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西北院奏响输电复合材料杆塔研发四部曲

浏览:2115 作者: 来源: 时间:2023-03-21 分类:行业资讯

8月23日,西北院研发设计的世界首基1000千伏特高压交流单回路复合横担塔在中国电科院霸州杆塔试验基地顺利通过正常负荷以及超载真型试验;8月30日,在中国电科院武汉分院试验基地顺利通过电气试验。试验成功后,现场工作人员欢声雷动,纷纷互相表示祝贺。国家电网公司副总经理刘泽洪高兴地说:“今天试验的成功将成为输电技术创新的又一座里程碑!”

回顾西北院七年来的复合材料杆塔创新之路,许多故事值得与大家分享。

起步接地极,小线路一试锋芒

传统输电铁塔有几大缺点:一是炼制钢铁需消耗大量的矿产资源和能源;二是钢塔质量重,安装、运输困难;三是因风偏和污闪事故,塔头尺寸较大;四是运行维护成本高。随着环保压力越来越大,线路建设环境越来越艰苦,线路走廊越来越难打通,寻找一种解决和减小钢制塔缺陷的方法成为迫切的需要。2009年,在国网公司的指示下,西北院开始了轻质、高强、耐腐蚀、易加工、环保、电气绝缘性能好的复合材料(环氧/E玻璃纤维)塔研发工作。

用复合材料来制造杆塔,大体可以分为材料试验、设计理论研究、构件制造与整塔安装三个环节,每一个环节都没有任何前人的经验可以借鉴。为了将创新成果应用到实践中,同时将创新失败的危害降到最低,西北院选定了电压等级仅为35千伏的宁东~山东±660千伏直流输电线路中的接地极线路作为复合材料杆塔技术的起点,以实践来检验真理。

从2009年开始,西北院通过对国内复合材料进行大量的调研,在掌握复合材料基本性能的基础上,进行结构选型、方案设计,提出并完成了10大类226个试件的试验,系统地研究了材料强度、稳定、老化、疲劳以及极端环境下的材料性能等项目,探索并解决了复合材料杆塔结构节点连接等结构设计的关键问题,终于成功地研制出国内首基格构式复合材料杆塔,通过真型试验并在工程中进行了试点应用。目前,工程投运近5年,复合材料杆塔运行安全可靠,取得了良好的效果。

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迈入超高压,大效益初现端倪

虽然复合材料塔在35千伏接地极线路中试点成功,但是因为属于专门定制生产,成本太高,而且电压等级太低,对于超高压、特高压线路不具代表性。所以,复合塔的研发只能算是刚刚起步。2011年,举世瞩目的750千伏新疆与西北主网联网第二通道工程启动。国网公司做出指示,要依托二通道工程继续开展复合材料塔的研发与应用。作为二通道工程的牵头设计单位,西北院再一次担负起复合材料塔的研发使命。

但是,电压等级从接地极的35千伏直接提升到超高压的750千伏,研发设计难度发生了质的变化。在机遇与压力面前,西北院选择了迎难而上,在充分吸收宁东接地极格构式复合材料塔的研究成果基础上,通过工作电压污秽耐受、操作冲击耐受、雷电耐受等电气验证试验和构件疲劳、横担过载以及真型试验等结构验证试验,终于研发设计成功世界首基750千伏复合横担杆塔,并在工程中试点应用7基。这是复合材料杆塔首次应用于超高压输电线路工程!目前工程已投运近3年,复合横担塔运行情况良好。

对于750千伏复合横担塔,国网公司这样评价:“它实现了功能材料和结构材料的高度统一和全面的技术突破,其科研、设计、施工和运维经验为复合横担塔在特高压线路上的应用奠定了坚实的基础。该塔型采用导线三角排列的上字型,结构型式简单,便于复合材料横担的实现,更重要的是实现了‘走廊宽度节约10米、塔材节约10吨和基础混凝土节约10立方米’,经济和社会效益潜力巨大。”

