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王景朝:我国输电线路力学研究成果及若干问题探讨

      2012年11月15日下午,中国电科院输变电工程研究所总工程师王景朝在全国输配电技术协作网首届年会的输变电专场论坛上做了主题为“我国输电线路力学研究成果及若干问题探讨”的演讲报告。以下为全文实录:

      王景朝:各位领导、各位专家大家下午好。

      我向大家汇报的题目是“我国输电线路力学研究成果及若干问题探讨”,这个有点杂,不像前面几位汇报的系统和专业,我这个是大杂烩,每个方面都会介绍到,但是每个方面都不会很深入和全面,给大家做一个专业方向,整个大的方向的介绍。

      大概的情况是这样,我是中国电力科学研究院输变电研究所的王景朝,是这个所的总工程师,这个所的情况是电网公司唯一机械力学的研究机构,单位里边有国家电网公司的四个重点实验室,包括霸州杆塔实验基地,还有良乡杆塔实验室,导地线力学性能实验室,还有岩土实验室,另外还挂了三个协会,架空线路标委会,中国电机工程学会输电线路专委会,还有钢结构协会塔桅结构分会,还有四个国家级的检测中心。

      这是输变电工程研究所的历史变革,良乡电建所所大家可能比较熟悉,对现在的输变电工程所大家还不知道是什么单位,给大家介绍一下,我们先前业务范围主要是输变电工程建设和生产领域里边的机械力的问题基本上都在我们这儿。

      近些年来,围绕国网公司“两型三新”的要求,做了一些工作,取得了一些成果,跟大家分享。在“十一五”期间获得了一些获奖专利、成果,成果主要用在了现在国网公司建设和生产运行中的重点、热点工程中。

      我今天向大家汇报的大概分为七个方面的成果,第一个方面是输电线路杆塔结构方面,围绕现在的特高压以及同塔多回,还有防灾减灾耐候钢等等,做了一些工作,先分这四个方面跟大家分享。

      钢管塔方面,主要研究了带颈锻造法兰,杆塔研究在连接点方面,还有杆端弯矩的设计计算方法,还有一些实体的和模型方面,再有就是实验。对于带颈的锻造法兰,这是在杆塔里边应用很好的接连形式,在特高压工程当中也是大量的采用。另外除了法兰还有一些K接点,国外的K接点是这样的,在斜材上都通过法兰来连接,这样整个连接的重量就比较重了,现在做成这样的连接,这样斜材的是通过插接板的形式,这样可以减轻连接的重量,这儿还有多种连接的形式。在设计计算方面做了大量的研究以后,发现现在用的钢管塔,要采用梁杆混合单元的模型来进行计算是比较合适的,过去的计算是按照杆来做的,不考虑弯矩,现在考虑弯矩了。另外在法兰方面还考虑了强度级差的锻造法兰,就可以在保证安全的情况下减轻重量。还做了一些真型的实验研究,一个是双回1000kV/双回500kV同塔四回钢管塔的实验,这个现在工程还没有正式的应用,在研究阶段,这个塔已经通过了真型实验,这个全塔的重要达到了264吨,总高达到了124米,最大的钢管用到了660×15的厚度,这是在2011年通过了真型实验。

      第二个方面给大家汇报大角钢的研究,在这之前国内的Q420钢角钢的肢宽一般在200mm以下,最大的在200×24,它的承载力是277吨,国外先进国家大概是250×35,我们现在还是有差距的。在需求方面特高压直流还有一些特别同塔多回路的大荷载的杆塔,用现在200×24这种角钢需要多拼或者双拼来进行组合,这种组合的结构比较复杂,而且增加了铁塔的设计加工安装的难度,安全性也是有一些问题的。我们基于这个需求,研究了大角钢,针对大角钢,研究它的承载性能。将这些承载性能研究完了以后设计出真型杆塔,来进行真型实验对比,这个对比的塔型就是±800kV特高压直流工程的一个真型塔,当时做的就是转角塔。首先按照常规的非大角钢来做,这个塔做到了105%的时候,发生了屈曲破坏。同样这个塔型,我们把它大角钢融进去,还做同样的实验工况,超载到130%,铁塔未见异常,拆塔时发现应用Q420大规模角钢的主材发生弯曲,弯曲量比较小,实验的时候没有发现,说明我们这个大角钢,比用组合的形式,它的承载能力是有提高的。

      第三个方面,向大家汇报一下耐候弯型钢应用研究。现在热轧型材的规格是受到限制的,在铁塔的设计和制造当中常常出现的以大代小的代料的现象。我们现在研究用冷弯薄壁的钢带或者是钢板通过冷加工的方式做成我们需要的形状,这个图就是现在不同的行业用到的冷成型的钢的断面。与传统扎制型材相比,其机械力学性能和经济性能更为优良,可以加工成我们需要的任意形状,减少材料的浪费。

      我们将高强的钢板加工成需要的形状,可以发挥钢材的机械性能,优化铁塔结构,降低塔重。另外将耐腐蚀性钢板通过冷弯工艺做成耐腐蚀的冷弯型杆塔,它还可以制作成耐侯冷弯型塔,这种塔不用再做镀锌的防腐处理,对环境污染是有益的,减少污染,有良好的社会效益和经济效益。

