220 kV 全复合材料输电杆塔结构优化设计

张恩铭

（国网安徽省电力有限公司检修分公司，合肥 230022）

0 引言

随着电力工程的逐渐发展，电力公司在逐年提高骨干网架电压等级的同时，新型复合材料在电力工程中的应用比例也相应增加。复合材料是一种将纤维与树脂通过一定工艺粘结在一起的特殊材料，其包括但不限于玻璃纤维、碳纤维、环氧树脂和聚脂树脂等。一般环形圆管多采用缠绕工艺，特殊形状材料可在固化前在模具中拉挤成型。20 世纪末，美国率先将复合材料在电力领域生产使用。国内材料引入起步较晚，目前全复合材料杆仅在35 kV 线路有实际工程项目投运[1]。随着近年来复合材料工艺、材料本身强度和刚度的提高，需要研究设计人员逐渐尝试在110 kV 及以上电压等级输电线路杆塔上进行应用研究。本文引入220 kV 设计条件，采用列举法设计出输电杆塔尺寸，运用有限元软件进行力学校验，得出最终优化结果，可为220 kV 合复合材料输电杆塔最终应用及推广提供参考。

1 复合材料输电杆塔现状

1.1 国外复合材料输电杆塔的提出

20 世纪末，美国Sharkspeare 公司是最早开发复合材料输电杆塔的公司[2]。随后，美国电力公司在蒙大拿州安装了75 根复合材料输电杆塔来替代混凝土和木质输电杆塔，用来抵抗开裂和腐朽。接着，Bedford 公司生产了聚酯纤维类输电杆塔，并在2008 年已大范围推广到市场中进行应用。根据老化试验，该输电杆塔寿命预计可达70 年以上[3-4]。

1.2 国内复合材料输电杆塔研究应用

因复合材料本身引入国内较迟，相关缠绕挤压、聚酯合成工艺发展缓慢，使复合材料在国内输电工程的应用较为滞后。2007 年，国家电网有限公司（以下简称“国家电网”）武汉研究所设计的首批10 kV 复合材料横担通过试验[5]；2017 年，引入美国RS 公司生产的输电杆塔并进行相关试验。2009 年，国家电网启动复合材料杆塔项目，研究绝缘、抗覆冰及抗腐蚀特性，电压等级涵盖10 kV，35 kV，110 kV 及220 kV，其中110 kV 和220 kV 仅应用于横担上[6]；2009 年12 月，带有复合材料横担输电杆塔已经在连云港220 kV 茅蔷线投入试运行。330 kV 及500 kV 格构式杆塔也有复合材料涉及[7-8]。目前，周兴扬等人[9]已经结合钢管杆进行了220 kV 复合材料横担研究探讨，计算了杆顶位移和强度。陈路等人[10]分析了220 kV 复合材料杆头间隙和杆身受力，对比传统类杆塔作经济分析。李飞[11]在进行复合材料输电杆塔应用研究时提出了杆型的选择。

1.3 全复合材料输电杆塔结构设计思想

复合材料本身具有一般金属类材料所不能比拟的重要优良特性，但其本身刚度较低、容易变形。随着材料工艺的提高，弹性模量及拉压强度的增强使得复合材料可以用在220 kV 及以上电压等级上作结构受力承载。通过杆型选择和径厚比的计算表明，复合材料不仅可以在220 kV 输电杆塔横担上使用，还使得全复合材料输电杆塔的应用成为现实。

2 FRP 复合材料特性

2.1 绝缘高强

FRP 全称为Fiber Reinforced Plastic，是一种纤维类增强性复合塑料。该材料的弹性模量在25～50 GPa 之间，与钢材构件相比要低得多。抗拉强度和抗压强度根据纤维和树脂材料的不同以及现场缠绕压挤工艺的不同，拉伸在500～800 MPa，抗压强度在300～500 MPa[12]。其本身具有优良的绝缘性能，可以较大地降低绝缘子串长度或者不使用绝缘子串，进一步缩减杆塔结构尺寸，降低线路走廊宽度[13]。复合材料本身具有疏水性，可以有效减少杆塔覆冰，不生锈[14-16]。一般输电线路格构式铁塔或者钢管塔，需要进行热镀锌处理，而复合材料不需要镀锌，塔身少维护或者免维护，可以在人烟稀少区域投入使用。

