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110kV输电线路复合材料杆塔的应用研究
硕士学位论文
110kV输电线路复合材料杆塔的应用研究
技术应用
摘要
随着科技的发展和社会的进步,社会生产和生活对电力的需求越来越大、对供电质量的要求也越来越高,而电网又始终存在各种运行风险,各种原因造成的跳闸,轻者影响供电质量,重者危及电网的安全。
随着材料科技的发展,树脂与玻璃纤维类复合材料在生产工艺和技术上的不断进步,复合材料所具有的强度高、耐腐蚀、耐疲劳、加工成型方便、轻便(密度小)、绝缘性能好等优点更加突出,已逐步取代木材及金属合金,广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等许多行业领域。
为从根本上解决传统输电线路采用钢材作为主要材料带来的上述问题,国内外相关研究单位及机构正积极开展复合材料杆塔的应用研究工作。
本文通过对复合材料物理、机械及电气性能试验情况检验其性能并分析其在高压输电线路中的应用前景,同时为进一步研究复合材料杆塔在输电线路上的应用效果,需设计出适用于110kV输电线路单回及同塔双回直线杆塔塔型并完成型式试验,具备挂网试运行的条件。
对进一步推广应用输电线路复合材料杆塔提供技术支持,对解决长期困扰电力系统的防雷、防污两大难题具有重要意义;并将推动国内复合材料生产工艺及技术的进一步发展。
因此,输电线路复合材料杆塔具有重要的工程应用价值、研究意义和经济效益。
关键词:
杆塔;输电线路;复合材料;应用研究
ABSTRACT
Withthedevelopmentofscienceandtechnologyandtheprogressofsociety,socialproductionandlifetothedemandofelectricpowerincreasing,therequirementofpowerqualityismoreandmorehigh,andthenetworkalsohasavarietyofoperationalrisk,causesofthetrip,itmayaffectthequalityofpowersupply,evenendangeringthesafetyofelectrifiedwirenetting.Withthedevelopmentofmaterialscienceandtechnology,resinandglassfibercompositematerialsintheproductionprocessandtechnicalprogress,compositematerialhashighstrength,corrosionresistance,fatigueresistance,easyfabrication,light(lowdensity),theadvantagesofgoodinsulationpropertiesbecomemoreprominent,hasgraduallyreplacedthewoodandmetalalloy,widelyapplicationintheaerospace,automotive,electrical,construction,fitnessequipmentandmanyotherindustries.Inordertofundamentallysolvethetraditionaltransmissionlineusingsteelasthemainmaterialtobringtheproblem,domesticandinternationalrelatedresearchunitsandinstitutionsareactivelycarryoutthecompositetowerappliedresearchwork.
Thisarticlethroughtothecompositematerialphysical,mechanicalandelectricalperformancetesttotestitsperformanceanalysisinhighvoltagetransmissionlineanditsapplicationprospect,atthesametimeforfurtherstudyofcompositematerialpoletowerintransmissionlineeffectsonapplication,bedesignedfor110kVtransmissionlinesingle-circuitanddouble-circuitlinetowertypeandcompletetypetest,withnetrunningconditions.Tofurtherpromotetheapplicationoftransmissionlinetowercompositematerialstoprovidetechnicalsupport,tosolvethelong-termproblemsofpowersystemlightningprotection,anti-pollutiontwoproblemshasimportantsense;anditwillpromotethedomesticproductionofcompositematerialstechnologyandthefurtherdevelopmentoftechnology.Therefore,transmissionlinecompositetowerhasimportantapplicationvalueinengineering,researchsignificanceandeconomicbenefits.
