計及經濟性的復合桿塔設計方法

李佳慧

(廣州電力設計院有限公司，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，所有結構件都由鋼材制作。隨著特高壓骨干網絡、區域直流互聯的建設，需要樹立更多桿塔，若仍然采用傳統全鋼材料的電力桿塔，原料開采將帶來難以逆轉的生態破壞及不可再生資源的消耗；此外鋼材存在質量重、易銹蝕、不便施工運輸等問題[1]。隨著復合材料技術及其制造工藝的發展，對采用重量輕、強度大、耐腐蝕、耐高低溫、絕緣性能好的復合材料的復合桿塔進行研究具有重要意義[2]。

國內外都已開展了復合桿塔的研究。在復合材料方面：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]。在復合桿塔方面：中電武漢鐵塔公司運用有限元分析方法建立了復合材料橫擔仿真模型,分析各種典型工況的應力和位移,明確最危險工況為斷線工況[5]；山東大學研究了桿塔的復合接地材料接地特性，基于CDEGS仿真平臺搭建模型，總結出沖擊下復合接地材料接地體散流特性[6]；國網鄭州供電公司采用ATP-EMTP仿真平臺對比了復合桿塔和純鋼塔的防雷性能，發現復合桿塔具有更優的耐雷能力[7]；南瑞集團研究了復合桿塔接地引下線空氣間隙，依據沖擊過電壓放電試驗繪制間隙與放電電壓特性曲線確認最優空氣間隙值[8]。

下面基于現有國內外復合桿塔研究成果，系統地提出一種500 kV雙回路桿塔設計方案，對涉及的塔頭尺寸、絕緣配置、荷載校驗及經濟性關鍵技術進行研究。

1 絕緣配合

1.1 設計輸入條件

以國家電網有限公司500 kV通用5E1模塊典型設計為基礎，使用氣象條件為風速27 m/s、覆冰10 mm，其他基本技術條件見表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。考慮到受力清晰及構造簡潔等因素，復合材料桿塔按照垂直布置的鼓型(或傘形)塔考慮，即塔身采用鋼材結構，橫擔采用復合材料，導線垂直排列布置于塔身兩側。

1.2 電氣間隙

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

表2 500 kV常規鐵塔間隙配置

復合橫擔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配置的基礎上結合試驗進行修正。試驗設置如圖1所示，考慮干燥和淋雨兩種試品狀態以及250 μs和1000 μs兩種波前時間的沖擊電壓波形，得到表3試驗數據。采用標準操作沖擊電壓的50%放電電壓與間隙距離經驗公式對數據進行擬合。

表3 橫擔間隙50%操作沖擊電壓試驗結果

圖1 復合橫擔塔頭間隙試驗試品

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

(1)

式中：K為間隙系數；d為間隙距離，m；U50為50%放電電壓，kV。

500 kV交流輸電系統2%最大操作過電壓水平取2.0 pu；500 kV設備海拔1000 m及以下地區，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復合橫擔桿塔間隙配置推薦值如表4所示。

表4 500 kV復合橫擔桿塔間隙配置推薦值 單位：m

1.3 懸垂金具

采用復合橫擔時，導線與橫擔間有兩種連接方式：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。對于非常規的不采用懸垂絕緣子，是利用了復合材料的絕緣性，消除塔頭風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行電場有限元計算，仿真結果如圖4所示，具體數據見表5。

(a)采用懸垂串電位分布 (b)不采用懸垂串電位分布圖4 復合橫擔電位分布

表5 復合橫擔電壓分布

可以看出，復合橫擔加裝懸垂串絕緣子電壓分布不均勻，絕緣子承受電壓很高，橫擔承受電壓較低，易發生閃絡；復合橫擔取消絕緣子，增大橫擔長度，并加裝均壓屏蔽環后，其電位分布優于500 kV線路加裝絕緣子的電位分布。

2 塔頭設計

復合橫擔桿塔的塔頭設計，主要考慮利用橫擔的絕緣性能優化相對地及相間間隙、不均勻冰電磁環境等方面，使塔頭更為緊湊。

根據以往復合材料橫擔桿塔設計經驗，復合橫擔有水平布置和斜向布置兩種方式。復合橫擔斜向布置時，應避免風偏時導線及金具與復合橫擔碰撞。絕緣子串搖擺角按式(2)計算。

(2)

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

在考慮絕緣間隙時，需考慮塔身出口處導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為導線比載，N/m·mm2；σ為導線應力，N/mm2；b為橫擔半寬，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件的最小間隙見表6，依據此得到復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

