750 kV输电线路复合材料横担塔的适用性研究

胡 超，冯 衡，徐 彬(中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)



750 kV输电线路复合材料横担塔的适用性研究

胡 超，冯 衡，徐 彬
(中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

摘要：以新疆地区某750 kV工程中初步设计拟采用的复合材料横担塔为例，对复合材料横担塔在工程中应用的结构方案进行了对比分析，给出了推荐结构形式，并通过有限元分析得到复合材料构件设计的控制工况。通过对新疆地区不同工程条件下的工程经济性分析，探讨了复合材料横担塔的适用性。

关键词：复合材料；750 kV；横担；经济性；适用性。

高性能纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，FRP)具有强度大、质量轻、耐腐蚀以及耐久性能和电绝缘性能好等特点，非常适于制造输电杆塔。复合材料杆塔用于输电线路可以节约钢材，利用杆塔的绝缘性，不仅易于解决输电线路的风偏和污闪事故，提高线路安全运行水平，同时还可以减小塔头尺寸，减少走廊宽度，降低塔高，减少树木砍伐；利用杆塔轻便、易加工成型的特点，可以降低杆塔的运输和组装成本；利用杆塔的耐腐蚀、耐高低温、强度大、被盗可能性小的特点，可降低线路的运行维护成本；同时由于杆塔颜色可调、无毒害、报废后可再利用，增强了线路的环境友好性。

目前国内主要将复合材料用于220 kV及以下电压等级较低的输电线路中，对于500 kV及以上的超高压输电线路，则应用较少。对于750 kV高电压等级输电线路来说，由于杆塔荷载较大，全塔均采用复合材料较为困难，可考虑采用部分绝缘杆塔技术，即塔身仍采用传统钢材结构，仅在塔头或横担部分采用复合材料，既节省了钢材资源，也充分利用了复合材料的绝缘性能，还可避免架设特殊接地引下线。

1　复合材料横担塔结构方案

本文结构方案以新疆地区某在建750 kV工程A中初步设计拟采用复合材料横担塔为例进行对比分析。

1.1构件截面型式

复合材料横担杆塔的构件主要承受轴心荷载，其构件截面型式选择的主要原则：(1)满足电气性能要求；(2)满足强度和稳定的承载力要求；(3)制作简便；(4)连接方便。

对于轴心受压构件，截面开展更具有重要意义，复合材料由于弹性模量较低，其整体稳定问题远较钢构件的稳定问题突出，因此选择的截面更应开展而壁厚较薄，使其截面惯性矩尽可能大(也不能过大，要考虑构件的局部稳定)，以提高构件的稳定承载能力。另外采用截面开展的截面，在同样的截面刚度情况下，用料相对更经济。

复合材料拉挤型材的截面形式可根据需要设计成各种形状，主要有“L”型、“○”型和“□”型等，综合比较各类截面，对于相同截面面积的各类截面型式，以圆形截面的截面惯性矩最大，其整体稳定承载力也最高，而且复合材料管型构件制作便捷，连接方便。同时，目前支柱绝缘子也主要采用圆形构件，其电气性能满足工程应用要求，因此复合材料横担杆塔拟采用圆形和环形截面构件作为主要受力构件。

1.2横担结构型式

在复合材料横担型式的设计过程中，结合复合材料的特性，一共设计了A、B、C 三种方案，计算和对比结果见表1。

对于方案A，横担下平面由于受压，采用了支柱绝缘子结构，横担上平面斜拉材由于受轴向拉力，为了充分利用复合材料抗拉性能优异的特点，采用了斜拉绝缘子串，并通过金具于塔身相连，简化了端部节点构造。但由于横担为静定结构，结构刚度小，变形大，抵抗破坏能力较弱。横担下平面主材无分段，横担长度较短，但支柱绝缘子的无支撑长度较长，导致构件规格较大，横担整体偏重，不推荐该方案。

对于方案B，结构型式与常规塔型较一致，横担所有构件均采用了支柱绝缘子结构，由于中间金属连接节点的存在，绝缘长度有所降低，但复合材料压杆无支撑长度较短，可以有效降低其规格，结构刚度较大，该方案最大的缺点是上平面受拉材采用了支柱绝缘子，不仅不能充分利用复合材料的优良抗拉特性，而且造成了节点处理困难，不推荐该方案。