Keywords:
poletower;transmissionline;compositematerial;research
1.1研究背景
随着科技的发展和社会的进步,社会生产和生活对电力的需求越来越大、对供电质量的要求也越来越高,而电网又始终存在各种运行风险,各种原因造成的跳闸,轻者影响供电质量,重者危及电网的安全。
据不完全统计,雷击和污闪引起的线路跳闸故障在每年的架空输电线路总的跳闸故障中占了60%以上(见表1-1、表1-2),长期以来极大地困扰和影响了电网的安全、经济、稳定运行,对于我国南方沿海雷电活动强烈和大气污秽(盐污)严重的地区,则更为严重。
各国电力行业从业人员一直都在进行研究,寻求经济有效的解决途径,如提高绝缘水平、改善绝缘材料性能、降低接地电阻、优化杆塔设计以降低雷击跳闸率等,虽取得了一定的效果,但未从根本上解决上述两大难题。
同时,传统输电线路杆塔主要是采用砼杆和钢材等材料,由于钢材具有强度重量比高,易加工和安装等优点,国内外大多采用全钢材杆塔,特别是在110kV以上的高电压等级。
但是全钢杆塔也存在质量大(钢材密度较高)、易锈蚀及易被盗破坏等缺陷和隐患,以深圳电网为例,每年因塔材被盗、锈蚀等造成成的缺陷占输电设备缺陷的25%以上,直接经济损失约230万元,需投入维护改造资金约740万元。
所以在杆塔施工运输及维护方面需要投入较大的人力和物力[1-6]。
表1-1深圳市110kV及以上输电线路跳闸记录表
年份
2004年
2005年
2006年
2007年
2008年
雷击跳闸次数
38次
55次
78次
49次
76次
总的跳闸次数
70次
89次
115次
99次
132次
占总跳闸百分比
54.3%
61.8%
67.8%
49.5%
57.6%
表1-2广东省近年输电线路雷击跳闸占总跳闸的比例统计一览表
电压等级
2001年
2002年
2003年
2004年
2005年
2006年
2007年
2008
年
500kV
68.4%
71.4%
77.3%
53.1%
24.4%
71.0%
63.4%
56.5%
220kV
53.1%
48.6%
36.3%
42.3%
44.8%
46.3%
60.2%
51.0%
110kV
85.1%
74.9%
54.6%
62.8%
65.2%
56.3%
83.8%
69.9%
随着材料科技的发展,树脂与玻璃纤维类复合材料在生产工艺和技术上的不断进步,复合材料所具有的强度高、耐腐蚀、耐疲劳、加工成型方便、轻便(密度小)、绝缘性能好等优点更加突出,已逐步取代木材及金属合金,广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等许多行业领域。
为从根本上解决传统输电线路采用钢材作为主要材料带来的上述问题,国内外相关研究单位及机构正积极开展复合材料杆塔的应用研究工作[2-5]。
1.2国内外应用研究情况
1.2.1国外应用研究情况
在国外,加拿大和美国又先后开发研制了用复合材料代替钢材的输电线路用杆塔,如图1-1、1-2所示。
其中,加拿大从1995年开始复合材料杆塔研究并在加拿大部分10kV、69kV、132kV线路和变电架构等电力设施中应用了相关产品;美国也是较早开展复合材料杆塔研究的国家,曾于1996年3月在南加利福尼亚海滨一回220kV线路上安装了三基试验杆塔,其连接部件用空心管状榫接而成,但还有个别钢铁辅件,未带电运行[6-7]。
图1-1加拿大管型复合材料杆塔图1-2美国型材复合材料杆塔
1.2.2国内应用研究情况
由于国内,受制于复合材料的生产工艺及技术,复合材料杆塔的研究还处于起步阶段,在中低电压等级及市政路灯等领域,已相继研制了低压线路电杆并挂网运行;在110kV及以上电网,辽宁省电力公司、江苏远东复合技术公司及常熟市铁塔有限公司等电网、制造及研究机构也在积极开展复合材料杆塔及横担的应用研究,但在110kV电压等级以上尚未有复合材料杆塔挂网运行。
通过对国内外复合材料杆塔应用的相关资料收集及分析发现,国内外采用复合材料,主要是利用其强度高、耐疲劳、轻便(密度小)、耐腐蚀等特点,作为结构性材料使用,来代替传统的杆塔材料,以减少线路建设中的运输组装成本,以及线路建成后的维护成本。
