新型FRP絕緣電桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

龔 靖，張恩銘，祁西漢，陳 誠

(東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林省 吉林市132012)

新型FRP絕緣電桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

龔 靖，張恩銘，祁西漢，陳 誠

(東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林省 吉林市132012)

為適應(yīng)輸電線路的發(fā)展，利用電絕緣復(fù)合材料對110kV電桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并作優(yōu)化。針對材料本身的剛性不足變形較大的特點(diǎn)，提出了不同截面類型并作對比分析，選取了性能較好的適合FRP電桿的新型三角肋圓形截面。利用有限元Ansys軟件對電桿進(jìn)行三維實(shí)體建模，借鑒輸電線路典型設(shè)計(jì)原則和鋼管類設(shè)計(jì)條件，采用同結(jié)構(gòu)、變尺寸的方法對模型施加荷載。參考輸電設(shè)計(jì)規(guī)范，歸納分析出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式及尺寸，電桿高為17m，直徑為350mm，壁厚為10mm。為確保電桿運(yùn)行可靠性，數(shù)值模擬了電桿在不同荷載工況下最大強(qiáng)度及變形，驗(yàn)證最大運(yùn)行應(yīng)力為109MPa，桿頂位移8.06cm。研究結(jié)果表明，這種分析方法設(shè)計(jì)出的電桿安全可靠，為復(fù)合材料電力應(yīng)用提供理論支持。

復(fù)合材料;FRP;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;結(jié)構(gòu)選型

1 引言

FRP是復(fù)合材料中的一種，是利用高強(qiáng)度纖維結(jié)合環(huán)氧類樹脂的結(jié)合體。我國近年來纖維類材料發(fā)展迅速，到21世紀(jì)初已經(jīng)可以制造出高強(qiáng)度、低重量、電絕緣、放腐蝕于一身的復(fù)合材料［1，2］。FRP分為多種不同的纖維材料如玻璃纖維 GFRP、芳綸纖維AFRP等［3］。此種材料在國外電力行業(yè)早有應(yīng)用，如美國、日本及部分歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)［4-6］。我國近年來才開始引進(jìn)使用，但都集中在燈桿、輸油管道等方面。由于材料剛性較差目前電力輸送在35kV以下上線運(yùn)行。因材料絕緣性能良好，重量低，如果針對變形缺陷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得其可以提升在110kV電壓等級［7］，復(fù)合材料電桿的使用有助于推進(jìn)電力輸送經(jīng)濟(jì)化、輕便化發(fā)展，具有一定經(jīng)濟(jì)意義。

2 電桿設(shè)計(jì)荷載

電桿設(shè)計(jì)氣象條件參照了國家電網(wǎng)110kV典型設(shè)計(jì)中鋼管桿設(shè)計(jì)條件，采用LGJ-240/30鋼芯鋁絞線為導(dǎo)線，JLB1A-70鋁包鋼絞線為地線，最大風(fēng)速25m/s，覆冰厚度為5mm，設(shè)計(jì)檔距為300m，設(shè)計(jì)最高氣溫40℃，最低溫－10℃。導(dǎo)線最大抗拉強(qiáng)度為247.27MPa。FRP材料的拉伸強(qiáng)度為 500 ～900MPa，彎曲強(qiáng)度為550～900MPa，壓縮強(qiáng)度為300～500MPa，引用東北電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)手冊計(jì)算方法，計(jì)算出不同工況下荷載，為模擬加載提供數(shù)值，歸納于表1。

表1 荷載表Tab．1 Load list (單位:N)

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 電桿的截面優(yōu)化

參照國外FRP傳統(tǒng)類形狀，電桿設(shè)計(jì)類似于鋼管桿，鋼管桿多于大直徑薄壁環(huán)形截面，亦有部分多邊形形狀設(shè)計(jì)［8］。由于材料模量低、抗彎性能不好，運(yùn)行規(guī)范要求桿頂位移不可大于桿高的0.5%，當(dāng)提高電壓等級后外荷載必然增大，撓度也必然增加，所以為提高截面抗彎剛度，提出了傳統(tǒng)環(huán)形、多邊形、新型內(nèi)接星形、三角形肋截面進(jìn)行分析對比，如圖1所示。

圖1 不同截面比較Fig．1 Comparison of different cross sections

應(yīng)用Ansys進(jìn)行等效懸臂梁模型建模，數(shù)值分析等高等直徑不同截面在外力荷載下的變形大小，具體見表2。分析表明，圓環(huán)內(nèi)接三角形因截面慣性矩較大，頂端變形尺寸最小，在設(shè)計(jì)中可以優(yōu)先考慮使用。

