10kV复合材料电杆在大风作用下的安全可靠性研究.pdf

２０１６年第１１期玻璃钢／复合材料８ｌ１０ｋＶ复合材料电杆在大风作用下的安全可靠性研究何昌林，朱晓东，沈帆，柳欢欢（武汉南瑞电力工程技术装备有限公司，武汉４３００７０）摘要：针对ｌ０ｋＶ复合材料电杆在沿海防风加固工程中的应用，计算分析了１ＯｋＶ复合材料电杆抗风能力，结果表明１０ｋＶ复合材料电杆能够抵抗至少１７级的台风。利用随机理论模拟动态风速，通过有限元软件ＡＮＳＹＳ计算分析了１０ｋＶ复合材料电杆配电线路在平均风和脉动风共同作用下的动态响应。结果表明：电杆底部弯矩变化范围较大，最大值甚至达到标准弯矩的４倍；同时，电杆顶部位移比较大，但是导线间距仍在安全范围内。通过比较可以看出，无论是承载能力还是动力学特性，复合材料电杆相比水泥杆更具有优势。关键词：复合材料电杆；脉动风；有限元；时程分析———中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１６）１１００８１０４１引言“”据统计，２０１４年７月，超强台风威马逊登陆我国沿海城市，中心风力１７级，最大风速达６０ｍ／ｓ。“”台风威马逊引起海南省、广东省、广西省１０ｋＶ线路断、倒、斜杆４４２０３多基（含１０ｋＶ、４００Ｖ）Ｊ。无“”独有偶，２０１５年１０月，台风彩虹登陆广东湛江，致该市区首次出现１８级阵风，市区电线杆一片狼藉，造成大片街道社区停电。从现场情况看，损坏的多为低强度水泥杆。综合其原因，主要有基础稳定性差、电杆老化锈蚀严重、档距过大、最大风速超出设计标准、线路附近环境复杂等因素。针对电杆本体方面，可以考虑采用预应力锥形水泥杆或大弯矩电杆（高强度电杆），或者增加防风拉线设计Ｊ。另外，一种采用聚氨酯复合材料制备的电杆由于其强度高的优点受到广泛关注。这种聚氨酯复合材料电杆不仅具有出色的抗风能力，重量也非常轻Ｊ。由于重量轻，它们可以手动搬运和安装，４个成年人即可抬起，即使在地形条件极为恶劣的地区，也能轻松到达。除此之外，聚氨酯复合材料表现出良好的电气绝缘性、耐腐蚀性和紫外老化性能，从而提高了线路的耐雷水平，延长了电杆的使用寿命，增强了线路运行的可靠性Ｊ。据统计，自２０１３年至今，南方电网防风加固工程采用了１５００多基聚氨酯复合材料电杆，已经表现出良好的技术经济特性。国外对复合材料电杆的研究比较早，且已有２０多年的使用经验。１９世纪６０年代，日本采用复合材料制备输电线路横担，很好地解决了困扰多年的风偏闪络事故。美国Ｅｂｅｒｔ和Ｓｔｒｏｎｇｗｅｌｌ公司制备的复合材料电杆表现出优异的抗拉性能，由于其出色的材料性能，在严酷的自然环境中非常耐用。同时Ｅｂｅｒｔ公司在加利福尼亚南海岸树立三基复合材料杆塔，对其在实际运行环境下进行监测，最终在严酷的自然环境下运行良好，在十年之内不生锈、无腐蚀、未损坏，并且表现出良好的抗风能力。国内对复合材料杆塔的研究起步较晚。２００７年，国网电科院武汉高压研究院对１０ｋＶ线路复合材料绝缘杆塔塔头、横担进行了雷击和污秽试验，随后又对１１０ｋＶ复合材料绝缘杆塔塔头进行了电气试验，对整塔进行了机械ｌ生能试验。试验结果表明，复合材料杆塔相比传统杆塔具有较高的绝缘水平，强度满足设计标准，但是挠度相对较大，动力学特性仍需研究８ｊ。文献［９］提出复合材料电杆设计时，宜采用挠度控制，以避免位移过大影响线路运行安全。本文将针对１０ｋＶ复合材料电杆在大风作用下的安全可靠性进行研究，主要研究复合材料电杆抵抗大风的能力和复合材料电杆配电线路在风荷载动态作用下的变化规律，以期为复合材料电杆的大范围应用提供理论支持。２抗风能力设计条件参照国家电网公司１０ｋＶ配网线路典型设计进行选取。气象条件选Ａ区，最高气温为４０，℃最低气温为－１０，最大风速为３５ｍ／ｓ，覆冰为收稿日期：２０１６．０６－Ｏ１作者简介：何昌林（１９８４一），男，工程师，硕士，主要从事复合材料在电力系统中的应用研究。８２１ＯｋＶ复合材料电杆在大风作用下的安全可靠性研究２０１６年１１月５ｍｍ。导线采用ＪＬ－２４０铝绞线，导线安全系数为７．０，档距为６０ｍ。电杆为单回直线单杆，导线排列方式为水平排列，结构示意图如图１所示。电杆长为１２ｍ，梢径为１９０ｍｍ，埋深为１．９ｍ。图１杆头示意图Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｐｏｌｅｈｅａｄ电杆根部弯矩设计值、标准值计算点为距地面以下电杆埋深１／３处。经计算，９０。大风工况下电杆根部弯矩最大，电杆根部弯矩标准值为３１．４５ｋＮ・ｍ，设计值为４４．０３ｋＮ・ｍ。根据计算结果，可选择水泥杆型号为￣ｂｌ９０ｘ１２ｘＪｘＧ（开裂检验弯矩为３４．