及碳素鋼的四分之一，拉伸強(qiáng)度堪比高級合金鋼。某些FRP的拉伸、彎曲和壓縮強(qiáng)度均能達(dá)到400MPa以上。同時(shí)因?yàn)槠淠透g，適應(yīng)各種酸、堿性大氣氣候、電氣性能好、絕緣程度高等優(yōu)點(diǎn)，比較適合作輸電桿塔。本文將從有機(jī)材料特點(diǎn)、桿塔結(jié)構(gòu)模型、運(yùn)行檔距調(diào)整和經(jīng)濟(jì)效益研究四方面對FRP輸電桿進(jìn)行綜合分析。

1 有機(jī)材料

復(fù)合化學(xué)材料組成被分為兩種，有機(jī)材料和無機(jī)材料。無機(jī)復(fù)合材料是從礦物中提取而有機(jī)復(fù)合材料是從有機(jī)體中提取的。汽油和煤儲藏了大量的有機(jī)化合物。有機(jī)分子包含了很多小原子，這些小原子又因排列不同而組成更為復(fù)雜的分子。其中在有機(jī)化合物中的一個(gè)重要問題是找出分子中的原子是如何排列的，進(jìn)而確定復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。

我們可以用許多方法打破復(fù)合材料中的分子，或者使它們重新排列，成為新的分子，也有許多方法將一些原子加入這些分子里面，或者使新的原子和老的原子相組合。復(fù)合材料是將高強(qiáng)度的材料嵌入到強(qiáng)度差一些的材料里加工而成，通常是給有機(jī)材料增加一些強(qiáng)度和剛度以幫助支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)架、分子矩陣陣列、或用樹脂修補(bǔ)因加固而產(chǎn)生的空隙，也可增加粘結(jié)性以平衡相互作用，同時(shí)也可以防止環(huán)境降解，進(jìn)而提供特定的形狀結(jié)構(gòu)。

隨著這些材料的使用量的增加，纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料(FRP)應(yīng)用將更加廣泛。盡管這種增強(qiáng)型復(fù)合材料已經(jīng)成功的在主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件中進(jìn)行應(yīng)用，但是因其使用還是屬于初級階段，缺乏具體的設(shè)計(jì)規(guī)范和必要的信息。纖維增強(qiáng)復(fù)合桿(FRP)常用于構(gòu)件中作為結(jié)構(gòu)支撐骨架，它是由典型的聚酯和玻璃纖維增強(qiáng)物加固復(fù)合而成，因?yàn)闊峁绦筒牧弦姿樗员仨氂貌ＡЮw維給予結(jié)構(gòu)強(qiáng)度加固。玻璃纖維可以減少收縮性，增加韌性，改善耐磨性，給予了尺寸穩(wěn)定性等性能。

FRP具體是由兩種材料組合而成，即聚酯纖維和玻璃纖維。FRP復(fù)合物擁有了優(yōu)越的屬性但并不能進(jìn)行單獨(dú)分離使用。玻璃纖維的加固效果要遠(yuǎn)高于聚酯纖維，構(gòu)成了承載外力的主要元素。盡管鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架已經(jīng)有上述的優(yōu)點(diǎn)，但是FRP仍然是現(xiàn)在最好的材料。

2 電桿結(jié)構(gòu)模型

FRP材料最大的缺點(diǎn)是彈性模量低，它的彈性模量比木材大兩倍，但僅是鋼的十分之一，因此在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中常感到剛性不足，相對容易變形。其可以做成薄殼結(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)，也可通過高模量纖維或者做加強(qiáng)筋等形式來彌補(bǔ)。

2.1 電桿的加強(qiáng)筋模型

為了提高電桿的剛度，使得其不易變形，如圖1所示了兩種不同截面加筋方式的實(shí)體結(jié)構(gòu)，(a)為星型加強(qiáng)筋，(b)為三角形加強(qiáng)筋。

2.2 電桿的結(jié)構(gòu)

由于FRP的自身剛度限制，又因?yàn)镕RP材料本身為一種復(fù)合材料，具有一定的脆性，所以不能像鐵塔一樣制成空間桁架架構(gòu)。因此，對FRP電桿的研究應(yīng)主要集中在低電壓輸電電桿方面，圖2與圖3是“上”字型的輸電桿的結(jié)構(gòu)模型。