表2 不同截面選型Tab．2 Different cross-section selection

由于三角形截肋截面并非各個(gè)角度均對稱，不同方向慣性矩有所不同，桿頂位移也不同。為確保最大變形方向亦滿足規(guī)范要求，因此應(yīng)用Ansys建模分析，對電桿桿底部各自由度全約束，頂端每隔10°進(jìn)行1次3倍正常風(fēng)荷載加載，如圖2所示。記錄0～180°方向角頂端位移值。從圖3可以看出，因材料本身為各向正交異性使電桿頂端的位移進(jìn)行非等周期變化，但變化尺寸非常微小，可以忽略不計(jì)。所以在電桿實(shí)際安裝中，橫擔(dān)可以采取任意角度進(jìn)行裝配，不會超過規(guī)范變形值。

圖2 橫向力加載方向Fig．2 Loading direction of lateral force

圖3 頂端模擬位移Fig．3 Simulation of top displacement

3.2 電桿外形尺寸優(yōu)化

利用電桿設(shè)計(jì)手冊中電氣距離和避雷角度要求和設(shè)計(jì)規(guī)范校驗(yàn)，最終確定電桿外形尺寸［9，10］。復(fù)合材料和傳統(tǒng)鋼管在電氣距離設(shè)定有很大不同，因?yàn)殡姉U通體高度絕緣，水平導(dǎo)線的電氣距離只考慮空氣間隙，可縮短線間距離。鋼管本身為導(dǎo)體，所以橫擔(dān)需相應(yīng)加長，如圖4所示。復(fù)合材料桿不需要絕緣子串，只需要套筒掛環(huán)連接懸垂線夾與導(dǎo)線連接，橫向不必考慮運(yùn)行、操作及雷電風(fēng)偏角間隙圓，豎向絕緣子串高度省略，因而進(jìn)一步減小了橫擔(dān)及電桿呼稱高的尺寸［11］，使得總體尺寸緊湊化，降低了線路走廊的占用，縮短建設(shè)成本，具有一定經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 FRP電桿桿頭與傳統(tǒng)尺寸對比圖Fig．4 Comparison chart of FRP and traditional size

3.3 電桿直徑壁厚優(yōu)化

復(fù)合材料本身特性與一般傳統(tǒng)材料有很大不同，如抗拉抗壓強(qiáng)度、彈性模量等，所以具體尺寸很難直接引用現(xiàn)有的數(shù)值。因而采取同種結(jié)構(gòu)建模，變換尺寸方法，結(jié)合電桿設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行尺寸約束，選取最優(yōu)值。為了簡化運(yùn)算，以懸臂結(jié)構(gòu)建模，截面為三角形肋，頂端施加表1中導(dǎo)線橫向風(fēng)荷載。電桿設(shè)定兩個(gè)變量，變量一為電桿直徑，變量二為電桿壁厚。具體結(jié)果見表3。

表3 不同尺寸求解數(shù)值Tab．3 Solutions of different sizes

可以看出，表3的局部應(yīng)力，運(yùn)行應(yīng)力，頂端變形分布是有規(guī)律的。壁厚不變，直徑增大，慣性矩增加，抗彎性能良好，頂端位移減小;直徑不變，壁厚越大，徑厚比越小，局部穩(wěn)定性能越高;直徑越小，壁厚越薄，越省材料。電桿直徑壁厚選取原則為:保證最大運(yùn)行應(yīng)力小于局部穩(wěn)定臨界力，且頂端位移剛好滿足運(yùn)行規(guī)范及變形小于桿高的0.5%為最佳選型。

根據(jù)以上原則，表3中壁厚10mm，直徑350mm時(shí)滿足要求，并留有一定安全裕量。因線路正常運(yùn)行時(shí)尚需要考慮60°、45°導(dǎo)線風(fēng)荷載造成電桿不平衡扭轉(zhuǎn)情況，對電桿進(jìn)行抗扭轉(zhuǎn)驗(yàn)算。

4 Ansys建模驗(yàn)算

0°、45°、60°、90°風(fēng)作用下電線風(fēng)荷載及桿身風(fēng)荷載如圖5所示。由于電桿左右為非對稱結(jié)構(gòu)，故45°、60°作用下會造成電桿根部扭轉(zhuǎn)。

圖5 桿頭有限元模型及加載 (45°)Fig．5 Finite element model and loading(45°)

表4所示為正常運(yùn)行最大風(fēng)時(shí)電桿根部應(yīng)力，表5為長期荷載作用下桿頂最大位移?？梢钥闯觯畲髴?yīng)力和最大撓度均發(fā)生在90°風(fēng)時(shí)。根部應(yīng)力小于電桿局部穩(wěn)定臨界應(yīng)力及材料最大使用強(qiáng)度。

