330kV双回路复合横担窄基塔设计及有限元仿真分析∗

黄颖 王婧 谭蓉 贺育明 孙清

(1.中国能源建设集团陕西省电力设计院有限公司 西安710054；2.西安交通大学 710049)

引言

随着电力建设发展，全国的电力输电线路将不断增加，会消耗大量的钢材，同时会对自然环境造成一定的污染[1]。 我国的输电铁塔目前基本采用角钢塔或者钢管塔，但钢材在使用过程中存在的种种问题，如自重较大、容易锈蚀等等。 近些年开始被广泛应用的复合材料在输电线路中也开始大放异彩，与钢材相比，能有效改善输电杆塔的绝缘性能，同时复合材料的耐腐蚀、质量轻、力学强度高、加工工艺成熟等特点使复合材料在输电线路工程中的应用越来越多[2]。

1 复合材料的选型

输电杆塔中所用复合材料主要是由树脂和纤维或其织物组成，树脂基体将纤维连接成一个整体而承受荷载。 输电杆塔中适用的复合材料为玻璃钢，是以玻璃纤维及其制品作为增强材料，以合成树脂作基体材料的一种玻璃纤维增强塑料。增强材料选用E 玻纤，轻质高强，性价比优，也是目前复合材料生产厂家的一致选择。 基体材料有两种选择，环氧树脂和聚氨酯。 聚氨酯力学性能较差，但韧性、抗冲击性和延伸性好，且耐腐蚀和耐老化性能优于环氧树脂； 而环氧树脂在价格和成型工艺上有优势，且力学性能好，故目前应用更广泛。 加工成型是保证复合材料中纤维和基体共同工作的前提，对复合材料的物理力学性能影响显著。 对于输电杆塔结构而言，一般均采用型材，主要有拉挤型材、缠绕型材、模压型材。

2 使用条件

根据西安周边市区的气象条件和国网典型设计模块[3]，最终确定复合横担窄基塔使用条件见表1。

表1 窄基塔使用条件Tab.1 Narrow base conditions

3 塔头尺寸规划

复合横担窄基塔中，横担部分采用复合材料，横担下平面由于受压，采用支柱绝缘子结构，支柱绝缘子采用环形截面的复合材料杆件；横担上平面的斜拉材为了充分利用复合材料抗拉性能优异的特点，采用斜拉绝缘子串，拉杆采用实心圆形复合材料杆件。 其余部分杆件及节点板等仍采用钢材。

输电杆塔利用复合材料的绝缘特性，可实现结构材料和功能材料的高度统一，具有非常显著的优势。 其主要的一个优势是利用复合材料的绝缘性能良好，可全部替代绝缘子，因而大幅度减低了悬垂串长度，降低了塔高。 串长取值应根据导线不均匀覆冰和断线不平衡张力取值确定，还应校验大风下悬垂串可能发生的碰撞。 在串长变短情况下，根据档距中央导地线线间最小距离、导线不均匀覆冰时的静态接近、导线脱冰跳跃时动态接近优化地线支架高度。 复合材料杆塔的外绝缘配置可按常规线路用复合绝缘子的外绝缘配置原则执行，根据风偏间隙和绝缘配合最小绝缘距离要求，优化布置复合横担型式。 根据优化塔头间隙尺寸，校验杆塔电磁环境，确定均压屏蔽方案。

3.1 绝缘配置

绝缘配置、防雷等均按照《110kV ～750kV 架空输电线路设计规范》(GB50545 -2010)[4]执行。

参照国家电网公司标准《高海拔外绝缘配置技术规范》的要求，海拔2000m 以下d 级污区，复合绝缘子公称爬电距离不小于11200mm，结构高度不小于 3480mm，最小电弧距离不小于3150mm。

对于相间间隙，根据《绝缘配合第一部分：定义、原则和规则》(GB 311.1 -2012)[5]，范围II 内的相间绝缘，标准雷电冲击耐受电压等于相对地雷电冲击耐受电压。 根据《110kV ～750kV 架空输电线路设计规范》(GB 50545 - 2010)[4]，1000m 塔头工频和操作过电压相间最小间隙分别为1.6m 和3.4m，本项目相间带电体间隙受操作过电压控制。 相间操作过电压修正到2000m，操作过电压最小间隙为3.8m，另外考虑0.3m 的裕度。

对于相对地间隙(对塔身和地线支架)，根据《国家电网公司110 -500kV 输电线路通用设计修订设计要求汇总》(2010)，海拔 2000m，工频、操作、雷电、带电检修间隙分别为1m、2.15m、2.55m、2.45m。 相对地间隙受雷电过电压控制，考虑0.3m 裕度[6]。 塔头空气间隙见表2。