3 桿塔結構設計

3.1 整體結構

復合材料存在抵抗彈性形變能力差和抗壓不穩定的缺陷，國內復合材料加工技術暫時無法生產各種尺寸構件，難以滿足“格構式”桿塔所有構件的強度需求。故在使用復合材料時應避開承擔形變力大的部分，減少多件復合材料的連接；同時充分發揮復合材料的良好絕緣性能，在塔頭及橫擔部分使用復合材料。基于上述原則，500 kV同塔雙回復合桿塔中對絕緣性要求高、尺寸較小、連接較少的橫擔部分采用復合材料，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構強度的前提下有效減少鋼材耗量。

3.2 橫擔設計

采用復合材料制作的橫擔通常有“懸臂單桿”和“拉壓雙桿”兩種結構形式。“懸臂單桿”式橫擔結構形式見圖6，其結構簡單安裝方便，但依靠復合材料自身的抗彎能力來傳遞荷載，變形較大。

圖6 懸臂單桿復合材料橫擔

“拉壓雙桿”式橫擔結構形式見圖7，其支柱絕緣子和復合絕緣子均以軸向受力為主，受力和變形較小。對于500 kV復合材料塔，鐵塔荷載較大、橫擔長度較長，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。

圖7 拉壓雙桿復合材料橫擔

主要構件及規格信息見表7。

表7 構件選材明細

3.3 結構有限元分析

通過有限元軟件對GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》規定的荷載進行分析，可以得到各工況下復合材料橫擔桿件的軸力。各類型桿件的受拉及受壓的控制荷載和對應控制工況詳見表8，每種工況結構軸力圖見圖8—圖12。

表8 各類桿件受拉及受壓的控制荷載和對應控制工況

上橫擔斜拉絕緣子的控制工況為最大覆冰氣象條件下右側地線斷裂、上橫擔右側導線斷線、其他導線未斷，其桿塔和復合絕緣子橫擔及塔身受力情況如圖8所示，其上橫擔斜拉絕緣子受拉力78.24 kN；中橫擔斜拉絕緣子的控制工況為最大覆冰氣象條件下右側地線斷裂、中橫擔右側導線斷線、其他導線未斷，其桿塔和復合絕緣子橫擔及塔身受力情況如圖9所示，其上橫擔斜拉絕緣子受拉力79.22 kN；下橫擔斜拉絕緣子的控制工況為最大覆冰氣象條件下右側地線斷裂、下橫擔右側導線斷線、其他導線未斷，其桿塔和復合絕緣子橫擔及塔身受力情況如圖10所示，其上橫擔斜拉絕緣子受拉力66.03 kN；圖11及圖12反映了橫擔絕緣子在控制工況4和5下承受壓力的情況，從而確定復合橫擔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 經濟性分析

以國家電網有限公司典型設計5E1-SZ1(呼高42 m)為例，由于采用復合材料橫擔，復合材料橫擔桿塔的全高比傳統角鋼塔低8.3 m。根據上述分析，復合材料橫擔塔的懸垂串長為1.5 m，傳統角鋼塔的懸垂串長為5 m，為保證下橫擔導線對地距離相同，將38.5 m呼高復合材料橫擔桿塔與傳統42 m呼高角鋼塔經濟性進行比較，兩個塔的結構布置及尺寸見圖13。

圖13 同等使用條件下角鋼塔與復合桿塔尺寸

復合橫擔按照每噸3萬元計算費用，對相同電壓等級、相同使用氣象條件下的復合桿塔與傳統全鋼制角鋼塔的建造費用進行分析，其結果見表9。

表9 復合桿塔與傳統全鋼制角鋼塔經濟性

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

圖14 復合桿塔與傳統全鋼制角鋼塔經濟性比較

經過測算，當復合材料橫擔價格達到4.5萬元/t時，復合材料塔的本體造價與角鋼塔基本持平。若復合材料橫擔價格高于4.5萬元/t時，復合材料塔的本體造價高于角鋼塔。

5 結 論

以500 kV通用設計5E1模塊SZ1型直線塔為基礎進行復合桿塔電氣和結構方案研究和仿真計算，得到如下結論：

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

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

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

4)當復合材料橫擔價格高于4.5萬元/t時，復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，不建議采用復合材料塔。在實際工程中應用復合材料塔時，應充分考慮復合材料橫擔的市場價格。