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首攻转动塔,新思路颠覆传统

随着国家特高压工程的飞速建设,将复合材料引进特高压工程成为研究热门课题。2012年,宁东~绍兴±800千伏特高压直流输电线路工程启动。国网公司提议,以宁绍线为依托,继续开展特高压直流复合塔的研究。鉴于西北院已有两个工程的成功经验,研发的重任于是又落在了肩头。

在宁东~绍兴±800千伏特高压直流输电线路工程中,西北院开展了特高压直流线路工程中应用免横担组合绝缘子的研究,首次提出了转动横担的概念。与常规杆塔相比,±800千伏复合材料转动横担塔,可以说颠覆了以往输电杆塔横担越固定越好的设计理念。正常情况下,输电杆塔前后侧导线的拉力是平衡的,但是一旦发生导线纵向出现不平衡力的情况,这种平衡就会被打破,对塔身产生扭矩。传统的设计理念是通过增大塔身构件来抵抗破坏,造成塔重变得很大。而复合材料转动横担塔则是通过在塔身连接处增加转盘,让横担可以随着不平衡力发生一定的转动,达到新的平衡,这样设计时不必选择过大的构件,从而降低塔重。

另一方面,设计人员对横担布置进行了优化,将平横担改为上翘横担布置,在保持横担绝缘距离不变的前提下,一方面减小了线路走廊,另一方面改善了杆塔受力,进一步降低铁塔造价。在西北院不懈的努力下,世界首基±800千伏复合材料转动横担塔就此诞生!经测算,单塔降低本体投资约17%!

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再战锡胜线,特高压又奏凯歌

“特高压直流复合材料塔的研发已经取得了成功,应该加大投入攻克特高压交流复合材料塔这最后的难关。”国网公司再次做出指示。于是,西北院在复合材料塔的研发之路上继续迈进。

2016年,西北院依托锡盟~胜利1000千伏特高压交流线路工程,深入开展了《新型复合横担塔在特高压输电线路中的应用》专题技术研究,在充分利用以上研究成果基础上,对1000千伏特高压交流单回路复合横担塔的电磁环境、绝缘配置、金具研制、塔型选择、横担布置方案、节点型式等方面均进行了深入的分析论证,全面系统地完成了材料试验、构件疲劳试验、横担过载试验、覆雪污耐压试验、电气性能验证试验,以及电场仿真和结构有限元分析,终于成功研制出世界首基特高压交流单回路复合横担塔,并于本文开篇所述时间完成了真型试验和电气试验。

试验成功后,现场的国家电网公司副总经理刘泽洪第一时间表示了祝贺,也提出了下一步工作要求:“应加强和继续开展复合横担塔在1000千伏特高压交流双回线路工程的应用研究,并形成相关标准规范,在后续工程中推广使用。”因此,西北院的复合材料塔研发之路依旧任重而道远。可喜的是,通过多年的复合材料杆塔研发,西北院已经培养了一批骨干力量,形成了老中青结合的阶梯式工作团队,有经验、有能力也有勇气承担起后续的研发设计以及标准制定工作。

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后 记

如今,西北院在复合材料方面的研究已日渐成熟,取得的成果也越来越多。据统计,从2009年开始,在国家电网公司的坚强领导下,西北院作为主体研发设计单位,发表论文20余篇,取得3项发明专利、4项实用新型专利,1项专有技术,制定了2本技术规程规范,正在申请2项发明专利,已经初步形成了各电压等级复合材料杆塔整套研发设计技术。

虽然取得了如此丰硕的成果,但是复合材料输电塔未来的研究依然任重道远。西北院将继续研究后续施工、运行等成套方案的优化工作,尤其是加强复合横担塔在1000千伏特高压交流双回路工程的应用研究,加强复合材料塔野外自然环境耐久性和全寿命周期成本的研究,以形成系统完整的配套解决方案,为复合材料塔能够批量的投入使用做更充足的准备。


       

 
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