2.2 质轻耐老化

根据复合材料研究试验，研究人员在材料中加入抗老化树脂，实现耐高温、抗老化的功能，可以有效增加绝缘杆的使用寿命[17-18]。如果在树脂结构中加入紫外线吸收剂效果更佳。该材料密度仅为一般钢材的30%，相同体积下的杆塔要比钢材重量轻，在新建线路架设中会节省较多的人力、物力，有效节省项目成本[16]。

3 输电杆塔结构设计

3.1 杆塔受力荷载计算

输电杆塔设计参考现有国家电网220 kV 典型设计中钢管杆设计条件，导线采用LGJ—300/40 钢芯铝绞线，地线采用JLB40—150 铝包钢绞线，最大设计风速25 m/s，覆冰厚度5 mm，设计档距300 m，最高气温40 ℃，最低气温-10 ℃。通过公式计算导线风荷载，包括最大风、轻度覆冰等不同设计工况，最终荷载归纳如表1 所示。

表1 受力荷载 N

3.2 杆塔尺寸计算

国内外目前使用的复合材料输电杆塔多为仿造钢管杆式设计，基本为薄壁环形截面[16]。复合材料杆塔最大的短板为弹性模量较低、刚度不足和抗弯抗变形能力较差。因为输电杆塔设计对变形有规定要求，在进一步提高电压等级后，线路本身由于自重荷载及风荷载的增加，会造成输电杆塔整体受力变形[19]，因此输电杆塔采用环形内部加劲肋来增强输电杆塔结构刚度（具体为内部加三角形作为复合材料杆塔主杆）。主杆截面如图1 所示。

为进一步弥补输电杆塔刚性不足的缺点，电杆采用克里姆型杆塔，也称为“鸟骨型”（即输电杆塔的杆头横担结构分为上、中、下三段布置，在保证线间电气安全距离情况下，缩短横担长度，避免因电压等级提高、导线自重大而引起复合材料横担的变形）。

图1 复合材料杆主杆截面

对导线间距进行取值，计算不同气象条件下的状态方程式及应力弧垂关系：

式中：fm为导线弧垂；σ01，σ02分别为2 种不同状态下架空线弧垂最低点的应力值；γ1，γ2分别为2 种不同状态下架空线比载；t1，t2分别为2 种不同状态下架空线的温度；l 为该档档距；α为架空线温度膨胀系数；E 为架空线的弹性系数。

根据式（1），最大弧垂发生在最高温时，不同工况下的导线弧垂见表2。

表2 不同工况下的导线弧垂

导线间最小距离可表示为：

式中：Dm为导线间最小距离；λ 为绝缘子串长度；U 为电压等级。

根据公式（2）计算得出线间最小距离为4.43 m，考虑到带电作业安全距离，横担最小长度不得小于1.8 m（需要再额外考虑带电作业人体活动距离）。克里姆型杆塔导线两两间距为三角形布置，其等效水平距离需要大于4.43 m，呼称高为H=10.78+6.5+0.6=17.88 m。地线支架高度指的是金具挂点到上横担导线绝缘子挂点之间的高度，复合材料本身为绝缘体，防雷保护角采用20°保护角。

计算得到地线支架高度：

通过无风雷过电压计算可知，满足档距中央导地线最小间距。连接处不采用长绝缘子，仅采用金具连接，复合材料输电杆塔尺寸较一般钢管杆小很多，建造成本也相应小很多。由式（1）—式（4）及呼称高尺寸得出输电杆塔外形如图2 所示。

图2 输电杆塔尺寸

3.3 输电杆塔截面壁厚计算

复合材料由于基础参数与一般钢材具有很大不同（泊松比、弹性模量和拉压强度等），因此不可以直接套用现有的典型设计尺寸，宜采用既定范围内的“列举”法来对输电杆塔尺寸进行列举，优化计算，选取经济适宜值。为计算简便，将输电杆塔视为一悬臂梁，采用加劲肋结构，顶端施加导线横向风荷载和垂直重量荷载，输电杆塔设定杆径和肋厚，进行杆顶变形量求解[20]，具体如表3、图3 所示。

