复合绝缘横担在110_kV...电线路改造工程中的应用研究_何昌林.pdf

年第 期（总第 期）年 月电瓷避雷器 （）收稿日期：复合绝缘横担在 输电线路改造工程中的应用研究何昌林，沈 帆，柯 锐，吴 雄，朱晓东，（南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），南京；国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉）摘 要：复合绝缘横担以其诸多优点，已在国内多个试点工程中成功应用，为确保这一新产品安全可靠的运行，从实际工程角度出发对复合绝缘横担进行深入研究。本研究以 直线水泥双杆为例，选用环氧实心棒作为复合绝缘横担的芯体，分析了 种复合绝缘横担结构方案的受力特点，设计了 种横担端部节点方案，并从构件抗弯和抗压稳定性两个方面分别给出了选型结果和选用方案。复合绝缘横担改造后，由于取消了悬垂绝缘子串，为了满足导线防雷要求，提出了提升避雷线的解决方案。复合绝缘横担改造过程中，由于不重新紧线且导线悬挂点提升的高度较小，导线张力和弧垂基本没有变化，仅改造杆位的垂直档距和导线对地距离有小幅度增加。由于提升避雷线高度，会大幅增加电杆的弯矩，如果采用此方法，需对电杆进行加固处理。角钢塔复合绝缘横担根部建议采用铰接连接或者两根撑杆呈三角形布置，尽量减小根部产生弯矩作用。关键词：复合绝缘横担；结构设计；节点设计；防雷设计 ，（），；，）：，：；年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）引言目前 架空输电线路存在很多钢筋混凝土电杆双杆结构，运行年限较久，随着城乡社会经济发展，城市建设、农村扩张、地形地貌变化、各类路网建设标准提升和农林种植绿化等诸多因素，造成多处线路导线对地、构筑物、林木等距离严重不足，已不能满足规程规定的安全距离要求，亟需解决现状。近年来，“拉尼娜”现象诱发各地出现极端天气，过度覆冰常使输电线路发生断线、倒杆、绝缘子闪络等严重事故。在我国南方沿海雷电活动强烈地区、西北大风微气象区、沙尘污染的沙漠地区和东南沿海大气污染严重的地区，由于雷击、风偏和污闪引起的线路跳闸事故频发，给供电网的安全稳定运行带来了长期的困扰和影响。复合绝缘横担采用复合材料芯棒包覆硅橡胶的结构形式代替铁横担和悬垂绝缘子串，具有防风偏、防污闪、耐雷水平高、防覆冰等优点，已在多个试点工程中应用，取得了比较好的效果。复合绝缘横担由于取消了悬垂绝缘子，可以消除杆塔塔头风偏放电引起的故障；表面的硅橡胶具有良好的憎水性和憎水迁移性，提高了杆塔的防污性能；复合绝缘横担呈水平布置，表面积污在雨水冲刷下容易脱落，且防覆冰性能相比铁横担更优异；复合绝缘横担可设计性强，绝缘距离及爬电距离相比悬垂绝缘子串更具优势。为进一步推进新材料、新技术在输电线路领域的应用，提高输电线路运行可靠性以及线路状态感知和主动预测预警能力，国网设备部于 年组织开展了复合绝缘横担试点应用工作。尽管发布了产品设计技术导则及技术要求，但是在实际线路改造工程中还存在诸多问题，为确保这项新技术、新产品的安全可靠运行，还需深入地对复合绝缘横担的应用进行研究。绝缘横担选型目前，在电网中运行的复合绝缘横担芯体主要有实心或空心两种类型。实心类型为整体拉挤环氧棒，该种芯棒在电气性能、机械性能、徐变性能及弯曲振动性能等方面均表现出良好的稳定性，但是受拉挤工艺的限制，目前国内生产的实心芯棒直径不大于 。空心类型分填充硬质绝缘物和填充微正压或常压的绝缘气体，此种芯体重量较轻，可以生产较大的截面尺寸，已在部分网省公司试点应用。然而，户外服役对于复合绝缘横担的密封性能要求较高，在极端气象条件或长期的环境作用下，空心类型的复合绝缘横担由于存在多种界面问题，可能导致绝缘性能下降，引起比较大的事故。而实心芯棒消除了空心管材填充惰性气体容易泄露的绝缘缺陷，也避免了填充绝缘物存在气隙从而引起潮气进入内部出现的绝缘隐患，故综合考虑，本文复合绝缘横担芯体设计采用实心环氧拉挤棒。