表1　不同复合材料横担型式对比

对于方案C，其横担上平面斜拉材仍采用斜拉绝缘子串，有效地降低了下平面受压主材的计算长度，简化了端部节点构造，结构刚度较大，兼具了方案A和B的优点，横担最轻，推荐采用该方案。

1.3节点设计

目前复合材料横担的节点推荐采用套管式连接，该节点生产过程为在复合材料型材成型后，利用胶结连接金属件，再通过金属件进行螺栓连接。

套管式节点具有以下优点：

(1)提高了节点的承载能力：由于采用在复合材料外套钢管式的处理方式，在荷载作用下，钢套管对FRP构件形成了一定的约束作用，限制了变形，提高了其承载力。

(2)传力可靠：这类节点主要借鉴了钢结构的思想，与传统的钢结构类似，设计经验较为成熟，传力明确可靠。

(3)连接方便：套管在工厂与复合材料进行胶结，现场只需进行金属件之间的螺栓连接，这与传统钢结构完全相同，技术要求较低，便于现场组装。

复合材料连接采用套管式节点，由于塔身采用了角钢构件，借鉴以往钢管塔节点的设计经验，横担端部的连接可以采用C形(或十字形)连接与塔身相连，见图1。

图1　C形连接示意图

1.4结构有限元分析

复合材料是正交各向异性材料，目前国内普遍采用的铁塔设计程序无法进行复合材料横担设计，因此本工程在设计时，采用了有限元分析软件ANSYS12.0进行分析，全塔模型见图2。

图2　复合材料横担塔有限元模型

通过有限元软件ANSYS的分析，可以得到各工况下，复合材料横担杆件的轴力,参考文献[4]并综合考虑，安全系数按3.0考虑进行设计。各类型杆件的受拉及受压的控制荷载和对应控制工况详见表2。

表2　复合材料横担杆件的轴力及控制工况

从表2中可知，当复合材料横担采用推荐方案时，横担构件的主要控制工况为断线工况和安装工况。其中压管和拉杆的重量占复合材料构件的重量80%左右，由覆冰断线工况控制。

不同工况下，横担端部的相对位移详见表3。

表3　复合材料横担位移计算结果

从表3中可知，最大位移为安装工况时，Z向位移为351.9 mm，仅为计算高度的0.98%；而技术规程中长期荷载效应组合(无冰，风速5 kV及年平均气温)作用下，横担最大位移为78.3 mm，为计算高度的0.22%，满足规范对杆塔计算挠度的要求。

2　不同工程条件下的对比分析

为了得到复合材料横担塔在不同工程条件下的经济性指标，并依此得到复合材料横担塔在实际工程中的适用条件，选择了新疆的三个工程进行对比分析。工程一是新疆某在建750 kV输电线路工程A的初步设计中拟采用的复合材料横担塔(以下简称750 kV工程A)；工程二是新疆某在建750 kV输电线路工程B的初步设计中拟采用的复合材料横担塔(以下简称750 kV工程B)；工程三是新疆与西北联网第二通道750 kV输电线路工程中实际使用的复合材料横担塔(以下简称西北联网二回750 kV)。

2.1工程技术条件

三个工程的实际工程技术条件及复合材料横担塔的杆塔使用条件见表4、表5。

表4　工程技术条件

表5　复合材料横担杆塔的使用条件

2.2悬垂串长确定

为了确定750 kV输电工程复合横担铁塔配套绝缘子串的最短串长，按照规范进行了纵向不平衡张力计算。

根据《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》GB50545—2010规定，10 mm及以下冰区平丘地形双分裂以上导线悬垂塔的纵向不平衡张力按照最大使用张力的20%设计；根据《重覆冰架空输电线路设计技术规程》DL/T5440—2009规定，15 mm双分裂以上导线悬垂塔的纵向不平衡张力按照最大使用张力的35%设计。

为了确定750 kV输电工程复合横担铁塔配套绝缘子串的最短串长，按照规范进行了纵向不平衡张力计算，以连续7档(档距均匀分布)，第一档断线为计算工况。取年平均温为悬垂串中垂条件，断线的气象条件为- 5℃、无风、有冰。

文献[2]给出了西北联网第二通道750 kV的计算情况，取消悬挂绝缘子串，分裂导线纵向不平衡张力仅为最大使用张力的10.13%，满足规范要求，可按照悬挂1.5 m串长(金具长度为1.5 m)进行塔头布置。

