新型輸電桿塔的設(shè)計研究

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)直接影響到整個線路的輸電性能，同時也涉及到電力行業(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，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，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，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，研究包括以下幾個方面:

(1)弧垂和張力的計算從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)行加載的計算。

(3)根據(jù)加載計算后的結(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。最大的弧垂計算檔距是從50 m到135 m選取，而最小值在為不同檔距計算是通過對桿塔的尺寸計算和桿塔形狀的來設(shè)計來制定。表1總結(jié)了桿塔尺寸范圍從50 m～135 m的設(shè)計規(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材料中有兩個檔距。這些檔距是從85 m到100 m。考慮到其它建造項(xiàng)目的花費(fèi)，應(yīng)考慮檔距在100 m內(nèi)設(shè)計較為合適。

4 經(jīng)濟(jì)價值的比較

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，因而可以為整個輸電線路降低成本。FRP的發(fā)展迅速，在未來的一段時間內(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代。

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