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摘 要：经济的发展过程中對电力的需求越来越大，电网系统不断扩大，其所承担的风险也越来越大，例如跳闸、电网安全事故等等，人们在不断的寻找和尝试新的方法从而减小甚至避免风险。随着技术的不断进步，复合材料在电力输送系统中发挥的作用也越来越大，例如由复合材料制造的横担杆塔等逐渐替代了传统的木质或者金属合金横担杆塔，减小了一定的风险概率，同时也提高了电力系统的效益。相比于传统的木质或者金属合金横担杆塔，复合材料在横担杆塔中的应用具有一定的优势，文章对10kV配电线路复合材料横担杆塔承受力进行计算研究，并与实际的受力情况进行对比，对计算的结果进行验证，对于配电线路复合材料横担杆塔的研究和设计提供支持和依据，对于电力系统的发展具有重要意义。
关键词：配电线路;复合材料;横担杆塔;承受力计算
中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）05-0065-03
Research on Bearing Capacity Calculation of Composite Cross Arm Pole and Tower for 10kV Distribution Line
Chen Xin
（Power Distribution Branch of Zhejiang Zhongxin Power Engineering Construction Co.， Ltd.， Hangzhou 311200， China）
Abstract：In the process of economic development， the demand for electricity is increasing， and the power grid system continues to expand， and the risks it bears are also increasing， such as tripping， power grid safety accidents， etc.， people are constantly looking for and trying new methods to reduce or even avoid risks. With the continuous progress of technology， the role of composite materials in the power transmission system has become greater and greater. For example， cross arm poles made of composite materials have gradually replaced traditional wooden or metal alloy cross arm poles， which reduces the risk probability and improves the efficiency of the power system. Compared with traditional wooden or metal alloy cross arm poles， the application of composite materials in cross arm poles has certain advantages. This paper calculates and studies the bearing capacity of composite cross arm poles in 10kV distribution lines， and compares them with the actual stress situation， verifies the calculation results， which provides support and basis for the research and design of composite cross arm towers for distribution lines. It is of great significance to the development of the power system.
Key words：distribution lines; composite materials; cross arm poles and towers; bearing capacity calculation
0 引言
复合材料在使用过程中具有绝缘性能好、质量轻、耐腐蚀、易加工、可设计性强等优点，成为各种金属材料的理想替代品。近几年来，我国对于复合材料的研究进展迅速，各种新型材料层出不穷，复合材料在各个领域的应用越来越广泛，尤其是在工程领域，随着复合材料各种性能的不断优化和完善，其在各种结构中的应用已经逐渐取代了部分金属制品结构。例如，在配电线路中由复合材料制造的横担杆塔的塔重较轻、结构简单轻便、维护成本较低，因此在配电线路中已经逐渐发展成为钢材料的替代品。配电线路中复合材料横担杆塔的应用使其使用寿命延长，避免了频繁的更换电杆，还可以减少走廊宽度，降低成本，提高经济效益，复合材料横担杆塔的这些优势使其在配电线路中前景广阔。另外，复合材料横担杆塔充分利用了复合材料的优势，替代了传统的金属横担，为配电线中电杆塔的发展开拓了新的模式。本文研究中，利用力学中有限元的相关概念，对复合材料横担杆塔的受力情况进行计算，并验证了复合材料横担杆塔设计的合理性，为复合材料横担杆塔的设计提供参考，对于配电线路的发展和改革具有重要意义。
