孫濤，趙雪靈，高理迎，孫元章

(1. 武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢市 430072；2. 國(guó)家電網(wǎng)公司，北京市 100031；3. 西北電力設(shè)計(jì)院，西安市 710075)

特高壓直流線(xiàn)路復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)設(shè)計(jì)

孫濤1,2，趙雪靈3，高理迎2，孫元章1

(1. 武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢市 430072；2. 國(guó)家電網(wǎng)公司，北京市 100031；3. 西北電力設(shè)計(jì)院，西安市 710075)

結(jié)合目前國(guó)內(nèi)FRP復(fù)合材料桿塔的現(xiàn)狀，依托靈州—紹興±800 kV特高壓直流輸電線(xiàn)路工程，提出FRP復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)的受力機(jī)理、設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)塔線(xiàn)耦合模型進(jìn)行仿真分析。分析結(jié)果表明：FRP復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)通過(guò)在縱向不平衡張力作用下，發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，釋放縱向不平衡張力，減小了橫擔(dān)及塔身的受力，可有效減輕塔重和基礎(chǔ)混凝土用量，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

FRP復(fù)合材料；轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)；復(fù)合橫擔(dān)；塔線(xiàn)耦合

0 引 言

玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料(glass fiber reinforced plastic，F(xiàn)RP)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)復(fù)合材料)具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐疲勞、耐腐蝕、易加工、易維護(hù)和電絕緣性能優(yōu)異等特點(diǎn)，是建造輸電桿塔的理想材料之一[1-3]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者進(jìn)行了深入的復(fù)合材料性能和工程應(yīng)用研究[4-14]，我國(guó)已有多條復(fù)合材料桿塔線(xiàn)路掛網(wǎng)運(yùn)行，其中的代表工程有寧東—山東±660 kV直流輸電示范工程接地極線(xiàn)路格構(gòu)式復(fù)合材料塔和750 kV新疆與西北聯(lián)網(wǎng)第二通道工程復(fù)合橫擔(dān)塔。750 kV復(fù)合橫擔(dān)塔與常規(guī)角鋼塔相比，走廊寬度減少12 m，呼高降低8 m，單基塔材節(jié)約12 t，基礎(chǔ)混凝土節(jié)約12 m3，具有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)[4]。近年來(lái)，隨著我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，特高壓直流線(xiàn)路工程越來(lái)越多，如何將復(fù)合材料應(yīng)用于特高壓直流線(xiàn)路桿塔，成為桿塔材料研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

對(duì)于特高壓直流線(xiàn)路桿塔而言，其結(jié)構(gòu)尺寸、絕緣性能要求高，荷載和構(gòu)件受力均較大，尤其是在斷線(xiàn)或不均勻覆冰等工況作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的縱向不平衡張力，對(duì)于常規(guī)桿塔而言，均通過(guò)結(jié)構(gòu)承載力來(lái)“抵抗”該荷載，該縱向張力導(dǎo)致復(fù)合橫擔(dān)構(gòu)件受力較大，不利于復(fù)合橫擔(dān)的設(shè)計(jì)和構(gòu)造，因此如何“釋放”不平衡張力成為特高壓直流線(xiàn)路復(fù)合材料橫擔(dān)塔研究的重點(diǎn)。通過(guò)研究，本文提出了復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)的設(shè)計(jì)方案。

1 工作機(jī)理

復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)是由1個(gè)復(fù)合絕緣子和1個(gè)支柱絕緣子構(gòu)成的平面三角形結(jié)構(gòu)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)與塔身相連，該節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)前后轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1所示，在一般情況下，由支柱絕緣子傳遞壓力，復(fù)合絕緣子傳遞拉力。

圖1 復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)的構(gòu)成

當(dāng)前后側(cè)導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生縱向不平衡張力時(shí)，復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)繞轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始向張力大的一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)；在前后側(cè)導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)長(zhǎng)保持不變的情況下，張力大的一側(cè)檔距和張力變?。欢鴱埩π〉囊粋?cè)檔距和張力變大，直到前后側(cè)張力相等，達(dá)到新的平衡，轉(zhuǎn)動(dòng)停止；當(dāng)縱向不平衡張力消失時(shí)，組合絕緣子向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，即自動(dòng)恢復(fù)到轉(zhuǎn)動(dòng)前的狀態(tài)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)的工作機(jī)理就是“張力驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)釋放、導(dǎo)線(xiàn)約束”[5]。例如，當(dāng)發(fā)生不均勻覆冰時(shí)，復(fù)合橫擔(dān)前后側(cè)導(dǎo)線(xiàn)張力變化過(guò)程如圖2所示。

