《新型frp绝缘电杆结构优化设计.》

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1、第33卷第1期电工电能新技术Vo1．33，No．12014年1月AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergyJan．2014新型Flip绝缘电杆结构优化设计龚靖，张恩铭，祁西汉，陈诚(东北电力大学建筑工程学院，吉林省吉林市132012)摘要：为适应输电线路的发展，利用电绝缘复合材料对110kV电杆进行结构设计并作优化。针对材料本身的刚性不足变形较大的特点，提出了不同截面类型并作对比分析，选取了性能较好的适合FRP电杆的新型三角肋圆形截面。利用有限元Ansys软件对电杆进行三维实体建模，借鉴输电线路典型设计原则和钢管类设计条件

2、，采用同结构、变尺寸的方法对模型施加荷载。参考输电设计规范，归纳分析出最优的结构形式及尺寸，电杆高为17m，直径为350mm，壁厚为10mm。为确保电杆运行可靠性，数值模拟了电杆在不同荷载工况下最大强度及变形，验证最大运行应力为109MPa，杆顶位移8．06cm。研究结果表明，这种分析方法设计出的电杆安全可靠，为复合材料电力应用提供理论支持。关键词：复合材料；FRP；结构优化；结构选型中图分类号：TM753文献标识码：A文章编号：1003—3076(20l4)01-0076-05速25m／s，覆冰厚度为5mm，设计档距为300m，设计1引言最高气温40℃，最低温一10~(2。导线

3、最大抗拉强度FRP是复合材料中的一种，是利用高强度纤维为247．27MPa。FRP材料的拉伸强度为500～结合环氧类树脂的结合体。我国近年来纤维类材料900MPa，弯曲强度为550—900MPa，压缩强度为发展迅速，到21世纪初已经可以制造出高强度、低300～500MPa，引用东北电力设计院设计手册计算重量、电绝缘、放腐蚀于一身的复合材料¨’。FRP方法，计算出不同工况下荷载，为模拟加载提供数分为多种不同的纤维材料如玻璃纤维GFRP、芳纶值，归纳于表1。纤维AFRP等。此种材料在国外电力行业早有应表1荷载表用，如美国、日本及部分欧洲等发达国家和地Tab．1Ioad】ist区。我国

4、近年来才开始引进使用，但都集中在(单位：N)灯杆、输油管道等方面。由于材料刚性较差目前电力输送在35kV以下上线运行。因材料绝缘性能良好，重量低，如果针对变形缺陷进行优化设计，使得其可以提升在1lOkV电压等级川，复合材料电杆的使用有助于推进电力输送经济化、轻便化发展，具有一定经济意义。2电杆设计荷载电杆设计气象条件参照了国家电网1lOkV典型设计中钢管杆设计条件，采用LGJ．240／30钢芯铝绞线为导线，JLB1A-70铝包钢绞线为地线，最大风收稿13期：2012-04—30基金项目：国家自然科学基金资助项目(50978049)作者简介：龚靖(1966-)，女，吉林籍，教授，博

5、士，主要研究方向：输电杆塔结构设计；张恩铭(1986一)，男，吉林籍，硕士研究生，主要研究方向：输电杆塔结构设计。78电工电能新技术第33卷了线路走廊的占用，缩短建设成本，具有一定经济效大，径厚比越小，局部稳定性能越高；直径越小，壁厚益。越薄，越省材料。电杆直径壁厚选取原则为：保证最大运行应力小于局部稳定临界力，且顶端位移刚好满足运行规范及变形小于杆高的0．5％为最佳选型。l900l根据以上原则，表3中壁厚10ram，直径350mm时满足要求，并留有一定安全裕量。因线路正常运行时尚需要考虑60。、45。导线风荷载造成电杆不平250025001500衡扭转情况，对电杆进行抗扭转验算

6、。4Ansys建模验算图4FRP电杆杆头与传统尺寸对比图0。、45。、60。、90。风作用下电线风荷载及杆身风Fig．4ComparisonchartofFRPandtraditionalsize荷载如图5所示。由于电杆左右为非对称结构，故45。、6O。作用下会造成电杆根部扭转。3．3电杆直径壁厚优化复合材料本身特性与一般传统材料有很大不同，如抗拉抗压强度、弹性模量等，所以具体尺寸很难直接引用现有的数值。因而采取同种结构建模，变换尺寸方法，结合电杆设计规范进行尺寸约束，选取最优值。为了简化运算，以悬臂结构建模，截面为三角形肋，顶端施加表1中导线横向风荷载。电杆设定两个变量，变量一

7、为电杆直径，变量二为电杆壁厚。具体结果见表3。图5杆头有限元模型及加载(45。)表3不同尺寸求解数值Fig．5Finiteelementmodelandloading(45。)Tab．3Solutionsofdifferentsizes表4所示为正常运行最大风时电杆根部应力，表5为长期荷载作用下杆顶最大位移。可以看出，最大应力和最大挠度均发生在90。风时。根部应力小于电杆局部稳定临界应力及材料最大使用强度。表4不同风向角应力计算值(大风工况)Tab．4Stressofdiffer