750kV工程A，当取消悬挂绝缘子串时，计算结果表明，10 mm冰区分裂导线纵向不平衡张力为最大使用张力的16.66%，满足规范要求，可按照悬挂2.0 m串长(金具长度为2 m)进行塔头布置。

750kV工程B，当取消悬挂绝缘子串时，计算结果表明，15 mm冰区导线纵向不平衡张力为最大使用张力的38.52%，不满足规范要求；只有当悬挂串长超过4 m(金具长度为2 m)时，15 mm冰区分裂导线纵向不平衡张力最大使用张力小于最大使用张力的35%，才能满足规范要求。

2.3塔头尺寸

根据规范要求，使用悬垂绝缘子串的杆塔最小垂直线间距离，750 kV为 12.5 m；上下层相邻导线间的最小水平偏移，750 kV为 2 m。此外，为了满足防雷要求，750 kV单回线路的保护角不宜大于10°；且在一般档距的档距中央，导线与地线间的距离，应满足S ≥0.012L+1(S为导线与地线间的距离，L为档距)。

复合横担的尺寸不仅要满足间隙圆的要求，还应考虑最小电弧距离，爬高比、金具节点长度及制造工艺要求等因素。

参照国家电网公司标准的要求和西北联网第二通道750 kV工程的电气性能试验及实际运行情况，西北联网第二通道750 kV FZ - 3和750 kV工程A 中FZ - 1均处于1500 m海拔和d级污区，最小电弧距离取6000 mm，复合绝缘子公称爬电距离不小于23500 mm；750 kV工程A 中FZ - 2位于3000 m海拔和c级污区，最小电弧距离取6800 mm，复合绝缘子公称爬电距离不小于23500 mm。

综合考虑最小电弧距离、爬高比、金具节点长度及制造工艺要求等因素以后，复合横担长度见表6。

表6　不同工程复合材料横担塔横担尺寸

2.4经济性对比

以750 kV工程A初步设计拟采用复合材料横担塔为例，为了分析复合材料横担杆塔的经济性，需综合考虑材料费、运输费、安装费、人工费等因素进行测算。由于采用复合材料横担可将悬垂串长由9 m缩短为2 m，在对地距离相同情况下，复合材料横担杆塔的呼高比传统角钢塔降低7 m。因此将36 m呼高复合材料横担杆塔与43 m呼高传统角钢塔经济性进行比较(不考虑复合材料横担的备品、备件)，两个塔的结构布置及尺寸见图4。

图4　两个塔的结构布置及尺寸

经初步测算，由于取消了绝缘子，在相同的使用条件下，复合材料横担杆塔的呼高比传统铁塔显著降低，杆塔全高有所增加，塔头部分结构形式更加简洁、传力明确，杆塔风荷载减小，杆塔重量减轻，基础作用力也相应减小，造价降低。以750 kV工程A中平丘地段ZB31101直线塔为例，设计风速31kV，设计冰厚10 mm，海拔1500 m，与相同规划条件的复合材料横担杆塔进行经济性对比分析见表7。

表7　750 kV工程A经济性对比

由表7可知，当呼高为43 m时，ZB31101塔重为32.80 t，走廊宽度约为50.8 m；而对于相同规划条件下的750 kV复合材料横担杆塔，呼高为36 m，塔重约为28.34 t，降低约13.6%，走廊宽度为37.7 m，减小13.1 m，同时取消了悬垂绝缘子，其综合造价约降低4.26%。

同理可以得到750 kV工程B的角钢塔ZBC34151与复合材料横担塔FZ - 2经济性对比见表8。新疆与西北联网第二通道750 kV输电线路工程的材料重量参考文献，经济性以当前费用标准进行计算对比分析，见表8。

表8　750 kV工程B经济性对比

续表8

由表8可知，当呼高为43 m时，ZB314151塔重为50.10 t ，走廊宽度约为50.8 m；而对于相同规划条件下的750 kV复合材料横担杆塔，呼高为36 m，塔重约为46.75 t，降低约6.69%，走廊宽度为40.2 m，减小15.2 m，同时缩短了悬垂绝缘子，其综合造价约降低2.68%。