表2 塔头空气间隙(单位：m)Tab.2 Air clearance for tower head(unit：m)

3.2 纵向不平衡张力

为了确定本项目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断线不平衡张力计算，典型断线工况计算模型采用连续7 档，档距 300m，高差 30m，第一档分别断 1、2 根导线，其余档不断，计算结果见表3。 根据《110kV ～750kV 架空输电线路设计规范》(GB 50545 -2010)[4]规定，10mm 及以下冰区平丘地形双分裂以上导线悬垂塔导线断线纵向不平衡张力按照最大使用张力20%设计。 从计算结果可见，断线纵向不平衡张力基本上不控制绝缘子串长。 在极端情况，金具串从挂点至分裂导线中心长1m，断线2 根的情况下，纵向张力差8.13%，满足规范要求，故悬垂金具串取值1.2m。

表3 纵向不平衡张力计算结果Tab.3 Calculation results of longitudinal unbalanced tension

3.3 最小塔头尺寸

按照间隙圆(悬垂串长1.2m)布置的塔头尺寸见图1，塔头尺寸不仅考虑到复合横担高压侧金属头尺寸，还考虑到干弧距离等因素，间隙圆控制工况是雷电过电压和相间操作过电压工况。

图1 塔头尺寸Fig.1 Tower head size

3.4 电磁环境校核

根据上述塔头尺寸，校核电磁环境计算结果见表4。

表4 电磁环境计算结果(海拔2000m)Tab.4 Calculation results of electromagnetic environment(Altitude 2000m)

从上述计算结果可见，无线电干扰和可听噪声均满足《110kV ～750kV 架空输电线路设计规范》(GB 50545 -2010)[4]规定。 根据规范要求，330kV 线路导线外径为 2 × 21.6mm 时，Em/Eo(Em为导线表面最大工作场强；Eo为导线起晕临界电场强度)不宜大于84.60，复合横担中相Em/Eo为0.75，满足规范要求。

4 复合横担塔结构方案设计

4.1 结构选型

就结构形式而言，“单杆式”杆塔的刚度小、承载能力低，一般仅用于较低电压等级的输电线路[7]。 由于采用单杆、双杆结构时塔身挠度较大，采用三杆结构时虽然增强了塔头刚度，但结构不对称，塔头与塔身连接复杂，采用四杆方案时，虽然构件与塔身连接节点较多且复杂，但是结构合理。 综合考虑以上因素，项目采用四杆结构。

在四柱式方案的基础上，经过后期的多次计算以及讨论研究，为了更好地满足电气设计要求，复合横担的布置方式也由原来的水平布置改为上挑1.0m 进行布置。

4.2 构件截面型式选择

复合材料由于弹性模量较低，故其整体稳定性能不良，因此应该选择惯性矩大的截面型式以提高稳定性[8]。 综合比较后，圆形或者圆管型截面的截面惯性矩较大，同时复合材料圆形、圆管型构件工艺制作技术成熟，与钢制构件连接更方便。 因此复合横担塔应在圆形或圆管型截面中进行合理选择。

4.3 横担结构选型

复合横担的设计方案如图2 所示。 横担的下平面主要承受压力，所以使用空心复合材料绝缘圆管，横担上平面承受拉力，采用实心复合材料绝缘棒。

图2 复合横担方案Fig.2 Compositecross-armscheme

4.4 节点设计

1.横担与塔身连接处节点设计

考虑到连接部位的重要性，同时总结实践应用经验，最终采用复合材料钢套管通过节点板和螺栓与铁塔主材连接。

2.横担端部节点设计

压杆端部利用钢套筒与挂点处杆件用法兰连接，斜拉杆利用拉杆连接金具与挂点处钢板连接，横担端部节点见图3。 此种横担端部连接方式在2013 年设计的全复合塔头杆塔中已成功应用，试验证明此连接方式安全可靠，但传力路径较长，330kV 及以下的低电压等级可考虑此种连接方式。

图3 横担端部节点Fig.3 Endnode of cross-arm

5 复合横担塔有限元仿真分析

5.1 复合横担窄基塔有限元模型

以330kV 双回路复合横担窄基塔为研究对象，采用大型通用有限元分析软件ANSYS 进行有限元数值模拟。 建立了复合横担窄基塔梁杆有限元模型见图4。 复合横担梁杆模型主要构件参数见表5。 通过模态分析和静力工况分析验证复合横担输电塔设计方案在工程应用中的可行性和合理性。

