一種輕便型應(yīng)急復(fù)合搶修塔的研制

張吉波 羅 偉

（國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司張掖供電公司，甘肅 張掖 734000）

1 概述

針對(duì)摘要中提到的問(wèn)題，本文著重論述了一種立柱式的輕便型應(yīng)急復(fù)合搶修塔，其具有重量輕、強(qiáng)度高、易運(yùn)輸、易組立等特性，相比傳統(tǒng)的格構(gòu)式搶修塔（鋁合金或復(fù)合材料制作），其塔架受力更合理，重量更輕、組裝也更便捷，特別適用于輸電線路的搶修，尤其是在地質(zhì)情況惡劣的山地、林區(qū)、高原等地，其優(yōu)勢(shì)更加明顯，對(duì)于推進(jìn)中國(guó)輸電線路快速搶修技術(shù)的進(jìn)步具有重要意義。

輕便型應(yīng)急復(fù)合搶修塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎、成型材料先進(jìn)、制造工藝獨(dú)特。塔身主桿采用高強(qiáng)度的碳纖維材料經(jīng)內(nèi)發(fā)泡模壓工藝制成，模塊化分段式結(jié)構(gòu)，每段長(zhǎng)度約為4米，重量小于80kg，端頭設(shè)置有輕質(zhì)高強(qiáng)的連接法蘭，能夠?qū)崿F(xiàn)桿段的快速組裝。通過(guò)對(duì)主桿的搭配重組，可組裝成不同高度和不同型式的應(yīng)急搶修塔，廣泛適用于35-220kV電壓等級(jí)的輸電線路臨時(shí)搶修，能夠有效提高線路應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的快速恢復(fù)能力。該搶修塔還配置有專用的復(fù)合絕緣橫擔(dān)，搶修架線時(shí)無(wú)需使用懸垂絕緣子，導(dǎo)線可直接掛在橫擔(dān)端頭的線夾金具內(nèi)，不但能夠大幅提高線路搶修效率，而且還能夠提高導(dǎo)線的對(duì)地的安全距離，安全性更高。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 設(shè)計(jì)方案研究

2.1.1 設(shè)計(jì)條件

根據(jù)電網(wǎng)架空輸電線路的運(yùn)行實(shí)際需求，按照表1的條件參數(shù)設(shè)計(jì)的搶修塔，能滿足絕大多數(shù)情況的搶修使用要求，該塔主要由地線橫梁、拉桿、橫擔(dān)、拉線、主桿、橫撐及底盤等組成。拉線為雙層內(nèi)八布置，同方向拉線共用一個(gè)拉盤,本次設(shè)計(jì)的搶修塔，適用于35-220kV輸電線路倒塔事故時(shí)快速搶修用。

表1

2.1.2 設(shè)計(jì)工況

根據(jù)荷載作用性質(zhì)的不同，桿塔所受荷載可分為三部分（如圖1所示）：①水平荷載:即沿橫擔(dān)方向作用于搶修塔結(jié)構(gòu)的荷載；②縱向荷載:即垂直于搶修塔橫擔(dān)方向作用于塔結(jié)構(gòu)的荷載;③垂直荷載:即沿著鉛垂方向作用于搶修塔結(jié)構(gòu)的荷載。

圖1 掛線及荷載示意圖

按照《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T 5154-2012），對(duì)不同工況條件下?lián)屝匏妮d荷狀況進(jìn)行計(jì)算，共設(shè)計(jì)18種工況條件，如表2所示。

表2 載荷工況設(shè)計(jì)

2.1.3 仿真分析驗(yàn)證

首先使用UG軟件對(duì)輕便型應(yīng)急復(fù)合搶修塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后按照以上18種工況，使用有限元分析軟件SAP2O00對(duì)搶修塔結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行分析,考查輕便型應(yīng)急復(fù)合搶修塔結(jié)構(gòu)在各工況下桿件的內(nèi)力、撓度等受力特性，根據(jù)受力結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)以此為基礎(chǔ)對(duì)復(fù)合材料性能及配方進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1.3.1 模態(tài)分析。前三階模態(tài)振型分別表現(xiàn)為縱向、扭轉(zhuǎn)和橫向，充分說(shuō)明桿塔縱向剛度最弱，其次為抗扭剛度，最后為橫向剛度。分析結(jié)果符合拉線塔特性。（圖2）