表9　西北联网二回750 kV工程经济性对比

由表9可知，当呼高为49 m时，ZB31051塔重为29.70 t，走廊宽度为35.2 m；而对于相同规划条件下的750 kV复合材料横担杆塔，呼高为42 m，塔重约为25.40 t，降低约14.5%，走廊宽度为25.7 m，减小9.5 m，同时取消了悬垂绝缘子，其综合造价约降低5.73%。

通过上述三个工程的复合材料横担塔与其相同工程条件下设计的角钢塔对比发现，750 kV输电工程采用复合材料横担杆塔比传统铁塔可减小输电走廊宽度，减轻杆塔和基础重量，一定程度上降低输电塔的综合造价。

在塔重、基础重量和经济性方面对比，西北联网二回750 kV工程最优为降低5.73%，750 kV工程A其次为降低4.26%，750 kV工程B最差为降低2.68%。

主要是由于复合材料占最大重量比重的压管由覆冰断线工况控制，FZ - 2塔位于15 mm中冰区，相对于位于10 mm轻冰区的FZ - 1 和FZ - 3塔，计算的复合横担重量比重要小很多；另外轻冰区的FZ - 1和FZ - 3塔相对相同工程条件角钢塔呼高缩短了9 m，比中冰区的FZ - 2塔呼高缩短的5.5 m幅度要大，塔身计算的重量减少幅度也大一些。由此推论，重冰区采用复合材料横担塔的经济性优势将进一步削减。

在节约线路走廊方面对比，750 kV工程B最优。所以在某些位于中、重冰区的工程条件下，当线路走廊比较紧张时，可以考虑采用复合材料横担塔。

3　结论与建议

(1)依托新疆地区在建750 kV工程A实际讨论了复合材料横担塔在750 kV线路中的应用情况，给出了复合材料构件的主要截面型式，简要介绍了复合材料横担与塔身的节点连接方式，并通过计算对比分析给出了推荐横担结构型式。

(2)通过ANSYS12.0软件进行有限元分析表明，复合材料横担构件的主要控制工况为断线工况和安装工况。

(3)长期荷载效应组合(无冰，风速5 m/s及年平均气温)作用下，横担最大位移为78.3 mm，为计算高度的0.22%，满足规范对杆塔计算挠度的要求。

(4)对新疆三个工程的悬垂串按照规范要求进行计算得到，位于轻冰区的工程可取消悬垂绝缘子串，位于中冰区的工程可缩短悬垂绝缘子串5.5 m。

(5)综合考虑最小电弧距离、爬高比、金具节点长度及制造工艺要求等因素计算出复合横担长度。

(6)通过上述三个工程的复合材料横担塔与其相同工程条件下设计的角钢塔的经济性对比可知，复合材料横担塔在轻冰区有较好的经济性，推荐采用，在中冰区经济性一般，仅当线路走廊比较紧张时，可以考虑采用。

参考文献:

[1]夏开全．复合材料在输电杆塔中的研究与应用[J]．高科技纤维与应用，2005，30(5)．

[2]左玉玺，等．750 kV输电线路复合横担设计研究[J]．电网与清洁能源，2013，29(1)．

[3]杨林，王虎长，赵雪灵．复合材料在输电杆塔中的应用研究[J]．中国电力，2014，(1)．

[4]刘克龙，等．复合材料的安全系数统计分析[J]．南京航空航天大学学报，2004，36(1)．

[5]DL/T 5154—2012，架空送电线路杆塔结构设计技术规定[S]．

[3]GB50545—2010，110～750 kV 架空输电线路设计规范[S]．

[7]刘振亚．高海拔外绝缘配置技术规范[M]．北京：中国电力出版社，2009．

Research on the Applicability of Composite Cross Arm Tower for 750 kV Transmission Line

HU Chao, FENG Heng, XYU Bin
(Central Southern China Electric Power Design Institute Company Limited, Wuhan 430071, China)

Abstract:Taking the composite cross arm tower which plan to use in the 750 kV project in Xinjiang as example, this paper give the recommended structure type base on comparative analysis, and obtain the control case on structure design through finite element analysis. Through economic analysis on the towers under different condition in Xinjiang region, applicability of composite cross arm tower is investigated.

Key words:FRP; 750 kV; cross arm; economy; applicability.

中图分类号：TM75

文献标志码：B

文章编号：1671-9913(2016)01-0065-07

* 收稿日期：2015-08-12

作者简介：胡超(1989- )，男，湖北仙桃人，硕士，工程师，从事送电线路研究工作。