图4 复合横担塔梁杆有限元模型Fig.4 Finite element model

表5 梁杆模型主要构件材料参数Tab.5 The material parameters

5.2 复合横担窄基塔模态分析

对窄基塔有限元梁杆模型进行模态分析，整塔前3 阶固有频率见表6，前3 阶振型见图5。 设计人员在设计时应尽量减小对这些频率的激励，以避免引起共振。

表6 复合横担窄基塔梁杆模型前三阶频率Tab.6 The first three frequencies of composite cross-arm narrow foundation tower beam model

由图5 可知，模型1 阶振型为沿X轴的平动，2 阶振型为沿Y轴的平动，3 阶振型为扭转，符合振型出现的一般规律。 因窄基塔整体刚度小，结构偏柔，故频率整体偏低。

图5 复合横担窄基塔梁杆模型前三阶振型Fig.5 The three vibration modes of composite cross-arm narrow foundation tower beam model

5.3 复合横担窄基塔静力分析

对复合横担窄基塔进行静力分析，用以验证设计方案的合理性和可行性，计算工况有：大风、覆冰、断线、安装等 33 个工况，提取结果主要包括整塔位移云图、轴力云图、弯矩云图及应力云图等。 现以60°大风工况Gmax 这一典型工况为例，对有限元分析计算的内容和提取结果进行展示。

1.60°大风工况Gmax 复合横担窄基塔静力分析结果(典型工况)

该工况下，窄基塔最大位移0.962m 出现在塔X轴正向顶角，位移云图见图6。

图6 位移云图(单位：m)Fig.6 Displacement nephogram(unit：m)

最大拉力1270kN 和最大压力-1540kN 均出现在塔腿处，轴力云图见图7。

塔身中部承受My向弯矩比较大，最大弯矩值为14.15kN·m，弯矩云图见图8。

如图9 所示，该工况下，结构构件的最大应力为277MPa，出现在变坡处主材(下横担的下平面附近主材)，但未超过此处钢材的屈服强度。 由于变坡处主材截面突变，且塔身坡度发生变化，容易产生应力集中，属于结构的薄弱位置。

图7 轴力云图(单位：N)Fig.7 Axial force nephogram(unit：N)

图8 弯矩云图(单位：N·m)Fig.8 Bending moment nephogram(unit：N·m)

图9 最大应力云图(单位：Pa)Fig.9 Maximum stress nephogram(unit：Pa)

2.复合横担窄基塔静力分析总结(33 个工况)

通过对复合横担窄基塔各个工况下的位移、轴力、弯矩以及应力的分析及对比，可以得到以下结论：

(1)大风工况下输电塔的塔头位移均比较大，最大位移出现在90°大风 Gmax 工况下，位移达1.005m。

(2)60°大风Gmax 工况下，竖向支座反力以及塔身大部分主材压力和拉力最大，塔腿最大压力为 -1540kN，最大拉力为1270kN，表明该工况为主材的控制工况。

(3)对于复合横担拉杆，2 倍起吊右中导线工况为其控制工况，最大拉力可达到36.91kN。

(4)对于复合横担压杆，断右上导线+右中导线工况控制其承受的最大压力，最大压力可达70.08kN； 2 倍起吊右中导线工况控制其承受的最大弯矩，My向最大弯矩可达11.38kN·m。

(5)断右地线+右上导线工况下复合横担压杆最大拉力为42kN。

(6)在静力计算的33 种各工况下，主材均未达到屈服强度，仍处于弹性阶段，设计较为安全。

6 复合横担塔经济性分析

从表7 中可以看出，复合横担窄基塔本体造价较高，这是由于复合材料价格较贵，但复合横担窄基塔的走廊宽度较窄基钢管塔减少了2.4m，拆迁费用节省2.59 万元，在综合拆迁赔偿等因素后，复合横担窄基塔较窄基钢管塔造价节省1.49 万元。

表7 经济指标对比Tab.7 Comparison of economic indicators

续表

7 结论

330kV 复合横担窄基塔横担采用复合材料，塔身主材采用钢管。 经验算，其电磁环境参数满足规范要求。 横担的下平面主要承受压力，所以使用空心复合材料绝缘圆管，横担上平面承受拉力，采用实心复合材料绝缘棒。 经过有限元数值计算，该330kV 复合横担窄基塔在各工况下主材和复合横担均未达到屈服强度，处于弹性阶段，设计较为安全。 复合横担窄基塔本体造价较高，但是在综合了征地、拆迁赔偿等因素后，复合横担窄基塔具有明显的经济优越性。