计及经济性的复合杆塔设计方法

李佳慧

(广州电力设计院有限公司，广东 广州 510520)

0 引 言

目前，中国110 kV以上输电线路杆塔绝大部分采用角钢及钢管杆的形式，所有结构件都由钢材制作。随着特高压骨干网络、区域直流互联的建设，需要树立更多杆塔，若仍然采用传统全钢材料的电力杆塔，原料开采将带来难以逆转的生态破坏及不可再生资源的消耗；此外钢材存在质量重、易锈蚀、不便施工运输等问题[1]。随着复合材料技术及其制造工艺的发展，对采用重量轻、强度大、耐腐蚀、耐高低温、绝缘性能好的复合材料的复合杆塔进行研究具有重要意义[2]。

国内外都已开展了复合杆塔的研究。在复合材料方面：纤维主要采用玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维，树脂主要采用环氧树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂，两者加工成纤维布、筋材及索材[3-4]。在复合杆塔方面：中电武汉铁塔公司运用有限元分析方法建立了复合材料横担仿真模型,分析各种典型工况的应力和位移,明确最危险工况为断线工况[5]；山东大学研究了杆塔的复合接地材料接地特性，基于CDEGS仿真平台搭建模型，总结出冲击下复合接地材料接地体散流特性[6]；国网郑州供电公司采用ATP-EMTP仿真平台对比了复合杆塔和纯钢塔的防雷性能，发现复合杆塔具有更优的耐雷能力[7]；南瑞集团研究了复合杆塔接地引下线空气间隙，依据冲击过电压放电试验绘制间隙与放电电压特性曲线确认最优空气间隙值[8]。

下面基于现有国内外复合杆塔研究成果，系统地提出一种500 kV双回路杆塔设计方案，对涉及的塔头尺寸、绝缘配置、荷载校验及经济性关键技术进行研究。

1 绝缘配合

1.1 设计输入条件

以国家电网有限公司500 kV通用5E1模块典型设计为基础，使用气象条件为风速27 m/s、覆冰10 mm，其他基本技术条件见表1。

500 kV双回输电线路有两类杆塔——垂直排列的鼓型(或伞形)塔及双三角布置的“倒山形”紧凑型塔。考虑到受力清晰及构造简洁等因素，复合材料杆塔按照垂直布置的鼓型(或伞形)塔考虑，即塔身采用钢材结构，横担采用复合材料，导线垂直排列布置于塔身两侧。

1.2 电气间隙

GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》给出的500 kV常规铁塔间隙配置要求见表2。

表2 500 kV常规铁塔间隙配置

复合横担由于材料电气性能与钢制材料存在差异，故电气间隙需在常规配置的基础上结合试验进行修正。试验设置如图1所示，考虑干燥和淋雨两种试品状态以及250 μs和1000 μs两种波前时间的冲击电压波形，得到表3试验数据。采用标准操作冲击电压的50%放电电压与间隙距离经验公式对数据进行拟合。

表3 横担间隙50%操作冲击电压试验结果

图1 复合横担塔头间隙试验试品

U50=3400K/(1+8/d)

(1)

式中：K为间隙系数；d为间隙距离，m；U50为50%放电电压，kV。

500 kV交流输电系统2%最大操作过电压水平取2.0 pu；500 kV设备海拔1000 m及以下地区，考虑3%的惯用偏差以及10%的安全裕度，雷电冲击50%放电电压要求值为1909 kV，可得500 kV复合横担杆塔间隙配置推荐值如表4所示。

表4 500 kV复合横担杆塔间隙配置推荐值 单位：m

1.3 悬垂金具

采用复合横担时，导线与横担间有两种连接方式：采用悬垂绝缘子和不采用悬垂绝缘子，具体布置分别如图2、图3所示。对于非常规的不采用悬垂绝缘子，是利用了复合材料的绝缘性，消除塔头风偏从而减小塔头尺寸。

图2 采用悬垂串

图3 不采用悬垂串

对采用悬垂绝缘子和不采用悬垂绝缘子两种方案进行电场有限元计算，仿真结果如图4所示，具体数据见表5。

(a)采用悬垂串电位分布 (b)不采用悬垂串电位分布图4 复合横担电位分布

表5 复合横担电压分布

可以看出，复合横担加装悬垂串绝缘子电压分布不均匀，绝缘子承受电压很高，横担承受电压较低，易发生闪络；复合横担取消绝缘子，增大横担长度，并加装均压屏蔽环后，其电位分布优于500 kV线路加装绝缘子的电位分布。

2 塔头设计

复合横担杆塔的塔头设计，主要考虑利用横担的绝缘性能优化相对地及相间间隙、不均匀冰电磁环境等方面，使塔头更为紧凑。

根据以往复合材料横担杆塔设计经验，复合横担有水平布置和斜向布置两种方式。复合横担斜向布置时，应避免风偏时导线及金具与复合横担碰撞。绝缘子串摇摆角按式(2)计算。

(2)

式中：PJ为悬垂绝缘子串风压，N；GJ为悬垂绝缘子串垂直荷载，N；P为各工况下的导线风荷载，N/m；WL为导线单位自重，N/m；lh为杆塔水平档距，m；lv为杆塔折算到实际工况下的垂直档距，m；α为高差系数；T为各工况下导线的张力，N；θ为杆塔转角角度。

在考虑绝缘间隙时，需考虑塔身出口处导线弧垂对间隙的影响。小弧垂的计算方法如式(3)所示。

(3)

