新型FRP绝缘电杆结构优化设计

龚 靖，张恩铭，祁西汉，陈 诚

(东北电力大学建筑工程学院，吉林省 吉林市132012)

新型FRP绝缘电杆结构优化设计

龚 靖，张恩铭，祁西汉，陈 诚

(东北电力大学建筑工程学院，吉林省 吉林市132012)

为适应输电线路的发展，利用电绝缘复合材料对110kV电杆进行结构设计并作优化。针对材料本身的刚性不足变形较大的特点，提出了不同截面类型并作对比分析，选取了性能较好的适合FRP电杆的新型三角肋圆形截面。利用有限元Ansys软件对电杆进行三维实体建模，借鉴输电线路典型设计原则和钢管类设计条件，采用同结构、变尺寸的方法对模型施加荷载。参考输电设计规范，归纳分析出最优的结构形式及尺寸，电杆高为17m，直径为350mm，壁厚为10mm。为确保电杆运行可靠性，数值模拟了电杆在不同荷载工况下最大强度及变形，验证最大运行应力为109MPa，杆顶位移8.06cm。研究结果表明，这种分析方法设计出的电杆安全可靠，为复合材料电力应用提供理论支持。

复合材料;FRP;结构优化;结构选型

1 引言

FRP是复合材料中的一种，是利用高强度纤维结合环氧类树脂的结合体。我国近年来纤维类材料发展迅速，到21世纪初已经可以制造出高强度、低重量、电绝缘、放腐蚀于一身的复合材料［1，2］。FRP分为多种不同的纤维材料如玻璃纤维 GFRP、芳纶纤维AFRP等［3］。此种材料在国外电力行业早有应用，如美国、日本及部分欧洲等发达国家和地区［4-6］。我国近年来才开始引进使用，但都集中在灯杆、输油管道等方面。由于材料刚性较差目前电力输送在35kV以下上线运行。因材料绝缘性能良好，重量低，如果针对变形缺陷进行优化设计，使得其可以提升在110kV电压等级［7］，复合材料电杆的使用有助于推进电力输送经济化、轻便化发展，具有一定经济意义。

2 电杆设计荷载

电杆设计气象条件参照了国家电网110kV典型设计中钢管杆设计条件，采用LGJ-240/30钢芯铝绞线为导线，JLB1A-70铝包钢绞线为地线，最大风速25m/s，覆冰厚度为5mm，设计档距为300m，设计最高气温40℃，最低温－10℃。导线最大抗拉强度为247.27MPa。FRP材料的拉伸强度为 500 ～900MPa，弯曲强度为550～900MPa，压缩强度为300～500MPa，引用东北电力设计院设计手册计算方法，计算出不同工况下荷载，为模拟加载提供数值，归纳于表1。

表1 荷载表Tab．1 Load list (单位:N)

3 优化设计

3.1 电杆的截面优化

参照国外FRP传统类形状，电杆设计类似于钢管杆，钢管杆多于大直径薄壁环形截面，亦有部分多边形形状设计［8］。由于材料模量低、抗弯性能不好，运行规范要求杆顶位移不可大于杆高的0.5%，当提高电压等级后外荷载必然增大，挠度也必然增加，所以为提高截面抗弯刚度，提出了传统环形、多边形、新型内接星形、三角形肋截面进行分析对比，如图1所示。

图1 不同截面比较Fig．1 Comparison of different cross sections

应用Ansys进行等效悬臂梁模型建模，数值分析等高等直径不同截面在外力荷载下的变形大小，具体见表2。分析表明，圆环内接三角形因截面惯性矩较大，顶端变形尺寸最小，在设计中可以优先考虑使用。