圖1 兩種類型加強(qiáng)筋電桿模型

由圖3可以清楚地看到，由于FRP桿塔本身優(yōu)良的電氣性能，絕緣度好，所以可以減少甚至省略掉絕緣子串，只需要茶臺式絕緣子連接導(dǎo)線即可。這樣又大大的減少了輸電桿的荷載并降低了電桿的高度。由于桿塔本身絕緣，桿塔本身需要設(shè)計(jì)成中間空心，將地線順著桿塔內(nèi)部牽到大地。

2.3 新型結(jié)構(gòu)

因?yàn)檫@種新型材質(zhì)的桿本身剛度稍差，為了提高該桿的電壓等級，在內(nèi)部加筋的同時(shí)，保證一定電氣距離降低橫擔(dān)長度對桿塔高度的比，亦縮短橫擔(dān)的長度。圖4為FRP桿塔的專用設(shè)計(jì)，橫擔(dān)比同電壓等級的“上”字型電桿縮短至1300 mm，這樣不僅提高了整體的穩(wěn)定性也有利于降低線路走廊的占用。

圖5是節(jié)點(diǎn)連接模型，利用弧形模塊，將橫擔(dān)與電桿用以螺栓進(jìn)行三角形連接加固，再利用軟件進(jìn)行仿真分析，校驗(yàn)螺栓的加固位置。

3 桿塔允許的檔距和弧垂

本研究的目的是為復(fù)合材料進(jìn)行實(shí)用型架空輸電線路設(shè)計(jì)，該研究主要是選取最優(yōu)檔距。依據(jù)110 kV架空輸電線路標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程，研究包括以下幾個(gè)方面:

(1)弧垂和張力的計(jì)算從50 m到135 m不等。

(2)桿塔的加載情況是通過110 kV架空輸電線路規(guī)程為不同檔距進(jìn)行加載的計(jì)算。

(3)根據(jù)加載計(jì)算后的結(jié)果以確定桿塔的形狀。

(4)對選定的桿塔結(jié)果設(shè)計(jì)采用FRP材料。

(5)這項(xiàng)研究是基于使用ACSR mm2150/25導(dǎo)體和應(yīng)用的線路標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。最大的弧垂計(jì)算檔距是從50 m到135 m選取，而最小值在為不同檔距計(jì)算是通過對桿塔的尺寸計(jì)算和桿塔形狀的來設(shè)計(jì)來制定。表1總結(jié)了桿塔尺寸范圍從50 m～135 m的設(shè)計(jì)規(guī)格。

表1 桿塔尺寸范圍

圖6為模擬單位長度的FRP桿重，由圖可以看出在最少消耗FRP材料中有兩個(gè)檔距。這些檔距是從85 m到100 m?？紤]到其它建造項(xiàng)目的花費(fèi)，應(yīng)考慮檔距在100 m內(nèi)設(shè)計(jì)較為合適。

4 經(jīng)濟(jì)價(jià)值的比較

任何的新型材料在技術(shù)結(jié)構(gòu)上都可證明是可行的，但經(jīng)濟(jì)價(jià)值決定了它是否可以進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。FRP具有上述良好的性質(zhì)(絕緣好，抗拉強(qiáng)度高，無需任何的維護(hù)保養(yǎng))，但其建造成本卻超過于傳統(tǒng)的鋼材，如果從桿塔的使用壽命和維護(hù)成本上進(jìn)行整體考慮，F(xiàn)RP桿是比較適合的。

表2 經(jīng)濟(jì)效益對比表

如表2所指出的對不同材質(zhì)電桿的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析，F(xiàn)RP桿的使用壽命是傳統(tǒng)電桿的近3倍，后期維護(hù)費(fèi)用極低，綜合來看FRP桿的年均成本最低，經(jīng)濟(jì)效益相對較好。

5 結(jié) 語

FRP桿在美國已經(jīng)廣泛應(yīng)用，同時(shí)在日本，加拿大，和歐洲的部分國家已有研究。正是由于它輕質(zhì)高強(qiáng)，絕緣好，耐腐蝕，經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)使得其將來在電力行業(yè)會倍受青睞，特別是上述為FRP特制的結(jié)構(gòu)模型，可以大幅度的降低線路走廊的寬度，因而可以為整個(gè)輸電線路降低成本。FRP的發(fā)展迅速，在未來的一段時(shí)間內(nèi)，將有很大可能取代混凝土電桿，跨進(jìn)了城市周邊低電壓輸電的新時(shí)代。

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