式中：γ为导线比载，N/m·mm2；σ为导线应力，N/mm2；b为横担半宽，m；l为档距，m；Δf为小弧垂，m。

计算得到带电部分与杆塔接地构件的最小间隙见表6，依据此得到复合杆塔塔头尺寸见图5。

图5 塔头尺寸

表6 绘制间隙圆的参数

3 杆塔结构设计

3.1 整体结构

复合材料存在抵抗弹性形变能力差和抗压不稳定的缺陷，国内复合材料加工技术暂时无法生产各种尺寸构件，难以满足“格构式”杆塔所有构件的强度需求。故在使用复合材料时应避开承担形变力大的部分，减少多件复合材料的连接；同时充分发挥复合材料的良好绝缘性能，在塔头及横担部分使用复合材料。基于上述原则，500 kV同塔双回复合杆塔中对绝缘性要求高、尺寸较小、连接较少的横担部分采用复合材料，杆塔主体塔身仍采用钢材，在有效保证杆塔的绝缘性能及结构强度的前提下有效减少钢材耗量。

3.2 横担设计

采用复合材料制作的横担通常有“悬臂单杆”和“拉压双杆”两种结构形式。“悬臂单杆”式横担结构形式见图6，其结构简单安装方便，但依靠复合材料自身的抗弯能力来传递荷载，变形较大。

图6 悬臂单杆复合材料横担

“拉压双杆”式横担结构形式见图7，其支柱绝缘子和复合绝缘子均以轴向受力为主，受力和变形较小。对于500 kV复合材料塔，铁塔荷载较大、横担长度较长，采用悬臂单杆柱绝缘子将承受很大的弯矩，故采用拉压双杆式横担。

图7 拉压双杆复合材料横担

主要构件及规格信息见表7。

表7 构件选材明细

3.3 结构有限元分析

通过有限元软件对GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》规定的荷载进行分析，可以得到各工况下复合材料横担杆件的轴力。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8，每种工况结构轴力图见图8—图12。

表8 各类杆件受拉及受压的控制荷载和对应控制工况

上横担斜拉绝缘子的控制工况为最大覆冰气象条件下右侧地线断裂、上横担右侧导线断线、其他导线未断，其杆塔和复合绝缘子横担及塔身受力情况如图8所示，其上横担斜拉绝缘子受拉力78.24 kN；中横担斜拉绝缘子的控制工况为最大覆冰气象条件下右侧地线断裂、中横担右侧导线断线、其他导线未断，其杆塔和复合绝缘子横担及塔身受力情况如图9所示，其上横担斜拉绝缘子受拉力79.22 kN；下横担斜拉绝缘子的控制工况为最大覆冰气象条件下右侧地线断裂、下横担右侧导线断线、其他导线未断，其杆塔和复合绝缘子横担及塔身受力情况如图10所示，其上横担斜拉绝缘子受拉力66.03 kN；图11及图12反映了横担绝缘子在控制工况4和5下承受压力的情况，从而确定复合横担的尺寸及控制荷载情况。

图8 控制工况1

图9 控制工况2

图10 控制工况3

图11 控制工况4

图12 控制工况5

4 经济性分析

以国家电网有限公司典型设计5E1-SZ1(呼高42 m)为例，由于采用复合材料横担，复合材料横担杆塔的全高比传统角钢塔低8.3 m。根据上述分析，复合材料横担塔的悬垂串长为1.5 m，传统角钢塔的悬垂串长为5 m，为保证下横担导线对地距离相同，将38.5 m呼高复合材料横担杆塔与传统42 m呼高角钢塔经济性进行比较，两个塔的结构布置及尺寸见图13。

图13 同等使用条件下角钢塔与复合杆塔尺寸

复合横担按照每吨3万元计算费用，对相同电压等级、相同使用气象条件下的复合杆塔与传统全钢制角钢塔的建造费用进行分析，其结果见表9。

表9 复合杆塔与传统全钢制角钢塔经济性

从表9及图14可知，当呼高为42 m时，角钢塔方案塔质量约为36.62 t。而对于相同规划条件下的500 kV复合材料横担杆塔，呼高为38.5 m，塔质量(包含复合材料横担)约为27.44 t，降低约25%。复合横担按照每吨3万元计算时,与传统角钢塔相比，复合材料塔本体造价降低约9.6%。

图14 复合杆塔与传统全钢制角钢塔经济性比较

经过测算，当复合材料横担价格达到4.5万元/t时，复合材料塔的本体造价与角钢塔基本持平。若复合材料横担价格高于4.5万元/t时，复合材料塔的本体造价高于角钢塔。

5 结 论

以500 kV通用设计5E1模块SZ1型直线塔为基础进行复合杆塔电气和结构方案研究和仿真计算，得到如下结论：

1)推荐的塔头尺寸导线水平距离由相对地间隙圆控制，而导线层间距由相间间隙控制。复合材料横担与垂直方向夹角为65°，导线层间距为7 m，上、中、下横担等效长度分别为6.1 m、8.55 m和6.75 m，地线支架长度为8.55 m，导地线挂点间距为4 m。

2)500 kV同塔双回复合杆塔，其对绝缘性要求高、尺寸较小、连接较少的横担部分采用复合材料，其杆塔主体塔身仍采用钢材，从而保证杆塔绝缘性能及结构强度的前提下，有效减少了钢材耗量。

3)在新型复合材料单价为3万元/t时，相同规划条件下的500 kV复合材料横担杆塔相比呼高为42 m的角钢塔方案，成本降低约25%。

4)当复合材料横担价格高于4.5万元/t时，复合材料塔本体造价将高于角钢塔方案，若不考虑通道清理的因素，不建议采用复合材料塔。在实际工程中应用复合材料塔时，应充分考虑复合材料横担的市场价格。