同时,国外使用复合材料杆塔主要用于低电压等级及少雷区的高电压等级线路,杆塔多数未考虑防雷问题,也未试图利用复合材料的良好外绝缘性以提高杆塔的防污性能[3]。
本文研究应用复合材料杆塔,其目的主要是针对我国南方地区盐污比较严重、雷电活动较强、台风活动频繁及覆冰严重等特点,利用复合材料的良好外绝缘性、耐腐蚀性、轻便及无回收利用价值等特点以提高110kV及以上输电线路杆塔的防雷、防污等电气性能并降低运行维护成本。
由此可见,本文研究的复合材料杆塔,不仅仅是将复合材料作为一种结构性材料,更是将复合材料作为一种功能性材料,利用其良好的绝缘性来优化杆塔的电气性能。
同时,由于线路杆塔长期暴露在户外,承受导线、绝缘子的荷载,对复合材料电气绝缘性、机械强度以及抗环境气候老化性能较高的要求,因此,在用复合材料制造成杆塔并应用于输电线路实际运行前,必须对其材料性能进行试验验证,对杆塔结构进行合理设计,并根据试验结果进行改进及优化,以确保复合材料杆塔技术指标达到输电线路安全运行要求。
通过本文的研究,将设计出110kV输电线路单回及同塔双回直线杆塔塔型并完成型式试验,具备挂网试运行的条件。
研究成功后,将为进一步推广应用输电线路复合材料杆塔提供技术支持,对解决长期困扰电力系统的防雷、防污两大难题具有重要意义;同时,由于普通杆塔的钢材存在质量重、易锈蚀等缺点,而复合材料具备轻便、耐腐蚀、强度高、耐疲劳等优点,采用复合材料杆塔,还可以减少线路建设中及建成后的运输、组装及维护成本;并将推动国内复合材料生产工艺及技术的进一步发展。
因此,输电线路复合材料杆塔具有重要的工程应用价值、研究意义和经济效益,对其今后在电网中的推广应用具有重要的示范价值和意义[5-11]。
第二章输电线路复合材料杆塔材料选型及技术难点
2.1材料选型
复合材料主要由增强材料与基体材料两大部分组成,增强材料在复合材料中不构成连续相,赋予复合材料的主要力学性能,如玻璃钢中的玻璃纤维,CFRP(碳纤维增强塑料)中的碳纤维就是增强材料。
基体为构成复合材料连续相的单一材料,如玻璃钢(GRP)中的树脂就是基体[11-12]。
按基体材料不同,复合材料可分为三大类:
(1)树脂基复合材料
(2)金属基复合材料
(3)无机非金属基复合材料,如陶瓷基复合材料、水泥基复合材料、碳基复合材料等。
玻璃纤维增强复合材料(glassfiberreinforcedcomposites)属于树脂基复合材料,是当今用量最大的复合材料,在我国俗称玻璃钢,是制造加工复合材料杆塔的首选材料。
我国玻璃纤维复合材料的研究和生产始于1958年,当时主要以土法生产为主,产量很低,至80年代,每年的总产量仅3万吨。
90年代后,逐步引进、消化了国外先进技术,玻璃纤维复合材料的研究和生产得到了快速发展,年产量达到16万吨,成为世界玻璃钢纤维生产大国。
复合材料的成型工艺也很多,有纤维缠绕、引拔、真空压力浸胶、浇注等方法,可制成管材、板材、各种型材等形状。
目前,复合材料在建筑、航空、体育器材等领域已经得到了广泛应用。
输电线路杆塔使用的复合材料主要是树脂基复合材料,主要是由树脂和加强纤维两种材料结合而成。
加强纤维通常是玻璃钢纤维,树脂中主要为聚脂、乙烯脂、聚氨酯和环氧树脂等。
这种复合材料在电力行业中已经有了较为广泛的应用,如输电线路中使用的复合绝缘子、带电作业中使用的绝缘操作杆、绝缘支拉吊工器具、绝缘斗臂车等。
这些绝缘产品在应用前都经过了电气、机械及相应的老化试验,在干或湿状态下的闪络试验、泄漏电流试验、机械老化试验等方面都显示出较好的特性。
此外,由于复合材料密度小,强度大,风能发电机的叶片也开始使用复合材料[1.5]。
目前,国内目前已有单位开始进行复合材料杆塔研究及产品试制,如浙江某厂已生产出了玻璃纤维增强环氧绝缘横担样品,在国网电科院已完成了部分材料试验,显示出较好的绝缘性,但尚未有高压输电线路复合杆塔投入运行。
在国内外广泛调研的基础上,根据国外复合材料杆塔厂商提供的资料,加拿大的复合材料杆塔主要为管材,复合材料的基体主要为聚氨酯,采用纤维丝卷绕技术制成,其基本结构如图2-1:
图2-1加拿大复合材料杆塔结构示意图
采用这种分段管状锥形结构,便于运输和组装,几节较短的电杆相互套入,可以组成整基杆塔,如图2-2所示;同时,电杆之间互相套入,占用的运输和储存空间较少,如图2-3所示。
图2-2电杆的组装图2-3电杆的运输
通过对相关资料的分析可知,加拿大采用复合材料杆塔,主要是利用其重量轻、易组装和运输,以降低杆塔的运输和组装成本,此外,由于复合材料具有良好的耐腐蚀性,不会受到鸟类及昆虫的损坏,以及紫外线、盐份的破坏及腐蚀,大大延长了线路的使用寿命,据介绍其寿命可达80年。
通过对复合材料的应用研究现状、国内外输电线路运行存在问题进行了深入调研研究发现,机械性能(包括强度、刚性和稳定性)非常优异的复合材料,其绝缘性能却较差;绝缘性能非常优异的复合材料,其机械性能却较差。
主要原因有以下两点:
一是因为本研究提出的复合材料杆塔应用要求与国外的有差异,国外使用复合材料主要是利用其轻便和易加工与安装,以及高强度、良好柔韧性和耐腐蚀,在沿海大风天气下不倒塔等;二是受制于材料制造工艺,国内之前未研究和提出在110kV及以上电压等级线路杆塔中采用复合材料,将复合材料应用于杆塔制造中的资源投入和注意较少。
根据国内外复合材料调研比选,确定采用加拿大RS公司生产的玻璃纤维增强聚氨酯复合材料及国内某绝缘器材厂生产的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料。
2.2技术难点
本文研究的复合材料杆塔,不仅仅是将复合材料作为一种结构性材料,更是将复合材料作为一种功能性材料,利用其良好的绝缘性来优化杆塔的电气性能。
由于线路杆塔长期暴露在户外,承受导线、绝缘子的荷载,对复合材料电气绝缘性、机械强度以及抗环境气候老化性能较高的要求,因此,将复合材料制造成杆塔并应用于输电线路实际运行前,必须对其材料性能进行试验验证,对杆塔结构进行合理设计,并根据试验结果进行改进及优化,以确保复合材料杆塔技术指标达到输电线路安全运行要求。
(1)作为杆塔塔身材料的复合材料的选择:
需要在大量调研搜资研究的前提下,选取优良的复合材料进行系统的物理性能、电气性能、机械性能试验测试对比研究,以综合性能最优的复合材料作为杆塔塔身及横担材料,并提出杆塔塔身材料必备的性能指标,为复合材料的进一步改进提出要求。
(2)如何发挥塔身的绝缘作用、体现复合材料杆塔的独特优势:
如何发挥塔身的绝缘作用、体现复合材料杆塔的独特优势是关系到本次复合材料杆塔应用目标实现的核心问题,塔型和防雷接地引下方式的优化设计是如何发挥塔身的绝缘作用的关键点,也是难点。
(3)如何采用结构设计克服现有复合材料刚性的不足:
本课题选用的复合材料具有良好的机械强度,但其机械刚性不足,使得制成的杆塔挠度超过了我国的设计标准,如何采用结构设计克服目前复合材料刚性不足的问题也是本文研究的难点[5-12]。
第三章复合材料性能试验研究
根据前期国内外调研结果,确定了加拿大RS公司生产的玻璃纤维增强聚氨酯复合材料(以下简称材料1)为杆塔的主要备选材料,并选择了国内一家玻璃纤维增强环氧树脂复合材料(以下简称材料2)作为对比材料,进行了复合材料的各项性能试验研究。
3.1试验内容
为了验证复合材料的性能,结合复合材料杆塔的运行条件,参考了绝缘材料、复合材料、带电作业工器具、复合绝缘子等相关国家标准及电力行业标准中的试验方法,对复合材料的各项性能进行了试验检测,主要包括基本物理性能、电气性能及机械性能[7]。
如表3-1所示:
表3-1材料性能试验项目及参考标准
试验项目
参考标准
基本物理性能
密度
GB/T1463《纤维增强塑料密度和相对密度试验方法》
吸水率
GB/T1462《纤维增强塑料吸水性试验方法》
热膨胀系数
GB/T2572《纤维增强塑料平均线膨胀系数试验方法》
氧指数
GB/T8924《纤维增强塑料燃烧性能试验方法氧指数法》
电气性能
电阻率
GB/T1410《固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法》
介质损耗因数
GB/T1409《测量电气绝缘材料在工频、音频、高频(包括米波波长在内)下电容率和介质损耗因数的推荐方法》