表3 列举杆顶位移求值 cm

图3 杆顶位移走向图

由表3 和图3 可知，直径越大时，杆顶变形位移越小，反之增大；加劲肋越厚，整体刚度增加，位移减小，反之加大。结合表4 和图4 可知，直径越小，肋越薄的杆塔，局部应力越大。因为复合材料杆为薄壁材料，需要考虑局部应力是否会发生局部屈曲；由于复合材料本身抗压抗拉强度值比较高，图4 显示，该列举范围区间内所有应力值均在允许范围内，因此约束条件为表3 杆顶位移。为节省工程材料，提高经济效益，直径和壁厚不宜过大，所以选取临界值直径46 cm、肋厚1.2 cm 为适宜值，此时杆顶计算位移值约为12.43 cm。

4 有限元分析验算

纤维复合材料在受力时为脆性材料，发生破坏时无明显预兆，荷载与位移在受力时呈线性变化，应力及形变曲线无突变和瞬间下降，因此有限元分析时采用实体单元solid45 模块，该单元有8 个节点且每个节点具有xyz 3 个方向自由度。为确保网格划分具有较高密度以增加数值精确度，在切分时采用多块分割，进行克里姆杆型建模，如图5 所示。

表4 列举应力求值

图4 应力走向图

图5 有限元建模分析

输入直径为46 cm、加劲肋厚为1.2 cm 的数据进行有限元受力分析，分别得出最大风工况（v=25 m/s，b=0，t=-5°）时的最大拉伸强度为192 MPa，压缩强度为142 MPa，均小于材料最大抗拉强度和抗压强度，符合设计标准，如图6 所示。

在长期效应荷载（v=5 m/s，b=0）时，最大位移发生在杆顶水平位移，为12.43 cm。根据设计要求：符合设计要求，如图7 所示。

图6 杆塔应力分析

图7 杆塔各节点水平位移分布

杆塔垂直最大位移为1.9 cm，根据图8 所示发生在下横担顶端，值为负，方向沿着z 轴向下。由于此节点向下变形最大，则其与中、上横担相对距离较受力变形前会有所增加，大于最小线间距离初始值为4.43 m，形变后不会发生相间放电。

5 尚需要开展的工作

5.1 杆塔防雷设计

图8 杆塔各节点垂直位移分布

本文防雷设计是根据电力设计手册通用防雷设计进行设计的，220 kV 保护角为20°，复合材料输电杆塔本身为绝缘性输电杆塔，其防雷性能与一般钢管、角钢塔有本质区别[21]，不适合完全套用传统杆塔。如果采取本文结构设计进行防雷，需在地线支架处顺复合材料输电杆塔中空部分下引至地面，由接地引线做好防雷接地。

5.2 杆塔节点连接

因为复合材料本身为脆性材料，制作时多为一体成型。高电压等级输电杆塔尺寸较长，为克服输电杆塔刚性不足问题，缩短横担长度，设计为克里姆杆型。如果使用一般220 kV 钢管双回路杆塔或者500 kV 全复合材料，一体成型会影响施工中运输和装配问题。因此需要分成多节式装配，分节时使用法兰配结构胶连接或者预埋金属螺丝等，在结构受力时，需要校验输电杆塔是否会出现应力集中，是否会发生局部屈曲[22]。

5.3 内部加劲肋制作成型

将薄壁输电杆塔进行加劲肋设计，理论上可以提高输电杆塔整体刚度、降低变形幅度。在复合材料制作时，材料的缠绕工艺、挤压工艺或是模具处理后的加肋型输电杆塔是否还能达到原有的材料性能和预期的结构刚度，需要加工后进行现场机械试验验证。

6 结语

复合材料因其具有轻质高强、绝缘性能良好和耐腐蚀等诸多优点，逐渐受到青睐。从低压配电到高压输电，已经逐渐替代传统材料。由于受制于其刚度低、易变形的短板，在电压等级较高的输电杆塔中，很难完全替换掉传统杆塔。文中简化了设计方法，根据不同工况设计条件，提出全复合材料杆塔结构设计，并在既定档距下给出输电杆塔尺寸，为今后复合材料输电杆塔的推广使用提供理论参考。