结构设计研究 工程概况以某 架空输电线路工程为例，杆型为水泥杆双杆，横担为角钢桁架结构，并带有圆钢拉杆，共同承受垂直荷载和断线张力的作用，见图。该线路 年投入运行，处于 级污秽区、级雷区，线路附近雷电活动频繁，经常发生雷击跳闸，给运维单位造成很大困扰。由于线路走廊下树木生长迅速，对地安全距离已趋于临界值，亟需进行改造。电杆采用 电杆，埋深 ，呼高 ，塔头尺寸见图。导线采用 ，水平档距 ，垂直档距 ，覆冰厚度 ，风速 ，主要受力工况及荷载见表。图 直线双杆结构示意图 表 主要受力工况及荷载（设计值）（）工况名称垂直线路方向顺线路方向竖直方向大风 覆冰 断线 安装 年第 期复合绝缘横担在 输电线路改造工程中的应用研究（总第 期）改造方案为尽量降低改造费用，电杆不进行更换，由于电杆穿钉位置及横担拉杆位置不便于更改，故绝缘横担及拉杆安装位置均保持不变。由于复合材料弹性模量较小，采用复合绝缘横担加绝缘拉杆的结构形式。以边相横担为例，设计了 种结构方案，见图。方案一为一根撑杆带一根斜拉杆形式，方案二为两根平行撑杆带一根斜拉杆形式，方案三为两根撑杆带斜拉杆形式，两根撑杆呈三角形布置。图 复合绝缘横担结构方案 结构计算分别对 种结构方案的杆件受力情况进行计算，计算结果见表 表，轴力为负值时表示受压，为正值时表示受拉。由计算结果可以看出，横担在断线工况和安装工况下受力最大，方案一中横担受到的弯矩最大，而轴力最小，方案二中横担受到的弯矩较小，轴力较大，方案三中横担几乎没有弯矩作用，而轴力最大。表 结构方案一的计算结果 工况名称横担最大轴力 横担最大弯矩（）拉杆最大拉力 大风 覆冰 断线 安装 表 结构方案二的计算结果 工况名称横担最大轴力 横担最大弯矩（）拉杆最大拉力 大风 覆冰 断线（）安装 表 结构方案三的计算结果 工况名称横担最大轴力 横担最大弯矩（）拉杆最大拉力 大风 覆冰 断线（）安装 绝缘拉杆在运行过程中仅受拉力作用，结构类似于悬式复合绝缘子，选用时满足所需的拉伸负荷即可，可依据 架空输电线路设计规范中的规定进行。复合绝缘横担在运行过程中，会受到轴压、轴拉和弯曲作用，强度校核可采用有限元软件并结合试验数据进行，而轴压结构稳定性计算由于没有相关资料参考，稍显麻烦。由于复合材料的弹性模量和强度与钢材存在较大的差别，因此不能直接套用钢结构的稳定系数，目前关于复合材料构件稳定系数的研究和积累十分稀缺。笔者采用有限元软件 提供的特征值屈曲分析模块对复合绝缘横担进行结构稳定性计算。虽然特征值屈曲分析方法未考虑结构非线性和初始缺陷的影响，而只适应于较理想的结构，但由于该方法计算简单，可以为以后的深入计算提供依据，因此仍被广泛采用。特征值屈曲分析分两步。第一步应用静力分析，通过对结构施加一个参考荷载进行线性分析获得相应的内力和变形状态，并形成刚度矩阵；第二步应用屈曲分析，建立屈曲平衡方程，求解特征值和特征向量。种结构方案的复合绝缘横担的强度和稳定校核数据见表 所示。从表 可以看出，方案一的规格尺寸最大，应力最大，方案二的应力较大，稳定性最好，方案三的应力最小，种方案均满足要求，可结合塔型及节点设计根据实际情况进行选取。表 横担强度和结构稳定校核结果 项目方案一方案二方案三芯棒直径 横担最大应力 特征值屈曲模态第一阶系数 年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）节点设计由于输电杆塔的节点很多，复合材料不能像钢材一样打孔或者焊接，且复合绝缘横担结构形式与角钢横担有所区别，因此节点需要根据横担的受力情况进行详细设计。复合绝缘横担撑杆两端金具一般采用 钢材，钢套筒结构，与芯棒通过压接工艺连接，此种连接结构已成熟应用于悬式复合绝缘子，较为稳定可靠。结合横担的结构方案，提出了 种横担端部节点方案，见图。节点（见图（）采用法兰连接，能抵抗较大的弯矩作用，适合横担结构方案一和方案二。节点（见图（）采用铰接连接，适合二力杆件，如横担结构方案三。节点（见图（）和（见图（）采用插板连接，通过布置一定数量的螺栓，可承受一定的弯矩作用和轴向力作用，比较适合结构方案二和方案三。