10kV复合材料输电杆塔有限元结构设计及工程应用研究.pdf

２０１５年第１期玻璃钢／复合材料６９ｌＯｋＶ复合材料输电杆塔有限元结构设计及工程应用研究柳欢欢，朱晓东，柯锐，叶丽军（１．国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉４３００７４；２．国网辽宁省电力有限公司丹东供电公司，丹东１１８０００）摘要：为解决复合材料在输电杆塔中的应用问题，本文以１０ｋＶ送电线路实际工程为背景，从输电杆塔的各种工况荷载计算入手，建立有限元分析模型，对复合材料输电杆塔进行结构设计。通过ＡＮＳＹＳ软件分别建立了杆身及横担力学模型，对杆塔实际运行中各种工况进行力学计算，通过杆塔力学真型实验验证了复合材料用于１０ｋＶ输电杆塔制备的可行性，并已成功应用于多处输电线路上。关键词：复合材料，输电线路，杆塔结构，有限元，ＡＮＳＹＳ，玻璃钢——中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１５）Ｏ卜００６９０５ｌ前言我国现行＜＜ｌｌＯｋＶ～５００ｋＶ架空送电线路设计技术规程》和《ＤＬＴ５１５４．２００２架空送电线路杆塔结构设计技术规定》¨指导着输电塔架的结构设计，但是传统的输电杆塔存在着质量重、易锈蚀、耐久性差、使用寿命较短、施工运输和运行维护困难等缺陷，容易出现各种安全隐患Ｊ。近年来，随着复合材料应用技术研究的逐渐深入，人们已认识到纤维增强树脂复合材料具有质量轻、强度高、耐腐蚀和电绝缘性能好等特点＿３］。应用复合材料制造输电线路杆塔将在降低输电线路事故率、节约土地资源、减少电网系统钢材用量、降低输电线路综合运行成本等方面具有独特的优势，因而具有重要的科研和应用价值ｌ７＿。然而，目前国内专用的输电铁塔设计软件均无法计算复合材料这种各向异性材料。为解决复合材料在输电杆塔中的应用问题，本文以某１０ｋＶ双回路送电线路实际工程为背景，采用通用有限元软件ＡＮＳＹＳ从输电杆塔的各种工况荷载计算人手，建立有限元分析模型，对复合材料输电杆塔进行结构设计。２复合材料杆塔有限元分析２．１工程概况该工程电压等级为１０ｋＶ，双回路，直线杆塔，导线型号为ＪＫＬＧＹＪ一２４０／３０，水平档距为６０ｍ，垂直档距为８０ｍ。参考《国家电网典型设计》，当地气象条件如表１所示。表１气象条件Ｔａｂｌｅ１Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎ２．２有限元计算在复合材料结构分析中，已经广泛采用有限元数值仿真分析ｊ。普通的杆塔设计软件多将构件离散成两节点单元进行计算，不适用于复合材料这种各向异性材料并且无法体现复合材料的铺层形式。因此对复合材料杆塔的分析计算应当采用四节点的壳单元或八节点的实体单元。图１为在有限元软件中用六面体实体单元对复合材料横担的建模，该结构件由内至外共分三层，内外表面层为玻璃纤维布且按４５。方向排布，中间层为０。玻璃纤维纱结构。可见采用这种计算方法可以使铺层的力学性能、铺层方向、铺层形式直接体现在刚度矩阵中，能够有效模拟复合材料的实际铺层情况。—收稿日期：２０１４－０４２９作者简介：柳欢欢（１９８６一），男，硕士，工程师，主要从事复合材料在电力系统的应用研究，ｃｑｂｖｂ＠１６３．ｃｏｍ。潮鼬诞７０１０ｋＶ复合材料输电杆塔有限元结构设计及工程应用研究２０１５年１月图１复合材料横担铺层有限元建模—Ｆｉｇ．１ＦＥＡｍｏｄｅｌｏｆｃｒｏｓｓａＩ／ｎ根据杆塔各部件结构特点，横担采用拉挤工艺制备，杆身采用缠绕工艺制备，不同工艺制备的材料性能如表２所示。表２复合材料物理性能Ｔａｂｌｅ２ＰｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＦＲＰ２．２．１杆身设计参考《国家电网公司输变电工程典型设计》，原直线杆选用水泥电杆型号为ＺＹ一１５Ｃ（￣１９０ｘ１５ｘＪｘＹ），参数见表３。表３水泥杆参数Ｔａｂｌｅ３Ｃｅｍｅｎｔｐｏｌｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ直线杆拟采用复合材料电杆替换原水泥电杆，复合材料直线杆单线图如图２所示，采用有限元软件进行力学计算，如图３所示。图２复合材料直线杆设计图Ｆｉｇ．２ＤｅｓｉｇｎｄｒａｗｉｎｇｏｆＦＲＰｐｌｏｅ獬＾Ｎ图３复合材料直线杆应力云图Ｆｉｇ．３ＳｔｒｅｓｓｎｅｐｈｏｇｒａｍｏｆＦＲＰｐｌｏｅ由图３可以看到，在标准弯矩作用下，电杆挠度为１４７．５ｍｍ，应力为２２ＭＰａ，应力水平较安全。复合材料虽强度较高，但弹性模量相对较低，因此设计时宜采用挠度控制而非强度控制¨，否则位移较大，影响线路运行安全。复合材料杆与水泥杆对比数据如表４所示，可见复合材料电杆相对水泥电杆重量减轻了８２．４％。由于采用挠度控制，在相同的根部弯矩标准值下，复合材料电杆的根部弯矩设计值远大于水泥电杆，即复合材料电杆安全系数较大，能够保证线路的安全运行。表４复合材料杆塔与水泥杆对比数据Ｔａｂｌｅ４ＣｏｍｐａｒａｔｉｖｅｄａｔａｂｅｔｗｅｅｎＦＲＰｐｏｌｅａｎｄｃｅｍｅｎｔｐｏｌｅ２．２．２横担设计横担采用复合材料矩形管。根据线路信息，计算出横担挂点的受力荷载如表５所示。