圖2 張力驅(qū)動(dòng)及平衡過(guò)程

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 依托工程及設(shè)計(jì)條件

本次設(shè)計(jì)依托靈州—紹興±800 kV特高壓直流輸電線(xiàn)路工程，主要設(shè)計(jì)條件如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)條件

2.2 絕緣配置

復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)是由絕緣材料構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了功能材料和結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一，但是目前尚未有復(fù)合橫擔(dān)絕緣配置的相關(guān)設(shè)計(jì)方法，在初步確定絕緣子長(zhǎng)度時(shí)，參考750 kV復(fù)合橫擔(dān)試驗(yàn)結(jié)果和以往±800 kV線(xiàn)路復(fù)合絕緣子試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)考慮復(fù)合絕緣子斜向放置的有利影響，復(fù)合材料的有效絕緣部分長(zhǎng)度應(yīng)不小于9 300 mm[5-6]。

2.3 上傾角度的確定

對(duì)于相同的絕緣長(zhǎng)度下，絕緣子上翹方案可減小極間距，壓縮走廊寬度。從理論上講，上翹角度以達(dá)到電氣間隙同時(shí)控制為最優(yōu)，但實(shí)際上，考慮懸垂串的風(fēng)偏后，掛線(xiàn)板不能與支柱絕緣子串相碰，否則易形成“短接”而縮短支柱絕緣子的絕緣長(zhǎng)度，因此，按風(fēng)偏后懸垂串，支柱絕緣子最大上傾角度為20°[5]。

3 結(jié)構(gòu)有限元仿真分析

3.1 有限元分析模型

由于復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)在縱向是1個(gè)機(jī)構(gòu)，不能進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，可采用塔線(xiàn)耦合模型后、結(jié)構(gòu)分析時(shí)引入導(dǎo)線(xiàn)的約束作用，復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)和導(dǎo)線(xiàn)形成1個(gè)具有強(qiáng)烈?guī)缀畏蔷€(xiàn)性的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算，其六塔七線(xiàn)耦合模型如圖3所示[7]。

圖3 六塔七線(xiàn)塔線(xiàn)耦合模型

3.2 荷載的施加

由于轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合橫擔(dān)塔在使用過(guò)程中受到各種風(fēng)荷載、覆冰以及斷線(xiàn)的影響，其中風(fēng)荷載是轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)塔在正常運(yùn)行中所承受的主要水平荷載，但是由于具有隨機(jī)荷載、脈動(dòng)的特性，難以準(zhǔn)確施加。研究表明，任意高度和時(shí)刻的風(fēng)速可表示為平均風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)速之和[7]，即：

(1)

根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)理論，脈動(dòng)風(fēng)的功率譜密度函數(shù)和相干函數(shù)是脈動(dòng)風(fēng)的兩大重要特性。功率譜密度函數(shù)反映了某一頻域上脈動(dòng)風(fēng)的能量分布，是脈動(dòng)風(fēng)最重要的統(tǒng)計(jì)特性之一。其中最具代表性的是Davenport風(fēng)速譜，該譜根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲得。將脈動(dòng)風(fēng)速譜取值為離地面不同高度實(shí)測(cè)值的平均值，并假定水平陣風(fēng)譜中的湍流積分尺度L不隨高度變化，即為常數(shù)1 200。

根據(jù)Davenport脈動(dòng)風(fēng)功率譜其可表達(dá)為

(2)

根據(jù)上述理論可以模擬出免橫擔(dān)組合絕緣子塔上各點(diǎn)的風(fēng)速時(shí)程，從而導(dǎo)出各層風(fēng)荷載，如圖4所示。

圖4 風(fēng)荷載時(shí)程曲線(xiàn)

3.3 模型的校驗(yàn)

由于轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合橫擔(dān)采用塔線(xiàn)耦合模型進(jìn)行有限元分析難度很大，對(duì)計(jì)算結(jié)果的合理性也難以判斷，為了保證模型的正確性和有效性，本文首先將復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)塔的轉(zhuǎn)動(dòng)鉸固定，即將模型變換為常規(guī)固定橫擔(dān)連續(xù)7檔的塔線(xiàn)耦合模型，對(duì)該模型施加荷載，將其計(jì)算導(dǎo)線(xiàn)張力和弧垂與常規(guī)鐵塔計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比如表2所示。

表2 模型校驗(yàn)

由以上分析可以看出，塔線(xiàn)耦合模型具有較高的精度，可滿(mǎn)足工程應(yīng)用要求。在分析時(shí)，只需放開(kāi)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸的約束，即可模擬實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)效果。