１３ｋＮ・ｍ，承载力检验弯矩为６８．２６ｋＮ・ｍ）１０３。由于风速具有随机性，如果实际风速超过设计风速，水泥杆根部可能发生开裂。而复合材料在破坏之前卸掉荷载，变形能完全恢复。目前，南方电网防风加固工程中广泛采用的１２ｍ复合材料电杆梢径为１９０ｍｍ，重量在１９５ｋｇ左右，承载力检验弯矩为１４０．５ｋＮ・ｍ。当实际风速超过设计风速时，电杆根部弯矩值如表１所示。由表１可以看出，在１７级台风下复合材料电杆仍有一定的安全裕度，并且此种电杆的变形在卸力之后能完全恢复。因此，复合材料电杆应用于１０ｋＶ配网线路在结构上是安全可靠的，具有很强的抗风能力。表１电杆在大风作用下的弯矩最大值Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｂｅｎｄｉｎｇｍｏｍｅｎｔｏｆｔｈｅｐｏｌｅｕｎｄｅｒｔｈｅｈｉｇｈｗｉｎｄ３动态分析在实际结构工程应用中，通常将作用在结构物上的风看作平均风和脉动风的共同作用来分析。平均风在给定的时间内，只随高度变化，而变化与时间无关，可以看作常量，作用性质相当于静力；而脉动风由风的不规则性引起，随时间随机变化。因此，风的动态模拟过程实际上是脉动风的模拟过程］。３．１有限元模型复合材料电杆参数出自广东电网有限责任公司电力科学研究院出具的《聚氨酯复合材料电杆委托—试验报告》（报告编号：ＧＩ６１１０Ｑ１．０１４２０１５）。此测试受国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司委托，对该公司复合材料电杆产品性能进行测试。根据产品尺寸以及弯矩为１４０．５ｋＮ・ｍ下的挠度值为１８５０ｍｍ，计算出电杆的轴向弹性模量为２７．４ＧＰａ。假定导线两悬挂点间的垂直距离为零，坐标Ｏ点位于导线悬挂点处的曲线方程式：式中：为电线比载（即单位长度单位截面上的荷载），Ｎ／ｍ・ｍｍ；ｏｒ。为电线各点的水平应力（即最低点应力），Ｎ／ｍｍ；Ｚ为档距（两悬挂点间水平距离），ｍ。经计算，档距为６０ｍ时，导线应力的控制工况为最大风速。最大风速工况下，＝２１．６９ＭＰａ，Ｙ＝０．０５６２７Ｎ／ｍ・ｍｍ。设定一计算工况：温度为１０ｃＣ（最大风速工况下的温度）；风速为０ｍ／ｓ；覆冰为０ｍｍ。计算工况下的导线应力和比载分别为１１．４９ＭＰａ和０．０２６９８Ｎ／ｍ・ｍｍ。计算工况下导线曲线方程式为：Ｙ＝一Ｏ．００１１７４（６０一）根据导线曲线方程建立导线及电杆的有限元模型，如图２所示，两侧导线最低点施加对称约束，导线施加的预应力值为１１．４９ＭＰａ。图２电杆及导线有限元模型Ｆｉｇ．２Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｓｏｆｐｏｌｅｓａｎｄｗｉｒｅｓ２０１６年第ｌｌ期玻璃钢／复合材料８３３．２风荷载计算通常用功率谱和相关函数这两个函数来描述脉动风。目前采用最广泛的是Ｄａｖｅｎｐｏｒｔ于１９６１年提出的沿高度不变的风速谱¨２，表达式如下：２——Ｓｖ（＝４Ｋ品，（１＋）了１２００ｆ■＿１０式中：５（为脉动风速功率谱，ｍ／ｓ；ｆ为脉动风频率，Ｈｚ；ｖ。为１０ｍ高度处平均速度；为表征地面粗糙度的系数。对于任意两点的空间相关性系数，Ｄａｖｅｎｐｏｒｔ建议的公式为：Ｃｏｈ１，２，ｚ１，２），ｆ［ｃ（ｚ一Ｚ２）＋ｃ（。一Ｘ２）］寺——————————————■————————————ｅｘｐＬ一＝一王，式中：ｆ为频率；Ｃ为衰减系数，Ｃ＝１６，Ｃ＝１０。本文采取谐波叠加法模拟空间相关的风速时程曲线。谐波叠加法基于谱分解和三角级数叠加求和来模拟脉动风时程。依据Ｓｈｉｎｏｚｕｋａ理论，随机脉动风速可以按照下式生成：』Ｎ（￡）＝∑∑ｌ）１ｃｏｓ（２州））ｍｌｌ１…（＿『＝１，２，，ｎ）ⅣⅣ其中：风速谱在频率范围内划分成个相同部分，△∞为充分大的正整数；为频率增量；（）为两个不同作用点之间的相位角；为均布分布于［０，２，ｔｒ］的随机数。沿线路方向，每隔２０ｍ分布１个模拟点，共模拟７个点，模拟点距地面高度为１０ｍ。ｖ。＝３５ｍ／ｓ，Ｂ类地貌，ＩＸ＝０．１６，＝０．００２１５［１，风荷载时程总长—＝２００Ｓ，步长Ａｔ＝０．２ｓ，频率范围为０．００１１Ｈｚ，Ⅳ频率范围等分数＝１０００。利用Ｍａｔｌａｂ编程计算了模拟点处的脉动风速，由于篇幅有限，点１的脉动风速时程见图３。图４为脉动风速样本功率谱与目标谱曲线对比图，从图４中看出功率谱围绕着目标谱上下振动，吻合度良好。