泄漏电流
GB/T13398《带电作业用空心绝缘管、泡沫填充绝缘管和实心绝缘棒》
憎水性
GB/T19519《标称电压高于1000V的交流架空线路用复合绝缘子——定义、试验方法及验收准则》
干态闪络
GB/T19519《标称电压高于1000V的交流架空线路用复合绝缘子——定义、试验方法及验收准则》
淋雨闪络
GB/T19519《标称电压高于1000V的交流架空线路用复合绝缘子——定义、试验方法及验收准则》
污秽试验
GB/T4585《交流系统用高压绝缘子的人工污秽试验》
耐电痕化
GB/T6553《评定在严酷环境条件下使用的电气绝缘材料耐电痕化和蚀损的试验方法》
耐电弧
GB/T1411《固体电工绝缘材料高压小电流间歇耐电弧试验方法》
机械性能
拉伸强度及弹性模量
GB/T1447《玻璃纤维增强塑料拉伸性能试验方法》
弯曲强度及弹性模量
GB/T1449《玻璃纤维增强塑料弯曲性能试验方法》
压缩强度及弹性模量
GB/T1448《玻璃纤维增强塑料压缩性能试验方法》
3.2基本物理特性试验
基本物体特性试验包括材料密度、吸水率、热膨胀系数、氧指数等。
这些基本特性可为复合材料杆塔的设计、生产、运行等提供依据。
3.2.1密度试验
(1)试验方案:
试验采用标准中的浮力法。
在标准环境温度下,在空气中称量后,用金属丝悬挂试样,然后将试样全部浸入温度控制在23±2℃的浸渍液中(浸渍液放在有固定支架的烧杯或其他容器里)。
试样上端距液面不小于10mm,试样表面不能粘附空气泡。
称量试样在浸渍液中的质量。
试样密度按下式计算:
(3-1)
式(3-1)中:
ρt——温度t℃时试样的密度,g/cm3;
A——试样在空气中的质量,g;
B——试样在浸渍液中的质量,g;
ρx——浸渍液的密度,g/cm3,水在23℃时的密度为0.998g/cm3。
(2)试验结果:
两种材料密度试验结果如表3-1、表3-2所示:
表3-1材料1(RS公司)密度试验数据表
样品序号
1
2
3
4
5
密度(g/cm3)
1.85
1.81
1.78
1.81
1.82
表3-2材料2(对比材料)密度试验数据表
样品序号
1
2
3
4
5
密度(g/cm3)
1.81
1.81
1.78
1.78
1.81
3.2.2吸水率试验
(1)试验方案:
将试样放入(50±2)℃烘箱内干燥(24±1)h,然后在干燥器内冷却至室温,称量每个试样,精确至1mg(质量m1)。
将试样放入盛有蒸馏水的容器中,水温控制在(23±2)℃。
浸泡(24±1)h后,取出试样,用清洁干布或滤纸迅速擦去试样表面的水,再次称量每个试样,精确至1mg(质量m2)。
试样从水中取出到称量完毕必须在1min内完成。
计算m2和m1的差值与样品在干燥时质量的比值即为吸水率。
(2)试验结果:
两种材料吸水率实验结果见表3-3、表3-4:
表3-3材料1(RS)吸水率试验数据
样品序号
1
2
3
4
5
吸水率(%)
0.22
0.20
0.20
0.26
0.22
表3-4材料2吸水率试验数据
样品序号
1
2
3
4
5
吸水率(%)
0.07
0.07
0.10
0.10
0.09
3.2.3氧指数试验
(1)试验方案:
根据经验或试样在空气中点燃的情况,估计开始试验时氧浓度。
如在空气中迅速燃烧,则开始试验时的氧浓度为18%左右;在空气中缓慢燃烧或时断时续,则为21%左右;在空气中离开点火源即灭,则至少为25%以上。
将试样夹在夹具上,垂直地安装在燃烧筒的中心位置上,保证试样顶端低于燃烧筒顶端至少100mm,试样暴露部分最低处应高于燃烧筒底部至少100mm。
使火焰的最低可见部分接触试样顶端并覆盖整个顶表面,勿使火焰碰到试样的棱边和侧表面。
在确认试样顶端全部着火后,立即移去点火器,开始记时。
点燃试样时,火焰作用时间最长为30s,若在30s内不能点燃,则应增大氧浓度,继续点燃,直至30s内点燃为止。
反复进行下面a条和b条的操作,测得三次试样燃烧时间为3min以上的最低氧浓度,即a条的氧浓度值,但a条和b
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