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)于六塔七線(xiàn)塔線(xiàn)耦合模型，通過(guò)施加荷載，可以得到每個(gè)工況作用下復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)塔各個(gè)構(gòu)件的內(nèi)力以及轉(zhuǎn)動(dòng)角度，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于各構(gòu)件受力與普通橫擔(dān)結(jié)構(gòu)類(lèi)似，限于篇幅，本文僅給出復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，如表3所示。

表3轉(zhuǎn)動(dòng)角度

Tab.3Rotationangle(°)

從表3可以看出，對(duì)于不產(chǎn)生不平衡張力的工況(如大風(fēng)60°)，復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度非常小，可認(rèn)為并不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，和常規(guī)復(fù)合橫擔(dān)受力機(jī)理相同，可按常規(guī)橫擔(dān)進(jìn)行力學(xué)分析；對(duì)于0°大風(fēng)、45°大風(fēng)、斷線(xiàn)以及不均勻覆冰工況，由于產(chǎn)生了不平衡張力，支柱絕緣子發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)，最大轉(zhuǎn)角發(fā)生在不均勻覆冰工況，為8.63°，對(duì)應(yīng)端部位移為1.41 m。而其他正常運(yùn)行工況下，復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)轉(zhuǎn)動(dòng)角度較小，通過(guò)前后側(cè)弧垂略微調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)張力的釋放，從而減小復(fù)合材料橫擔(dān)構(gòu)件的受力，有利于復(fù)合橫擔(dān)的設(shè)計(jì)。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)塔與常規(guī)角鋼塔的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析如表4所示。

由表4可以看出，與常規(guī)角鋼塔相比，復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)塔鋼材減小33%，塔質(zhì)量降低20%，基礎(chǔ)混凝土減小53.2%，綜合造價(jià)降低17%，經(jīng)濟(jì)性十分突出，主要由以下幾方面引起。

(1)呼高降低7 m。由于取消了懸垂絕緣子串，在相同的使用情況下，組合絕緣子塔的呼高比V串鐵塔降低7 m，有效地減小了導(dǎo)線(xiàn)荷載的作用效應(yīng)，塔身主材由Q420L180×16降為Q420L160×14。

表4 復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)塔經(jīng)濟(jì)性分析

(2)塔頭風(fēng)荷載減小。組合絕緣子塔由于僅采用了2根絕緣子，其檔風(fēng)面積較角鋼塔大幅減小，塔頭風(fēng)荷載相應(yīng)減小。

(3)縱向不平衡張力的釋放。由于縱向可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，釋放了縱向不平衡張力，桿塔不再承受縱向不平衡張力，塔身斜材由L110×7降為L(zhǎng)90×7，降低達(dá)3個(gè)規(guī)格。

5 結(jié) 論

(1)復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)的工作機(jī)理為“張力驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)釋放、導(dǎo)線(xiàn)約束”，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)有效釋放導(dǎo)線(xiàn)縱向不平衡張力，減小橫擔(dān)及塔身受力；

(2)參考750 kV復(fù)合橫擔(dān)試驗(yàn)結(jié)果和以往±800 kV線(xiàn)路復(fù)合絕緣子試驗(yàn)結(jié)果，考慮復(fù)合絕緣子斜向放置的有利影響，復(fù)合材料的有效絕緣部分長(zhǎng)度應(yīng)不小于9 300 mm。

(3)為減小極間距、壓縮走廊寬度，并避免掛線(xiàn)板與支柱絕緣子串相碰形成“短接”，按風(fēng)偏后懸垂串，支柱絕緣子最大上傾角度為20°。

(4)由于復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)塔在縱向?yàn)橐粰C(jī)構(gòu)體系，不能進(jìn)行力學(xué)分析，因此引入導(dǎo)線(xiàn)約束，形成塔線(xiàn)耦合體系。對(duì)比分析表明，該模型最大誤差為0.7%，可較為精確地研究復(fù)合橫擔(dān)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、導(dǎo)線(xiàn)張力和弧垂的變化。

(5)由仿真分析可知，在不產(chǎn)生不平衡張力工況(如大風(fēng)60°)作用下，復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)橫擔(dān)與常規(guī)桿塔受力機(jī)理相同，可按常規(guī)橫擔(dān)進(jìn)行力學(xué)分析；在具有不平衡張力工況作用下，支柱絕緣子發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，前后側(cè)弧垂略微調(diào)整，使得張力有效釋放，減小了構(gòu)件的受力。

(6)經(jīng)濟(jì)性分析。通過(guò)與相同規(guī)劃條件的鐵塔相比，免橫擔(dān)組合絕緣子的塔重降低約20%，基礎(chǔ)混凝土降低53%，本體綜合造價(jià)降低約17%，由此可見(jiàn)，其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)十分突出。

[1]楊林，王虎長(zhǎng)，趙雪靈.復(fù)合材料在輸電桿塔中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)電力，2014，47(1)：53-56.