1 国内外研究现状
国外的技术发展较为先进，因此对于材料的研究和应用也起步较早，在复合材料横担杆塔的研究中也相对较早。例如，日本在20世纪60年代为了解决因为风偏而引起的电力系统闪络问题，将复合材料应用与配电线横担中，并取得了很好的效果。美国在高盐雾腐蚀严重的区域进行复合材料杆塔的应用，该复合材料杆塔有长达几十年的使用寿命，表现出优异的耐腐蚀性能。加拿大为了研发强度大、耐冲击力强的输电杆，利用聚氨酯树脂进行了模段式复合材料的组合，成功加强了输电杆的强度和耐冲击力。我国对于复合材料在配电线路中的研究受到技术条件、工艺条件等的影响发展较为缓慢。然而近些年来国家经济水平的提高带动了技术水平和工艺水平的提高，复合材料的研究取得较大进步，并被广泛应用于配电线路横担杆塔的建设中。例如，2010年我国在银川地区在110kV的输电工程中进行了复合材料杆塔的投入使用，2012年在上海220kV的架空配电线路中成功进行了复合横担的应用，该复合横担减小了走廊宽度。到目前位置，复合材料横担杆塔的已经国内多个城市进行了应用，涉及110kV、220kV、500kV、750kV等的线路工程，复合材料横担杆塔在国内的研究和应用取得了较大的进步，另外我国具有特殊的地形地貌、天气环境和能源分布，针对这些复杂的地理环境问题，复合材料横担杆塔在我国还有很大的应用空间和研究空间。 2 复合材料杆塔横担的选型
复合材料的弹性模量和抗压强度相对较低，在配电线杆塔中完全采用复合材料会出现很多问题，例如造成较大的构件规格，从而造成连接钢件同样使用较大规格、连接长度较长等问题，还有复合材料的杆塔接地困难等问题。因此为了能同时利用复合材料的优势有能利用角钢塔身强度高、刚度大的优势，在配电线路中杆塔的横担部位中应用复合材料，有效地避免了上述问题。在10kV配电线路横担杆塔中应用复合材料，为了充分发挥其优势，其结构形式主要采用三拉一压的形式。该中结构港式构造简单、成本低，具体的结构图形如图1所示。
针对复合材料自身的特点，本文中采用线弹性有限元方法分析复合材料横担杆塔的内应力，根据实际的应用情况，利用有限元软件建立复合材料横担杆塔的有限元模型，并结合实际情况进行有限元模型中各项参数的设置。配电线路的杆塔中复合材料横担包括上、中、下三层，而每一层横担又由四根杆件组成（图2），分别为一根压杆（图2中用1表示）和三根受拉绝缘棒（图2中用2、3、4表示）。
通过有限元分析计算复合材料横担的荷载工况，分析三层横担的杆件内力，通过对计算结果的分析进行复合材料横担的杆件的选型。
3 压管承载力分析
复合材料的截面形式虽然可以根据实际需求进行设计，但是在配电线路横担杆塔中一般选择圆形截面，因为该种截面的截面惯性矩最大，而且管型构件制作便捷，因此一般的复合材料横担均采用圆形截面的支柱绝缘子作为主要受力构件。在计算复合材料压管的应力时将其简化。简化之后计算变截面压管在其任意高度截面处的惯性矩为：
其中，是变截面压管两端截面的惯性矩;为变截面压管的长度;为压管中间壁厚与两端壁厚的比值。复合材料等截面压管的临界载荷为：
其中，E为复合材料的弹性模量。根据上述公式并结合复合材料横担的实际情况设置参数，计算不同构件下的临界荷载，并与有限元模型的计算结果进行对比分析，对比分析结果如表1所示。由表1中的数据可以明显看出变截面载荷的理论值与有限元计算值的结果相差较小，在允许的误差范围内，说明有限元分析法可用于复合材料横担承载力的计算中，结果可靠。另外，通过表中的数据还可以明显发现，相对于等截面的压管来说，变截面的承载力更大，因此在施工过程中可以结合实际情况具体应用。
4 连接节点承载力分析
复合材料横担的节点部位主要采用胶接连接金属件，然后再通过金属件进行螺栓连接。在上述完成有限元模型的建立分析之后，再施加一定的载荷，研究连接节点处的强度。在配电线路复合材料横担中，拉管与绝缘管之间通过胶装的方式连接，拉管主要受到拉伸作用。实验时，拉管一端通过法兰进行固定，另一端法兰通过螺栓施加一定程度的拉伸和弯曲载荷，得到胶装高度方向的应力分布曲线，如图3所示。
由图3可以看出，胶装高度越高胶黏剂应力越小，其最大应力满足设计需求，且在拉伸实验过程中，但应力增加到一定程度，螺栓被拉断而胶装部分却无损坏，说明胶装部位所能承受的应力达到要求。
同样的，在复合材料横担的压管与绝缘管也是通过胶装的方式连接。与上述实验不同的是，在实验过程中主要对拉管施加一定拉伸作用力，获得拉管的胶装部位胶装高度方向的应力分布曲线，如图4所示。
由图4中可以明显看出，拉管上胶粘剂的应力随着胶装高度的增加而逐渐较小，到达一定高度后，胶粘剂应力逐渐趋于稳定。说明胶装高度对于拉管中胶粘剂的应力影响较小，胶装部位的所能承受的应力满足要求。
5 结语
复合材料具有耐冲击性能好、耐酸碱腐蚀、稳定性好、绝缘性能较好等优势，将其运用到配电线路横担杆塔中对于输电线路的发展起到推动作用。而且，复合材料在横担中的应用还能解决线路走廊进展的为题，减小成本，安装和维护相对较为简单。本文中对其承载力的研究，对于复合材料在配电线路横担杆塔中的设计和应用工作提供一定的参考作用，对于其发展具有重要意义。
参考文献
[1]曹宁. 110kV输电线路复合材料杆塔的应用研究[D].广州：华南理工大学，2012.