表2 不同截面选型Tab．2 Different cross-section selection

由于三角形截肋截面并非各个角度均对称，不同方向惯性矩有所不同，杆顶位移也不同。为确保最大变形方向亦满足规范要求，因此应用Ansys建模分析，对电杆杆底部各自由度全约束，顶端每隔10°进行1次3倍正常风荷载加载，如图2所示。记录0～180°方向角顶端位移值。从图3可以看出，因材料本身为各向正交异性使电杆顶端的位移进行非等周期变化，但变化尺寸非常微小，可以忽略不计。所以在电杆实际安装中，横担可以采取任意角度进行装配，不会超过规范变形值。

图2 横向力加载方向Fig．2 Loading direction of lateral force

图3 顶端模拟位移Fig．3 Simulation of top displacement

3.2 电杆外形尺寸优化

利用电杆设计手册中电气距离和避雷角度要求和设计规范校验，最终确定电杆外形尺寸［9，10］。复合材料和传统钢管在电气距离设定有很大不同，因为电杆通体高度绝缘，水平导线的电气距离只考虑空气间隙，可缩短线间距离。钢管本身为导体，所以横担需相应加长，如图4所示。复合材料杆不需要绝缘子串，只需要套筒挂环连接悬垂线夹与导线连接，横向不必考虑运行、操作及雷电风偏角间隙圆，竖向绝缘子串高度省略，因而进一步减小了横担及电杆呼称高的尺寸［11］，使得总体尺寸紧凑化，降低了线路走廊的占用，缩短建设成本，具有一定经济效益。

图4 FRP电杆杆头与传统尺寸对比图Fig．4 Comparison chart of FRP and traditional size

3.3 电杆直径壁厚优化

复合材料本身特性与一般传统材料有很大不同，如抗拉抗压强度、弹性模量等，所以具体尺寸很难直接引用现有的数值。因而采取同种结构建模，变换尺寸方法，结合电杆设计规范进行尺寸约束，选取最优值。为了简化运算，以悬臂结构建模，截面为三角形肋，顶端施加表1中导线横向风荷载。电杆设定两个变量，变量一为电杆直径，变量二为电杆壁厚。具体结果见表3。

表3 不同尺寸求解数值Tab．3 Solutions of different sizes

可以看出，表3的局部应力，运行应力，顶端变形分布是有规律的。壁厚不变，直径增大，惯性矩增加，抗弯性能良好，顶端位移减小;直径不变，壁厚越大，径厚比越小，局部稳定性能越高;直径越小，壁厚越薄，越省材料。电杆直径壁厚选取原则为:保证最大运行应力小于局部稳定临界力，且顶端位移刚好满足运行规范及变形小于杆高的0.5%为最佳选型。

根据以上原则，表3中壁厚10mm，直径350mm时满足要求，并留有一定安全裕量。因线路正常运行时尚需要考虑60°、45°导线风荷载造成电杆不平衡扭转情况，对电杆进行抗扭转验算。

4 Ansys建模验算

0°、45°、60°、90°风作用下电线风荷载及杆身风荷载如图5所示。由于电杆左右为非对称结构，故45°、60°作用下会造成电杆根部扭转。

图5 杆头有限元模型及加载 (45°)Fig．5 Finite element model and loading(45°)

表4所示为正常运行最大风时电杆根部应力，表5为长期荷载作用下杆顶最大位移。可以看出，最大应力和最大挠度均发生在90°风时。根部应力小于电杆局部稳定临界应力及材料最大使用强度。

表4 不同风向角应力计算值(大风工况)Tab．4 Stress of different wind angles(Big wind conditions)

在90°风向角时，根部最大应力为109MPa，如图6所示，小于局部应力及材料最大使用强度。最大挠度为8.06cm，根据输电线路规范

式中，η为变形百分比;δ为杆顶位移;L为杆高。达到规范值标准［12-14］，所以选取此三角肋圆环截面对应下的直径350mm和壁厚10mm作为110kVFRP杆，是较为合理和安全的。

表5 不同风向角挠度计算值 (长期荷载作用)Tab．5 Stress of different wind angles (Long term loading)