图３模拟点１的脉动风速Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇｗｉｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｔｈｅｐｏｉｎｔ１图４模拟点１的功率谱与目标谱比较Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｐｏｗｅｒｓｐｅｃｔｒｕｍａｎｄｔｈｅｔａｒｇｅｔｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｔｈｅｐｏｉｎｔ１３．３计算分析在脉动风和平均风的共同作用下，电杆根部的时程弯矩图如图５所示，根部弯矩在３０ｋＮ・ｍ和１２０ｋＮ・ｍ之间波动。可见，电杆在平均风和脉动风共同作用下，底部弯矩变化的范围很大，最大值甚至达到标准弯矩的４倍，远远超出了水泥电杆的承载力检验弯矩。因此，要确保安全必须选用更高级别的水泥杆。而如果选用复合材料电杆，根部弯矩最大值仍在其承载力检验弯矩范围之内，结构上是安全可靠的。图５电杆根部时程弯矩图Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｓｃｈｅｄｕｌｅｂｅｎｄｉｎｇｍｏｍｅｎｔｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｂｏｔｔｏｍｏｆｔｈｅｐｏｌｅｌ０ｋＶ复合材料电杆在大风作用下的安全可靠性研究２０１６年１１月复合材料电杆顶部的时程位移图如图６所示，杆顶位移在０．４８ｍ和１．７ｍ之间波动，可见在大风作用下，复合材料电杆杆顶偏移量比较大。图７为档中央导线时程间距图，间距在０．７４ｍ和０．７８ｍ之间波动，可见尽管电杆顶部位移比较大，导线间距仍在安全范围内。图６电杆杆顶时程位移图Ｆｉｇ．６Ｔｈｅｓｃｈｅｄｕｌｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｔｏｐｏｆｔｈｅｐｏｌｅ图７中央导线时程间距Ｆｉｇ．７Ｔｈｅｓｃｈｅｄｕｌｅｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｏｎｄｕｃｔｏｒｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅｏｆｔｈｅｓｐａｎ４结语通过对目前国内采用最广泛的ｌ０ｋｖ复合材料电杆计算分析，可以看出复合材料电杆相比普通水泥杆能够承受更大的荷载，能够抵抗至少１７级的台风。通过对１０ｋＶ复合材料电杆配电线路在大风作用下的动态分析可以看出，在承受平均风和脉动风共同作用下，即实际工程环境下，复合材料电杆相比水泥杆在结构安全可靠性上更具有优势。尽管复合材料电杆杆顶挠度较大，但是导线间的距离变化不大，在规范规定的范围之内。参考文献［１］植芝豹．威马逊台风下大量配电线路电杆倾倒和断裂的原因分—析［Ｊ］．广西电力，２０１５，３８（３）：３０４４．［２］练伟兵．浅谈配电线路抗风改造措施［Ｊ］．电力安全技术，２０１５，—ｌ７（４）：４９５１．［３］彭向阳，黄志伟，戴志伟．配电线路台风受损原因及风灾防御措施分析［Ｊ］．南方电网技术，２０１０，４（１）：９９．１０２．［４］杨永昆．聚氨酯复合材料杆塔在配电线路中的应用［Ｊ］．云南电力技术，２０ｌ３，４１（２）：５０－５２．．［５］吴雄，胡虔，孟凡卓，等．玻纤增强复合材料电杆及横担用聚氨—酯树脂合成及性能［Ｊ］．塑料工业，２０１４，４２（６）：１２１１２３．［６］胡毅，王力农，郑传广，等．１０ｋＶ线路防雷击及污闪的绝缘塔头和横担［Ｊ］．高电压技术，２００７，３３（１２）：１０８．１１０．［７］杨敏祥，陈原，李卫国，等．复合材料杆塔研究现状及关键技术—问题［Ｊ］．华北电力技术，２０１０（１０）：４８５０．［８］胡毅，刘庭，刘凯，等．１１ＯｋＶ输电线路复合材料杆塔特性试验研究［Ｊ］．高电压技术，２０１１，３７（４）：８０１－８０８．［９］柳欢欢，朱晓东，柯锐，等．１ＯｋＶ复合材料输电杆塔有限元结—构设计及工程应用研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１５（１）：６９７３．—［１０］环形混凝土电杆：ＧＢ／Ｔ４６２３２０１４［ｓ］．［１１］龚靖，毛雨，王永益．双回路窄基铁塔的风振响应分析［Ｊ］．广—西电力，２０１１，３４（６）：８９９２．［１２］王之宏．风荷载的模拟研究［Ｊ］．建筑结构学报，１９９４，１５（１）：４４．５２．［１３］米曦亮．脉动风风速谱及空间相关性研究［Ｊ］．山西建筑，—２００７，３３（６）：２９９３００．［１４］陈颖，陈小兵，何微．脉动风荷载时程数值模拟研究［Ｊ］．建材—技术与应用，２０１４（５）：５８．