[2]杜颖.强风地区500kV同塔双回输电线路复合材料横担杆塔应用设计研究[J].科技创新与应用，2020（05）：85-86.
[3]陈路，刘庆丰，邓威，等.复合材料在220kV输电线路杆塔中的应用与设计研究[J].湖南电力，2015，35（01）：25-28.
[4]李飞.复合材料在220kV输电线路杆塔中的应用与设计研究[J].电子测试，2017（Z1）：99-100.
[5]邱雪梅，黄译丹，李雍，等.复合材料桿塔研究现状及发展趋势[J].电气技术，2017（09）：1-3+9.
[6]陈胜男，何卫，杜挺，等.输电线路金具用材料及其应用技术研究进展[J].电工技术，2019（15）：149-151+153.
[7]袁齐坤，陈宣林，张宇雄，等.输电线路带电作业碳纤维材料承力工具设计[J].机械制造与自动化，2017，46（01）：206-209.
[8]单青.新型复合横担在特高压输电铁塔中的应用研究[D].北京：华北电力大学，2017.
[9]柳伟钧，张锦南，王强华.复合材料杆塔技术和应用现状[J].玻璃钢/复合材料，2014（06）：76-82.
[10]初金良. 110kV塔头“D型”复合材料格构式输电塔应用研究[D].北京：华北电力大学（北京），2017.
关键词：配电线路;复合材料;横担杆塔;承受力计算
中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）05-0065-03
Research on Bearing Capacity Calculation of Composite Cross Arm Pole and Tower for 10kV Distribution Line
Chen Xin
（Power Distribution Branch of Zhejiang Zhongxin Power Engineering Construction Co.， Ltd.， Hangzhou 311200， China）
Abstract：In the process of economic development， the demand for electricity is increasing， and the power grid system continues to expand， and the risks it bears are also increasing， such as tripping， power grid safety accidents， etc.， people are constantly looking for and trying new methods to reduce or even avoid risks. With the continuous progress of technology， the role of composite materials in the power transmission system has become greater and greater. For example， cross arm poles made of composite materials have gradually replaced traditional wooden or metal alloy cross arm poles， which reduces the risk probability and improves the efficiency of the power system. Compared with traditional wooden or metal alloy cross arm poles， the application of composite materials in cross arm poles has certain advantages. This paper calculates and studies the bearing capacity of composite cross arm poles in 10kV distribution lines， and compares them with the actual stress situation， verifies the calculation results， which provides support and basis for the research and design of composite cross arm towers for distribution lines. It is of great significance to the development of the power system.