圖2 模態(tài)分析結(jié)果

2.1.3.2 變形分析。大風(fēng)工況：45度大風(fēng)控制，分析得出桿頂最大撓度及邊相地線和邊相導(dǎo)線掛點(diǎn)處最大位移。（圖3）

圖3 45度大風(fēng)分析結(jié)果

覆冰工況：分析得出桿頂最大撓度和邊相地線和邊相導(dǎo)線掛點(diǎn)處最大位移為。（圖4）

圖4 覆冰分析結(jié)果

起吊工況：起吊導(dǎo)線1控制，分析得出桿頂最大撓度和邊相地線和邊相導(dǎo)線掛點(diǎn)處最大位移。（圖5）

圖5 起吊分析結(jié)果

錨線工況：錨導(dǎo)線3控制，分析得出桿頂最大撓度,邊相地線和邊相導(dǎo)線掛點(diǎn)處最大位移。（圖6）

圖6 錨線分析結(jié)果

不均勻覆冰工況：最大彎控制，最大扭不起控制，分析得出桿頂最大撓度和邊相地線、邊相導(dǎo)線掛點(diǎn)處最大位移。（圖7）

圖7 不均勻覆冰分析結(jié)果

長(zhǎng)期荷載：分析得出桿頂最大撓度和邊相地線、邊相導(dǎo)線掛點(diǎn)處最大位移，主要為垂直位移。（圖8）

圖8 長(zhǎng)期荷載分析結(jié)果

2.1.3.3 內(nèi)力分析。主桿：最大壓力180kN，扭矩M=6.0 kN.m,彎矩Mx=50kN.m，彎矩My=10kN.m,最大應(yīng)力80Mpa，最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)不均勻覆冰工況。（圖9）

圖9 主桿分析結(jié)果（左：最大彎，右：最大扭）

主桿橫撐：主桿橫撐受最大軸力N=12.0 kN,彎矩Mx=4.7 kN.m,彎矩My=6.1 kN.m,最大應(yīng)力40Mpa，對(duì)應(yīng)安裝工況。（圖10）

圖10 橫撐分析結(jié)果

地線掛線梁：受彎構(gòu)件,彎矩Mx=10kN.m,彎矩My=30kN.m,最大應(yīng)力90Mpa，對(duì)應(yīng)安裝工況，由于位于掛線梁根部，有應(yīng)力集中現(xiàn)象，需手工計(jì)算復(fù)核。（圖11）

圖11 地線掛梁分析結(jié)果

地線架橫撐：地線橫梁受最大軸力N=4.0 kN,彎矩Mx=7.5 kN.m,彎矩My=10.6 kN.m,最大應(yīng)力65Mpa，對(duì)應(yīng)安裝工況。（圖12）

圖12 地線架橫撐分析結(jié)果

橫擔(dān)：最大軸力25kN,彎矩Mx=30kN.m,彎矩My=32kN.m，最大應(yīng)力85Mpa，最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)不均勻覆冰工況。（圖13）

圖13 橫擔(dān)分析結(jié)果

2.2 主桿結(jié)構(gòu)及成型工藝的研究

2.2.1 主桿結(jié)構(gòu)

圓管狀的復(fù)合材料主桿，兩端頭通過(guò)螺紋緊固加膠接的方式固定有輕質(zhì)的鋁合金法蘭。其中，復(fù)合材料主桿由碳纖維復(fù)合材料包裹著閉孔型發(fā)泡材料經(jīng)內(nèi)發(fā)泡模壓工藝成型，閉孔型發(fā)泡材料膨脹后成團(tuán)狀分布在復(fù)合材料主桿圓周方向的環(huán)形夾層內(nèi)，并在夾層內(nèi)通過(guò)發(fā)泡擠壓作用成型出數(shù)道加強(qiáng)筋，用以增強(qiáng)主桿抗彎強(qiáng)度。復(fù)合材料主桿外表覆蓋有耐候涂層，有效防止搶修塔主桿紫外老化，保證產(chǎn)品使用壽命。桿體結(jié)構(gòu)如圖14。

