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塔头全复合材料钢管杆设计及其电气特性研究

时间:2018-03-01 20:29来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电气工程论文,电气工程简称EE,是现代科技领域中的核心学科和关键学科。例如正是电子技术的巨大进步才推动了以计算机网络为基础的信息时代的到来,并将改变人类的生活工
本文是电气工程论文,电气工程简称EE,是现代科技领域中的核心学科和关键学科。例如正是电子技术的巨大进步才推动了以计算机网络为基础的信息时代的到来,并将改变人类的生活工作模式等等。
 
第 1 章 绪论
 
1.1 研究背景和意义
近些年,我国经济日益增长,电力需求不断加大,建设高等级电网成为了国家电网的重要战略部署。然而,随着城市建设的发展,土地成为稀缺资源,民众节约土地资源、重视生态环保的观念不断增强。为了压缩线路走廊,国家电网公司启动了复合材料杆塔应用研究项目[1]。复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀、加工成型方便、电绝缘性优良等优点,使输电线路杆塔采用复合材料成为可能。采用复合材料以后,可以节约大量的钢材,大幅降低杆塔的运输和组装成本。另外,利用复合材料优良的电绝缘性能,可以有效解决线路的风偏和污闪事故,同时缩小塔头尺寸,减少走廊宽度。目前,采用复合材料杆塔的输电线路在我国尚无大规模运行,也无相应的加工、检验和设计标准,在设计中无相对准确的资料可以参考。复合材料杆塔的强度、抗变形、抗剪等综合力学性能有别于常规塔的设计。复合材料与铁塔的连接方法仍需探索和研究。两种材料材质和力学特性不同,目前无现成的连接模型可参考。同时,如何准确考虑复合材料的绝缘性能还有待进一步研究。本论文复合材料杆塔应用研究主要是针对复合材料的特性展开研究工作。国家电网公司第一批九个试点工程项目均主要集中在复合材料在横担部分的应用(其中唯一的 220kV 试点工程也是横担采用复合材料),对于 220kV 塔头全复合材料钢管杆应用研究尚未开展。本论文基于国网公司复合材料杆塔部分研究成果,对 220kV 塔头全复合材料钢管杆进行研究与应用。通过减少绝缘子串长和导线与塔体间空气间距,从而减少三相导线间距,使杆塔紧凑,压缩线路走廊,提高线路输电能力,对 220kV 塔头采用复合材料钢管杆有进一步的深刻认识,为下一步的工作奠定一定的基础,并为复合材料杆塔的设计和工程全面应用提供依据。综上所述,在复合材料性能满足要求的基础上,通过合理的设计,将塔头复合材料钢管杆应用于输电线路工程,符合国家电网公司推广实施“两型三新”输电线路工程的指导思想。同时,在满足输电线路功能可靠的条件下,节约走廊资源,降低建设和运行总体成本,在经济及社会效益等方面都具有重要意义。..........
 
1.2 国内外研究水平综述
采用树脂基玻璃纤维复合材料制造的输电杆在多年以前已有研究,但由于其抗老化性能差,寿命短,未能在线路工程中得到应用。随着树脂和纤维材料性能的改进和制造技术的进步,复合材料输电杆塔已经在欧美得到应用。新型电杆以碳纤维和玻璃纤维或混杂纤维作为增强材料,在基体树脂中添加了抗老化成分,采用拉挤或缠绕成型工艺进行生产,材料性能得到提高[2]-[5]。 其中,FRP 杆由于其优良的综合性能,己经在欧美和日本得到应用[6]-[11],见图 1-1、图 1-2 所示。我国唐山在上世纪九十年代曾试用 110kV 绝缘横担,由于材料的基本性能(浸水工频耐压、耐电弧等)达不到要求,挂网一年多就出现闪络、脆断等事故,最后全线下网。在目前复合材料杆塔还处于研究和试验阶段,国内也只有电科院开展过真型试验研究,各厂家复合杆塔的试验结果也有所不同,因此在设计中无相对准确的资料可以参考。设计人员对复合材料的强度、抗弯、抗剪及压屈失稳等性能把握不够。综上所述,国内外复合材料塔的研究主要集中在“单杆式”复合杆上,且仅限于小型杆塔。尽管美国研究过复杂节点构造连接方式,但在 220kV 电压等级线路上没有塔头采用复合材料的结构型式,因而有必要对此进行深入研究。
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第 2 章 220kV 塔头复合杆的设计应用研究
 