Key words：distribution lines; composite materials; cross arm poles and towers; bearing capacity calculation
0 引言
复合材料在使用过程中具有绝缘性能好、质量轻、耐腐蚀、易加工、可设计性强等优点，成为各种金属材料的理想替代品。近几年来，我国对于复合材料的研究进展迅速，各种新型材料层出不穷，复合材料在各个领域的应用越来越广泛，尤其是在工程领域，随着复合材料各种性能的不断优化和完善，其在各种结构中的应用已经逐渐取代了部分金属制品结构。例如，在配电线路中由复合材料制造的横担杆塔的塔重较轻、结构简单轻便、维护成本较低，因此在配电线路中已经逐渐发展成为钢材料的替代品。配电线路中复合材料横担杆塔的应用使其使用寿命延长，避免了频繁的更换电杆，还可以减少走廊宽度，降低成本，提高经济效益，复合材料横担杆塔的这些优势使其在配电线路中前景广阔。另外，复合材料横担杆塔充分利用了复合材料的优势，替代了传统的金属横担，为配电线中电杆塔的发展开拓了新的模式。本文研究中，利用力学中有限元的相关概念，对复合材料横担杆塔的受力情况进行计算，并验证了复合材料横担杆塔设计的合理性，为复合材料横担杆塔的设计提供参考，对于配电线路的发展和改革具有重要意义。
1 国内外研究现状
国外的技术发展较为先进，因此对于材料的研究和应用也起步较早，在复合材料横担杆塔的研究中也相对较早。例如，日本在20世纪60年代为了解决因为风偏而引起的电力系统闪络问题，将复合材料应用与配电线横担中，并取得了很好的效果。美国在高盐雾腐蚀严重的区域进行复合材料杆塔的应用，该复合材料杆塔有长达几十年的使用寿命，表现出优异的耐腐蚀性能。加拿大为了研发强度大、耐冲击力强的输电杆，利用聚氨酯树脂进行了模段式复合材料的组合，成功加强了输电杆的强度和耐冲击力。我国对于复合材料在配电线路中的研究受到技术条件、工艺条件等的影响发展较为缓慢。然而近些年来国家经济水平的提高带动了技术水平和工艺水平的提高，复合材料的研究取得较大进步，并被广泛应用于配电线路横担杆塔的建设中。例如，2010年我国在银川地区在110kV的输电工程中进行了复合材料杆塔的投入使用，2012年在上海220kV的架空配电线路中成功进行了复合横担的应用，该复合横担减小了走廊宽度。到目前位置，复合材料横担杆塔的已经国内多个城市进行了应用，涉及110kV、220kV、500kV、750kV等的线路工程，复合材料横担杆塔在国内的研究和应用取得了较大的进步，另外我国具有特殊的地形地貌、天气环境和能源分布，针对这些复杂的地理环境问题，复合材料横担杆塔在我国还有很大的应用空间和研究空间。 2 复合材料杆塔横担的选型
复合材料的弹性模量和抗压强度相对较低，在配电线杆塔中完全采用复合材料会出现很多问题，例如造成较大的构件规格，从而造成连接钢件同样使用较大规格、连接长度较长等问题，还有复合材料的杆塔接地困难等问题。因此为了能同时利用复合材料的优势有能利用角钢塔身强度高、刚度大的优势，在配电线路中杆塔的横担部位中应用复合材料，有效地避免了上述问题。在10kV配电线路横担杆塔中应用复合材料，为了充分发挥其优势，其结构形式主要采用三拉一压的形式。该中结构港式构造简单、成本低，具体的结构图形如图1所示。
针对复合材料自身的特点，本文中采用线弹性有限元方法分析复合材料横担杆塔的内应力，根据实际的应用情况，利用有限元软件建立复合材料横担杆塔的有限元模型，并结合实际情况进行有限元模型中各项参数的设置。配电线路的杆塔中复合材料横担包括上、中、下三层，而每一层横担又由四根杆件组成（图2），分别为一根压杆（图2中用1表示）和三根受拉绝缘棒（图2中用2、3、4表示）。
通过有限元分析计算复合材料横担的荷载工况，分析三层横担的杆件内力，通过对计算结果的分析进行复合材料横担的杆件的选型。
3 压管承载力分析