圖14 主桿結(jié)構(gòu)

2.2.2 主桿成型工藝研究

根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果所掌握的樹(shù)脂、增強(qiáng)纖維對(duì)搶修塔性能的影響情況，通過(guò)擠拉成型、纏繞成型、內(nèi)發(fā)泡模壓成型三種不同的制備工藝，制備長(zhǎng)度為4米的復(fù)合材料搶修塔桿標(biāo)準(zhǔn)試樣，分別測(cè)試復(fù)材管的力學(xué)性能（包括抗拉強(qiáng)度、抗拉模量、拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、壓縮強(qiáng)度、壓縮模量、剪切強(qiáng)度和剪切模量等）、抗老化、耐候性等性能，全面掌握各種配方、各種工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品性能的綜合影響情況。

根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，本項(xiàng)目確定采用內(nèi)發(fā)泡模壓成型工藝進(jìn)行主桿的制作，以取得更高性能的產(chǎn)品。

2.2.3 主桿配方研究

以環(huán)氧樹(shù)脂為基體材料，選用玻璃纖維或者其他高性能纖維材料作為增強(qiáng)材料制備復(fù)合材料主桿。采用不同技術(shù)方案對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行改性，以改善其力學(xué)、耐老化、耐候性等；另外，開(kāi)發(fā)中溫樹(shù)脂固化體系，在保證性能滿足要求的前提下，適當(dāng)降低固化溫度，從而在一定程度上降低制造成本。

同時(shí)還著重研究不同種類的碳纖維-玻璃纖維混雜纖維或者其他高性能纖維材料以及纖維配比、纖維取向布置等因素對(duì)復(fù)合材料性能的影響，優(yōu)化復(fù)合材料配方。

2.3 復(fù)合絕緣橫擔(dān)的研究

采用環(huán)氧樹(shù)脂引拔棒為橫擔(dān)芯體，表面通過(guò)注射工藝成型有間歇性硅橡膠傘裙護(hù)套，在保證產(chǎn)品電氣性能及使用壽命的同時(shí)，還能夠有效解決硅橡膠傘裙在施工過(guò)程中踩踏易損壞的問(wèn)題。

2.4 連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

連接結(jié)構(gòu)是輕便型應(yīng)急復(fù)合搶修塔應(yīng)用的關(guān)鍵，連接結(jié)構(gòu)不但要有較高的強(qiáng)度，而且還必須拆卸方便，滿足搶修的基本要求。對(duì)于管型截面復(fù)合材料構(gòu)件的連接，一種是外加法蘭連接，另一種是套筒連接，二者都需采用緊固連接的方式與復(fù)合管材連接，通過(guò)有限元分析結(jié)果，對(duì)復(fù)合管材節(jié)點(diǎn)連接展開(kāi)試驗(yàn)研究，主要包括節(jié)點(diǎn)受力的理論計(jì)算方法和膠結(jié)成型工藝。

2.5 試驗(yàn)場(chǎng)地布置方案

設(shè)置反力結(jié)構(gòu)，依次按照實(shí)際使用的18種工況條件，對(duì)輕便型應(yīng)急復(fù)合搶修塔的水平及垂直受力情況進(jìn)行真型試驗(yàn)。（圖15）

圖15 試驗(yàn)場(chǎng)地布置圖

3 結(jié)論

本文論述的輕便型應(yīng)急復(fù)合搶修塔具有重量輕、易運(yùn)輸、組裝方便、立塔快捷等特點(diǎn)，可使用倒落式抱桿進(jìn)行人工立塔，特別適用于地質(zhì)情況惡劣的山地、林區(qū)、高原等地輸電線路的臨時(shí)搶修。該項(xiàng)成果推廣后，將會(huì)引領(lǐng)新一輪輸電線路搶修領(lǐng)域的技術(shù)革新，以其突出的實(shí)用效果大幅改善電網(wǎng)公司供電質(zhì)量，保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展。