应对横担在各种工况下应力水平进行校核，如图４和图５所示。表５直线杆导线挂点荷载（单位：Ｎ）Ｔａｂｌｅ５Ｌｏａｄｏｆｔｈｅｃｒｏｓｓａ／ｉｎ（Ｎ）２０１５年第１期玻璃钢／复合材料７３复合材料在工程上的应用时间相对较短，目前尚无相关规程对材料老化做出规定，工程师多采用较高的设计安全系数以保证安全。因此在材料老化方面应做相关研究。参考文献—［１］１１０ｋＶ一５００ｋＶ架空送电线路设计技术规程，ＤＬＴ５１５４２００２架空送电线路杆塔结构设计技术规定［Ｓ］．［２］魏明飞．玻璃钢应用于输电铁塔的研究［Ｊ］．化学工程与装备，２０１０，（７）．［３］王庆涛．ＶＡＲＴＭ和ＲＴＭ工艺模拟仿真比较［Ｊ］．玻璃钢复合材料，２０１３，（６）．［４］王应军．玻璃钢复合材料烟囱结构设计的精细有限元方法［Ｊ］．玻璃钢复合材料，２０１３，（６）．［５］王庆涛．ＶＡＲＴＭ和ＲＴＭ工艺模拟仿真比较［Ｊ］．玻璃钢复合材料，２０１３，（６）．［６］朱轲，何昌林．插接式复合材料单杆塔有限元分析［Ｊ］．玻璃钢复合材料，２０１３年，（６）．［７］夏开全．复合材料在输电杆塔中的研究与应用［Ｊ］．高科技纤维及应用，２００５，（５）：１９－２３．［８］廖英强，苏建河．ＡＮＳＹＳ在复合材料仿真分析中的应用［Ｊ］．玻璃纤维，２００６，（４）．—［９］ＡｍｉｒＦａｍ，ＹａｉｌＪ．Ｋｉｍ，ＪｅＫｕｋＳｏｎ．Ａｎｕｍｅｒｉｃａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｉｎｔｏｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｆｒｅｅｅｎｄｔｕｂｕｌａｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｏｌｅｓｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏａｘｉａｌａｎｄｌａｔｅｒａｌｌｏａｄｓ［Ｊ］．ＴｈｉｎＷａｌｌｅｄＳｔｒｕｃｔ，２０１０，ｄｏｉ：１０．１０１６／ｊ．ｔｗｓ．２０１０．０４．００２．［１Ｏ］Ｓ．Ｉｂｒａｈｉｍ，Ｄ．Ｐｏｌｙｚｏｉｓ．Ｏｖａｌｉｚａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｆ—ｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ—ｐｌａｓｔｉｃｐｏｌｅｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，１９９９，（４５）：７１２．［１１］刘振亚．国家电网公司输变电工程典型设计［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００６．［１２］柳欢欢．复合材料输电杆塔设计方法讨论［Ｊ］．玻璃钢复合材料，２０１３．［１３］赵美英，陶梅贞．复合材料结构力学与结构设计［Ｍ］．西安：西北工业大学出版社，２００７．—［１４］ＤＬ／Ｔ８９９２００４，架空线路杆塔结构荷载试验［ｓ］．’ＦＥＭＳＴＲＵＣＴＵＲＥＤＥＳｌＧ０ｌ０ｋＶＣ０ＭＰｏＳＩＴＥＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮＴＯＷＥＲＡＮＤＴＨＥＡＰＰＬＩＣＡＴＩｏＮＳＴＵＤＹｏＦＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ——ＬＩＵＨｕａｎｈｕａｎ，ＺＨＵＸｉａｏｄｏｎｇ，ＫＥＲｕｉ，ＹＥＬｉ－ｊｕｎ（１．ＷｕｈａｎＮａｉｌＬｉｍｉｔｅｄＬｉａｂｉｌｉｔｙＣｏｍｐａｎｙ，ＳｔａｔｅＧｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ；２．ＤａｎｄｏｎｇＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＣｏ．，Ｄａｎｄｏｎｇ１１８０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｏｗｅｒ，ｂａｓｅｄｏｎａ１０ｋＶｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅ—ｐｒｏｊｅｃｔ，ｔｈｅｐａｐｅｒｃａｌｃｕｌａｔｅｓａｖａｒｉｅｔｙｏｆｌｏａｄｓｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｏｗｅｒａｎｄｂｕｉｌｄａｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｕｓｉｎｇＡＮＳＹＳ．Ａｔｌａｓｔ，ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｃｒｅｄｉｂｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＲＰ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｏｗｅｒ；ＦＥＡ；ＡＮＳＹＳｌｌｌｌｌ趣ｌ