在 种横担结构方案中，其中结构方案三由于横担根部跟开较小，挂线端节点设计较为困难，且硅橡胶伞裙容易干涉，因此水泥双杆不建议采用此种结构，而角钢塔尺寸较大，可采用此种结构。由于横担存在一定弯矩作用，当采用节点 和节点 形式时，建议至少设置 个螺栓。图 复合绝缘横担端部金具结构方案 防雷设计使用复合绝缘横担后，导线悬挂点提高，虽然增加了对地距离，但是导线是否在避雷线的保护范围内需进行校核。两根等高平行避雷线的保护范围见图 所示，两避雷线外侧的保护范围按式（）进行计算，两避雷线中间的保护范围按式（）进行计算。图 两根平行避雷线的保护范围 （）（）（）式中：避雷线的高度；导线的高度；高度影响系数，；两避雷线间的距离，。避雷线的保护范围计算结果见表，通过计算发现采用绝缘横担后，若避雷线高度不变的情况下，边导线不在避雷线的保护范围内。为了满足防雷要求，现有 种方案：）降低导线横担约一个悬垂绝缘子的高度，但是由于电杆穿钉位置及拉线抱箍位置无法更改，且降低导线横担高度也失去了改造的目的，因此该方案不能采用。）缩短边导线横担长度，但是由于电气距离不满足要求且线间距离发生变化影响相邻未改造的杆塔，故此方案也不能采用。）提升地线高度，通过加装地线支架可以从一定程度上进行改善。通过计算，避雷线提高 后，避雷线可有效保护边导线。表 避雷线保护范围的计算结果 项目角钢横担绝缘横担（地线高度不变）绝缘横担（地线增高 ）要求值地线横担高度 地线金具串长 避雷线高度 呼高 导线悬垂串长 年第 期复合绝缘横担在 输电线路改造工程中的应用研究（总第 期）其他问题 导线变化假设线路处于平原地带，杆塔呼高一致，无高差，前后侧档距一致，仅改造一基杆塔，两侧杆塔均不进行改造，改造前后档内线长斜抛物线公式见式（）和（），由于仅改造直线杆，不重新紧线，因此 。（）（）式中，改造前档内电线长，；改造后档内电线长，；为档距，取值 ；电线比载，。，（）其中，为两悬挂点之间垂直距离，即改造杆位悬挂点提升的高度，取值 ；为改造前电线各点的水平应力，；为改造后电线各点的水平应力，。由于导线提升高度相对于档距来说很小，改造前后导线应力变化很小，可忽略不计。改造后的垂直档距斜抛物线计算见式（），通过计算发现，改造杆位的垂直档距有所增加。档距中央最大弧垂的斜抛物线公式见式（），导线悬挂点到导线最低点间垂直距离的斜抛物线公式见式（），改造前后导线最低点垂直距离的变化公式见式（）。以最高气温条件为例，最高气温条件下档距中央导线弧垂为 ，改造杆位导线悬挂点提高 后，导线最低点提升高度为 。（）（）（）()（）（）()（）式中，（）为导线悬挂点到导线最低点间的垂直距离，为导线最低点，为导线悬挂点（未改造的杆位）电杆强度为了满足防雷要求，地线高度提升了 ，电杆受力将发生变化，电杆强度是否满足设计值，需进行校核。由于线路老旧，设计资料不全，故只能对电杆强度进行对比分析。通过有限元软件建立水泥杆双杆的模型进行结构计算，有限元模型见图，受拉线限制，电杆在断地线工况下弯矩最大。通过比较发现，地线高度提升 后，电杆弯矩增加了 ，由于电杆弯矩增加幅度较大，难以保证电杆强度满足设计值，需对电杆整体进行加固。经计算在电杆顶部增设横梁，可有效降低电杆弯矩至改造前的水平。角钢塔改造角钢塔的横担采用角钢桁架结构，横担上、下平面在挂线点处相交一条线，横担视为有上、下两片桁架组成，上、下平面均布置了斜材，共同承受垂直荷载和断线张力的作用。改造为复合绝缘横担后，采用两根撑杆带两根斜拉杆结构形式，两根撑杆呈三角形或梯形布置。图 水泥双杆的有限元模型 由于角钢塔横担根部连接件为火曲板，不能承受较大弯矩作用，建议横担根部采用铰接形式（如节点）或者横担尽量呈三角形布置，避免横担根部产生弯矩作用。由于导线提升后，防雷保护角不能满足要求，需对杆塔进行加高，需校核杆塔强度是否满足要求，必要时需对杆塔进行加固处理。结论本研究以 直线水泥双杆工程为例，从横担选型、结构方案、节点设计、防雷等方面对复合绝缘横担在线路改造工程中的应用进行了深入研究。）笔者选取环氧实心棒作为复合绝缘横担的芯体，根据杆型设计了 种结构方案，分析了 种结构方案的受力特点，从