复合材料的截面形式虽然可以根据实际需求进行设计，但是在配电线路横担杆塔中一般选择圆形截面，因为该种截面的截面惯性矩最大，而且管型构件制作便捷，因此一般的复合材料横担均采用圆形截面的支柱绝缘子作为主要受力构件。在计算复合材料压管的应力时将其简化。简化之后计算变截面压管在其任意高度截面处的惯性矩为：
其中，是变截面压管两端截面的惯性矩;为变截面压管的长度;为压管中间壁厚与两端壁厚的比值。复合材料等截面压管的临界载荷为：
其中，E为复合材料的弹性模量。根据上述公式并结合复合材料横担的实际情况设置参数，计算不同构件下的临界荷载，并与有限元模型的计算结果进行对比分析，对比分析结果如表1所示。由表1中的数据可以明显看出变截面载荷的理论值与有限元计算值的结果相差较小，在允许的误差范围内，说明有限元分析法可用于复合材料横担承载力的计算中，结果可靠。另外，通过表中的数据还可以明显发现，相对于等截面的压管来说，变截面的承载力更大，因此在施工过程中可以结合实际情况具体应用。
4 连接节点承载力分析
复合材料横担的节点部位主要采用胶接连接金属件，然后再通过金属件进行螺栓连接。在上述完成有限元模型的建立分析之后，再施加一定的载荷，研究连接节点处的强度。在配电线路复合材料横担中，拉管与绝缘管之间通过胶装的方式连接，拉管主要受到拉伸作用。实验时，拉管一端通过法兰进行固定，另一端法兰通过螺栓施加一定程度的拉伸和弯曲载荷，得到胶装高度方向的应力分布曲线，如图3所示。
由图3可以看出，胶装高度越高胶黏剂应力越小，其最大应力满足设计需求，且在拉伸实验过程中，但应力增加到一定程度，螺栓被拉断而胶装部分却无损坏，说明胶装部位所能承受的应力达到要求。
同样的，在复合材料横担的压管与绝缘管也是通过胶装的方式连接。与上述实验不同的是，在实验过程中主要对拉管施加一定拉伸作用力，获得拉管的胶装部位胶装高度方向的应力分布曲线，如图4所示。
由图4中可以明显看出，拉管上胶粘剂的应力随着胶装高度的增加而逐渐较小，到达一定高度后，胶粘剂应力逐渐趋于稳定。说明胶装高度对于拉管中胶粘剂的应力影响较小，胶装部位的所能承受的应力满足要求。
5 结语
复合材料具有耐冲击性能好、耐酸碱腐蚀、稳定性好、绝缘性能较好等优势，将其运用到配电线路横担杆塔中对于输电线路的发展起到推动作用。而且，复合材料在横担中的应用还能解决线路走廊进展的为题，减小成本，安装和维护相对较为简单。本文中对其承载力的研究，对于复合材料在配电线路横担杆塔中的设计和应用工作提供一定的参考作用，对于其发展具有重要意义。
参考文献
[1]曹宁. 110kV输电线路复合材料杆塔的应用研究[D].广州：华南理工大学，2012.
[2]杜颖.强风地区500kV同塔双回输电线路复合材料横担杆塔应用设计研究[J].科技创新与应用，2020（05）：85-86.
[3]陈路，刘庆丰，邓威，等.复合材料在220kV输电线路杆塔中的应用与设计研究[J].湖南电力，2015，35（01）：25-28.
[4]李飞.复合材料在220kV输电线路杆塔中的应用与设计研究[J].电子测试，2017（Z1）：99-100.
[5]邱雪梅，黄译丹，李雍，等.复合材料桿塔研究现状及发展趋势[J].电气技术，2017（09）：1-3+9.
[6]陈胜男，何卫，杜挺，等.输电线路金具用材料及其应用技术研究进展[J].电工技术，2019（15）：149-151+153.
[7]袁齐坤，陈宣林，张宇雄，等.输电线路带电作业碳纤维材料承力工具设计[J].机械制造与自动化，2017，46（01）：206-209.
[8]单青.新型复合横担在特高压输电铁塔中的应用研究[D].北京：华北电力大学，2017.
[9]柳伟钧，张锦南，王强华.复合材料杆塔技术和应用现状[J].玻璃钢/复合材料，2014（06）：76-82.
[10]初金良. 110kV塔头“D型”复合材料格构式输电塔应用研究[D].北京：华北电力大学（北京），2017.