表4 不同風(fēng)向角應(yīng)力計(jì)算值(大風(fēng)工況)Tab．4 Stress of different wind angles(Big wind conditions)

在90°風(fēng)向角時(shí)，根部最大應(yīng)力為109MPa，如圖6所示，小于局部應(yīng)力及材料最大使用強(qiáng)度。最大撓度為8.06cm，根據(jù)輸電線路規(guī)范

式中，η為變形百分比;δ為桿頂位移;L為桿高。達(dá)到規(guī)范值標(biāo)準(zhǔn)［12-14］，所以選取此三角肋圓環(huán)截面對應(yīng)下的直徑350mm和壁厚10mm作為110kVFRP桿，是較為合理和安全的。

表5 不同風(fēng)向角撓度計(jì)算值 (長期荷載作用)Tab．5 Stress of different wind angles (Long term loading)

圖6 頂端最大應(yīng)力分布圖Fig．6 Maximum stress distribution of top

5 結(jié)論

我國復(fù)合材料電桿應(yīng)用研究尚處于初級階段，由于FRP電桿剛度較差，目前僅僅應(yīng)用于35kV及以下電壓等級。為此本文設(shè)計(jì)內(nèi)加肋截面形狀，顯著地增加了電桿剛度，較大地降低了桿頂位移，使得FRP絕緣桿的使用提高到110kV電壓等級。同時(shí)在外形尺寸設(shè)計(jì)上，對徑厚比進(jìn)行分步優(yōu)化，全面分析了電桿的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性，合理優(yōu)化取值并通過了不同荷載工況的校驗(yàn)。新型電桿的研究為FRP材料在輸電線路上的應(yīng)用及推進(jìn)輸電工程經(jīng)濟(jì)化新型設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，相信纖維類復(fù)合材料桿塔的應(yīng)用會為未來電力行業(yè)發(fā)展給予更高的社會效益。

［1］唐波，文遠(yuǎn)芳，鄧建鋼 (Tang Bo，Wen Yuanfang，Deng Jiangang)．一種基于 FRP材料的新型輸電桿塔研究(Research of a novel type electric power tower made in FRP)［J］．電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of E-lectrical Engineering and Energy)，2010，29(3):16-20．

［2］夏開全 (Xia Kaiquan)．復(fù)合材料在輸電桿塔中的研究與應(yīng)用 (Application of fiber reinforced polymer in overhead)［J］．高科技纖維與應(yīng)用 (Hi-Tech Fiber and Application)，2005，30(5):19-23．

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［7］Awad M M，Heggi N，Tahoun F．The future of towers made of organic compound materials［R］．Egyptian Electricity Holding Company，2008．

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［10］孟遂民，孔偉 (Meng Suimin，Kong Wei)．架空輸電線路設(shè)計(jì) (Overhead transmission line design)［M］．北京:中國電力出版社 (Beijing:China Electric Power Press)，2005．

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［13］DL/T 5130-2001，架空送電線路鋼管桿設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定(Technical regulation for design of steel transmission pole)［S］．

［14］DL/T 5154-2002，架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定 (Technical regulation of design for tower and pole structures of overhead transmission line)［S］．

《 電工電能新技術(shù)》雜志“專家論壇”欄目征稿啟事

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Optimization design of insulation structure of new material FRP pole

GONG Jing，ZHANG En-ming，QI Xi-han，CHEN Cheng
(College of Architectural and Civil Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China)

In order to adapt to the development of the transmission line，an electric insulating composite material is designed and optimized to the structure of 110kV power poles．The circular section with triangular rib is selected by comparing different types of sections of FRP poles to overcome the poor rigidity and the large deformation of the material．According to the design principles of the transmission line，a method called the same structure but variable size is adopted by applying a force on 3D solid model of the pole modeled by ANSYS．The most superior structure mode and dimensions are derived，in which the height is 17m，the diameter is 350mm and the thickness of the wall is 10mm．To ensure the reliable operation，the maximum strength and deformation under different conditions are simulated through numerical method．The maximum operation stress is 109MPa and the displacement of the top of the pole is 8.06cm．The results show that the pole design method is reliable and it provides theoretical support to use the composite materials in the electric power applications．

composite material;FRP;structure optimization;structure type

TM753

:A

:1003-3076(2014)01-0076-05

2012-04-30

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50978049)

龔 靖 (1966-)，女，吉林籍，教授，博士，主要研究方向:輸電桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);張恩銘 (1986-)，男，吉林籍，碩士研究生，主要研究方向:輸電桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。