［１５］王修琼，崔剑峰．Ｄａｖｅｎｐｏｒｔ谱中系数Ｋ的计算公式及其工程应用［Ｊ］．同济大学学报，２００２，３０（７）：８４９・８５２．ⅡＳＴＵＤＹｏＮＳＡＦＥＴＹＡＮＤＲＥＬＩＡＢＩＴＹｏＦ１０ｋＶＣＯＭＰＯＳＩＴＥＰＯＬＥＩＮＴＨＥＳＴＲＯＮＧＷＩＮＤ—ＨＥＣｈａｎｇ・ｌｉｎ，ＺＨＵＸｉａｏ－ｄｏｎｇ，ＳＨＥＮＦａｎ，ＬＩＵＨｕａｎｈｕａｎ（ＷｕｈａｎＮＡＰｄＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＥｑｕｉｐｍｅｎｔＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ４３００７０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ１０ｋＶｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｏｌｅｉｎｔｈｅｃｏａｓｔａｌｗｉｎｄｂｒｅａｋｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｗｉｎｄｐｒｏｏｆａｂｉｌｉｔｙｏｆ１０ｋＶｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｏｌｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ１０ｋＶｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｏｌｅｃｏｕｌｄｒｅｓｉｓｔａｔｌｅａｓｔ１７ｔｙｐｈｏｏｎ．Ｔｈｅｓｔｏｃｈａｓｔｉｃｔｈｅｏｒｙｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｔｈｅ１０ｋＶｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｏｌｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｉｒ－ｃｕｉｔｉｎｔｈｅａｖｅｒａｇｅｗｉｎｄａｎｄｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇｗｉｎｄｂｙｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅＡＮ．—ＳＹＳ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｂｅｎ—ｄｉｎｇｍｏｍｅｎｔａｔｔｈｅｂｏｔｔｏｍｏｆｔｈｅｐｏｌｅｈａｄＳＯｂｉｇｃｈａｎｇｅｔｈａｔｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｗａｓｐｒｏｍｏｔｅｄｕｐｔｏ４ｔｉｍｅｓｏｆｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｂｅｎｄｉｎｇｍｏｍｅｎｔ．Ａｎｄ，ｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｔｔｈｅｔｏｐｏｆｔｈｅｐｏｌｅｂｅｃａｍｅｌａｒｇｅｒ，ｂｕｔｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｗｉｒｅｓｗａｓｗｉｔｈｉｎｔｈｅｓｃｏｐｅｏｆｔｈｅｓｅｃｕｒｉｔｙ．Ｂｙｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｉｔｃａｎｂｅｓｅｅｎｔｈａｔ，ｎｏｍａｔｔｅｒｔｈｅｃａｒｒｙｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｔｈｅｄｙ－ｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｏｌｅｈａｓｍｏｒｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｔｈａｎｔｈｅｃｏｎｃｒｅｔｅｐｏｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｏｌｅ；ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇｗｉｎｄ；ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ；ｔｉｍｅｈｉｓｔｏｒｙａｎａｌｙｓｉｓ