图6 顶端最大应力分布图Fig．6 Maximum stress distribution of top

5 结论

我国复合材料电杆应用研究尚处于初级阶段，由于FRP电杆刚度较差，目前仅仅应用于35kV及以下电压等级。为此本文设计内加肋截面形状，显著地增加了电杆刚度，较大地降低了杆顶位移，使得FRP绝缘杆的使用提高到110kV电压等级。同时在外形尺寸设计上，对径厚比进行分步优化，全面分析了电杆的整体稳定性和局部稳定性，合理优化取值并通过了不同荷载工况的校验。新型电杆的研究为FRP材料在输电线路上的应用及推进输电工程经济化新型设计提供理论依据，相信纤维类复合材料杆塔的应用会为未来电力行业发展给予更高的社会效益。

［1］唐波，文远芳，邓建钢 (Tang Bo，Wen Yuanfang，Deng Jiangang)．一种基于 FRP材料的新型输电杆塔研究(Research of a novel type electric power tower made in FRP)［J］．电工电能新技术(Advanced Technology of E-lectrical Engineering and Energy)，2010，29(3):16-20．

［2］夏开全 (Xia Kaiquan)．复合材料在输电杆塔中的研究与应用 (Application of fiber reinforced polymer in overhead)［J］．高科技纤维与应用 (Hi-Tech Fiber and Application)，2005，30(5):19-23．

［3］张磊，孙清，赵雪灵，等 (Zhang Lei，Sun Qing，Zhao Xueling，et al．)．纤维增强树脂基复合材料输电杆塔材料选型 (Material selection for transmission tower made of fiber reinforced plastics)［J］．电力建设 (Electric Power Construction)，2011，32(2):1-5．

［4］Bob McIlvaine．Market for FRP grows in the power industry［R］．Debbie Fox of the McIlvaine Company reports，McIlvaine Company，2008．

［5］FRP composite poles are the future of transmission line．World Technology Update［N］．Transmission＆Distribution World，2003.06．

［6］SHAIRCO-promoting FRP in Saudi Arabia，Reinforced Plastics［R］．S．Sundaram，2002.06．

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

［8］张恩铭，龚靖，曹帅 (Zhang Enming，Gong Jing，Cao Shuai)．新型输电杆塔的设计研究 (New transmission tower design research and economic development)［J］．东北电力大学学报 (Journal of Northeast Dianli University)，2011，31(5/6):60-63．

［9］张殿生 (Zhang Diansheng)．电力工程高压送电线路设计手册 (Design manual of high voltage power engineering transmission lines)［M］．北京:中国电力出版社 (Beijing:China Electric Power Press)，1999．

［10］孟遂民，孔伟 (Meng Suimin，Kong Wei)．架空输电线路设计 (Overhead transmission line design)［M］．北京:中国电力出版社 (Beijing:China Electric Power Press)，2005．

［11］刘树堂 (Liu Shutang)．输电杆塔结构及其基础设计(Structure and basic design of transmission tower)［M］．北京:中国水利水电出版社 (Beijing:China Water Power Press)，2005．

［12］DL/T 5092－2002，110～500kV架空送电线路设计技术规程 (Technical code for designing 110～500kV overhead transmission line)［S］．

［13］DL/T 5130-2001，架空送电线路钢管杆设计技术规定(Technical regulation for design of steel transmission pole)［S］．

［14］DL/T 5154-2002，架空送电线路杆塔结构设计技术规定 (Technical regulation of design for tower and pole structures of overhead transmission line)［S］．

《 电工电能新技术》杂志“专家论坛”栏目征稿启事

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联系方式:电话:010－82547196 E-mail:dgdnedit@mail．iee．ac．cn

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

国家自然科学基金资助项目(50978049)

龚 靖 (1966-)，女，吉林籍，教授，博士，主要研究方向:输电杆塔结构设计;张恩铭 (1986-)，男，吉林籍，硕士研究生，主要研究方向:输电杆塔结构设计。