[2]張磊，孫清，趙雪靈等.纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料輸電桿塔材料選型研究[J].電力建設(shè)，2011，32(2)：1-5.

[3]王虎長(zhǎng)，胡建民，趙雪靈.玻璃鋼復(fù)合材料軸壓構(gòu)桿穩(wěn)定性分析[J].電力建設(shè)，2011，32(9)：85-89.

[4]左玉璽，薛更新，孫強(qiáng)，等.750 kV輸電線(xiàn)路復(fù)合橫擔(dān)設(shè)計(jì)研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2013，29(1)：1-8.

[5]趙雪靈，譚浩文.免橫擔(dān)組合絕緣子塔研究報(bào)告[R].西安：西北電力設(shè)計(jì)院，2014.

[6]趙雪靈，譚浩文.免橫擔(dān)組合絕緣子塔研究問(wèn)答錄[R].西安：西北電力設(shè)計(jì)院，2014.

[7]孫清，伍曉紅.免橫擔(dān)組合絕緣塔結(jié)構(gòu)有限元仿真分析研究[R].西安：西安交通大學(xué)，2014.

[8]呂志濤．高性能材料FRP應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程創(chuàng)新[J]．建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，22(1)：1-5.

[9]Ibrahim S M．Performance evaluation of fiber reinforced polymer poles for transmission lines[D]．Manitoba，Canada：University of Manitoba，2000.

[10]Ibrahim S M，Polyzois D．Ovalization analysis of fiber reinforced plastic poles[J]．Composite Structures，1999.

[11]Masmoudi R．Mohamed H，Metiche S．Finite element modeling for deflection and bending responses of GFRP poles[J]．Journal of Reinforced Plastics and Composites，2008，27(6)：639-658.

[12]Metiche S，Masmoudi R．Full scale flexural testing on fiber reinforced polymer(FRP)poles[J]．The Open Civil Engineering Journal，2007(1)：37-50.

[13]葉列平，馮鵬．FRP 在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與發(fā)展[J]．土木工程學(xué)報(bào)，2006，39(3)：24-36.

[14]張磊，孫清，王虎長(zhǎng)．玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]．電力建設(shè)，2010，31(9)：118-121．

(編輯：張媛媛)

UHVDCTransmissionLineRotationCrossArmDesignforFiberReinforcedPlastic

SUN Tao1,2, ZHAO Xueling3, GAO Liying2, SUN Yuanzhang1

(1. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China;2. State Grid Corp, Beijing 100031, China; 3. Northwest Electric Power Design Institute, Xi'an 710075, China)

Combined with the present status of the research and application of glass fiber reinforced plastic (FRP) tower, taking Lingzhou-Shaoxing ±800 kV UHVDC transmission line engineering as research background, this paper put forward the force mechanism and designing scheme of FRP rotation cross arm, and carried out simulation analysis based on tower-line coupling model. The analysis results show that the rotation FRP cross arm turns freely under the longitudinal unbalanced tensions, so the longitudinal unbalanced tension can be released, the stress of FRP cross arm and tower can be reduced, and the weight of tower and the cubic amount of concrete foundation can be effectively reduced, which has good economic and social benefits.

glass fiber reinforced plastic (FRP); rotation cross arm; FRP cross arm; tower-line coupling

國(guó)家電網(wǎng)公司工程依托科技項(xiàng)目(特高壓直流輸電線(xiàn)路工程組合絕緣子塔應(yīng)用研究)。

TM 215; TB 332

： A

： 1000-7229(2014)09-0035-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.09.007

2014-06-17

：2014-07-10

孫濤(1977)，男，博士研究生，主要從事特高壓直流建設(shè)技術(shù)管理和輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)研究工作，E-mail：tao-sun@sgcc.com.cn；

趙雪靈(1983)，男，高級(jí)工程師，主要從事輸電桿塔結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料桿塔等方向的研究和設(shè)計(jì)工作，E-mail：zhaoxueling@nwepdi.com；

高理迎(1962)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事特高壓直流建設(shè)技術(shù)管理和輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)研究工作，E-mail：liying-gao@sgcc.com.cn；

孫元章(1953)，男，教授，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)江學(xué)者，特聘教授，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定性分析與控制、電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性分析等，E-mail：yzsun@mail.tsinghua.edu.cn。