2.1 引言
本论文研究复合材料杆塔指的是杆塔塔头或横担不用普通钢结构,而采用高强度树脂类复合材料构成塔头或横担结构,塔身或底部仍可用钢结构的电力杆塔。复合材料电力杆塔可显著减少雷电闪络故障概率,抗冰闪、抗舞动等,具有好的应用前景。复合材料电力杆塔的主要特点有:(1)重量轻,强度重量比值大。(2)绝缘性能好,有效降低绝缘设计水平,减少相导线间距。(3)外形颜色可与环境相协调,环保性能佳。(4)耐化学腐蚀,耐磨,防水,耐火阻燃。(5)安装运输和组装方便。
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2.2 依托工程概况
课题将依托某条 220kV 双回路输电线路,对塔头复合材料杆进行规划。本次规划仅对直线塔进行规划,规划的复合杆塔塔头部分全部采用复合材料,塔身采用钢管杆的形式。该 220kV 双回路输电线路全长 16.4 公里。导线均采用 2×LGJ-630/45 钢芯铝绞线,地线一根采用 JLB40-120 铝包钢绞线,一根采用 36 芯 OPGW。线路地形:山地 15%,河网 30%,泥沼 55%。10 米高度 30 年一遇设计风速取 29m/s,最大覆冰取 5mm。本工程部分地段受规划限制,需沿道路走线,采用钢管杆,因此选择该段线路中的部分塔型采用复合杆绝缘塔头,钢管杆塔身的形式。图 2-1 为常规 220kV 直线钢管杆塔头示意图。采用复合材料杆塔的输电线路在我国尚无大规模运行的实际经验,也无相应的加工工艺标准、质量检验标准和设计标准(目前国网总部已组织电科院和浙江省电力设计院对此进行制定,并已通过文件形式发布,基建设计〔2011〕120 号)。国内也只有电科院做过真型试验,各厂家复合杆塔的试验结果也有所不同,因此在设计中无相对准确的资料可以参考。设计人员对复合材料的强度、抗弯、抗剪及压屈失稳等性能把握不够,因此在本次研究中有必要对此进行深入的研究。
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第 3 章 220kV 塔头复合杆防雷电气结构设计研究...............28
3.1 复合材料杆电气设计方案研究......28
3.2 接地引下方式雷电冲击放电试验............32
3.3 接地引下方式雷电冲击放电计算............33
3.3.1 雷电过电压计算.........33
3.3.2 雷电耐雷水平计算.....40
3.3.3 雷电跳闸率计算.........41
3.4 复合材料杆雷电性能计算分析.....44
3.5 本章小结.........45
第 4 章 220kV 塔头复合杆电气性能试验及相关分析...........46
4.1 主要电气试验研究内容......46
4.1.1 复合材料样品电气性能试验.............46
4.1.2 复合材料成型杆件绝缘性能测试.....46
4.1.3 复合材料成型塔头雷电性能研究.....46
4.2 参考标准........46
4.3 复合材料样品电气性能试验.........47
4.4 复合材料杆件及整塔绝缘性能测试和分析.......52
4.5 本章小结........57
第 5 章 结论与展望............58
 
第 4 章 220kV 塔头复合杆电气性能试验及相关分析
 
4.1 主要电气试验研究内容
复合材料杆塔的电气试验和研究包括复合材料样品的电气性能试验、复合材料成型杆件绝缘性能试验及类比研究,复合材料成型塔头的雷电性能研究。针对不同的试验对象和内容,进行以下试验项目。
 
4.1.1 复合材料样品电气性能试验
复合材料样品电气性能试验测试是在成型的复合材料杆件上取样,测试样品包括绝缘性能在内的基本物理性能具体试验项目有:(1) 干燥和潮湿条件下材料的体积和表面电阻率试验;(2) 染色渗透试验;(3) 水扩散试验;(4) 憎水性试验;(5) 耐漏电起痕和电蚀性试验。
 
4.1.2 复合材料成型杆件绝缘性能测试
试验对象为不同规格的复合材料绝缘杆件以及塔头,试验内容有:绝缘杆件和塔头的绝缘性能试验,即一定长度的绝缘杆件在干燥、淋雨以及污秽条件下的闪络电压特性试验,以及塔头在干燥、淋雨以及污秽条件下的泄漏电流特性试验,并通过相关试验分析复合材料塔头的绝缘性能。
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结论
 
本文对 220kV 塔头复合杆的设计及其力学特性进行了详细的研究,主要结论如下:1. 经过塔型规划和计算,塔头复合杆基本满足设计要求。建议最大使用档距取 220-250m 较为合适,此时上、中、下横担长度分别为 2.75m、3.25m、2.75m,走廊宽度约 6.5 米,比常规设计走廊 9.0m 缩短约 2.5 米,走廊压缩约 28%。选用8片绝缘子,导线水平布置悬垂缘子串长度1.6m,垂直布置悬垂缘子串长度2.2m。对于污秽严重地区,建议采用爬距更大的耐污玻璃绝缘子、三伞瓷绝缘子或合成绝缘子。2.复合材料杆塔接地方式研究表明:复合材料杆塔耐雷水平远高于常规铁塔,最经济、有效的防雷措施是架设避雷线,并采用逐塔接地的防雷接地方式。采用本文的雷电防护设计方案,220kV 复合材料杆雷电性能相对于铁塔性能得到显著提升,在接地电阻为 7Ω和 20Ω条件下,杆塔的耐雷水平明显提高,雷击闪络跳闸率明显降低。在多雷地区宜采用本文推荐的复合材料杆塔及防雷方案。3.复合材料具有优异的电气绝缘特性,但耐漏起痕及电蚀损性明显弱于硅橡胶材料。在淋雨情况下,以及长期盐雾的条件下,容易形成导电水流,会引起相地之间的绝缘水平下降。因此,复合材料目前不宜直接用于高电场处(导线附近),如果不加硅橡胶伞套,不宜取消绝缘串。4.220kV 复合材料杆具有较好的应用前景,特别是在建筑物密集的城市和经济开发区等区域。根据本文取得的相关计算参数,可在不同工况条件下选择适合的杆塔尺寸和绝缘方式。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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