      我们针对冷弯角钢真型塔做了试验,设计一基塔,塔身重量减轻了4.6%,塔铁的重量减轻了1.7%,整塔算下来重量减少了4%。在塔的设计当中还没有考虑由于钢材的冷弯带来强度的增加,如果考虑这一块,还可以进一步的减轻铁塔的重量,实现降低5%的目标是没问题的。

      做完这个真型试验以后,技术在厦门的220kV一条线路上进行了试点应用,当时用的也是耐候冷弯钢,那个地方腐蚀比较严重,目前运行情况还是良好的。

      向大家汇报第四个方面,杆塔的防灾研究。防灾研究主要做了两个方面的成果,一个是杆塔风振及风振控制,第二是采空区基础变形铁塔承载力的分析。由于时间关系,我比较简单的介绍一下。杆塔风振这个研究以一个耐张段为研究对象,把这个杆塔、导线、绝缘子、金具等等作为研究的对象,在风的作用下,尤其是钢管塔的振动问题,考虑系统的整体的耦合效应进行系统分析,同时设计了黏弹性阻尼器以及TMD,弹簧质量阻尼器安装在杆塔上,可以使杆塔的微风振动效应大大下降,满足工程安全运行的要求。

      另外在采空区方面,针对基础的各种变形,以基础变形为前提,研究计算在各种工况下,杆塔的功能或者说承载能力,在有些情况下是需要加固的,这里考虑了四个工况,包括基础的沿顺线路方向的变形,横线路方向的变形,基础四个塔腿的不均匀沉降,还有大板的水平位移等等。

      向大家汇报第二个方面,输电线路新型导线及金具。

      导线包括大截面导线,扩径导线、节能导线以及特高压工程的金具。首先先说大截面导线,大截面导线做的立项的目的就是针对宁东工程,还有直流特高压工程,当时做了900平方毫米和1000平方毫米导线的研究,这个是完全按照工程需求做的。除了导线选型按照工程要求,在导线做完以后发现由于导线大了,整条线比较重,当时的木钢结构的线盘也有一些问题,后来又做了可拆卸式的全钢盘,代替钢结构的线盘,整个来说效果还是比较好的。

      为了现在工程上顺利地使用,又做了导线的施工技术以及施工机具的研究,另外还做了导线防振以及导线工程应用的一些研究,最后这个900导线在锦苏线上用了7.5万吨,1000平方毫米,宁东到山东导线用了3.5万吨,在其他的特高压线路上,继续采用。扩径导线是当时为了皖电东送,淮南到上海这段工程,有的路段,局部的地方电磁环境可能有一些问题,为了满足电磁环境的需要,研究了两种括径的导线,第一种叫疏绞型的,或者抽股形的,这种形式在西北750线路上当时也用了这种形式,但是那个时候导线的截面比较小,现在截面比较大,大概就是这个样子。在第二层,三层铝里头的中间这一层,抽掉一部分铝股,这样使铝线在同等截面下,导线的外径更大一些。第二种是高密度聚乙烯支撑型线扩径方式,这个外层铝用的是型线,中间黑的是钢芯,这些是高密度聚乙烯的材料进行支撑,这是两种扩径导线,两种导线目的就是为了满足工程对电磁环境的要求。

      第三类导线是节能导线。现在对节能导线,大家的定义不是很清楚,一般节能类导线是指与各个钢芯铝绞线相比在等外径、等总截面条件下,通过减少导线直流电阻、达到提高导线导电能力,减少输电损耗的节能效果。目前来说,提出普及推广应用的节能类导线主要包括,钢芯高导电率的硬铝绞线、铝合金芯铝绞线和中强度全铝合金绞线三种。

      第四个方面是金具的研究方面,在针对特高压交流和直流工程的需求,研制了工程适用的配套的金具,六分裂间隔棒、八分裂间隔棒和各种绝缘子串型和连接金具,完成了特高压工程的电晕、电压分布等等研究,制订了相应的屏蔽措施,之后又形成了1000千伏特高压交流线路的金具技术条件和技术要求,还有正负800千伏特高压直流一般线路的技术要求,大家也知道工程已经都实施了。另外针对具体的工程,研究编制了特高压工程的金具标准化图册,并且得到了应用。

      向大家汇报第三个方面是输电线路地基基础。给大家介绍三个方面的工作,一个是常规条件下输电线路工程地基基础设计理论和试验技术研究;第二是复杂工程条件下设计的优化;第三是基础设计软件。常规条件下,设计理论主要是考虑软土地基,冻土地基、煤矿采空区等特殊地质条件下的基础选型设计技术;斜掏挖式基础等新型环保基础结构选型优化方法;另外还有新型环保型基础推广应用;在特高压工程当中,针对特高压基础选型的工艺形成了一整套的技术。

      在复杂情况下主要考虑区域性特殊土地基输电线杆塔基础设计要求,灾害条件下杆塔基础快速修复和抢修技术。主要成果大概看一下,一个是对这种斜坡地基条件下,如果采用大开挖的方式,土方量很大,而且形成很多弃土,这个形成了一个施工的平面,最后经过雨水到来以后,形成滑坡,这是对自然环境的破坏。对于山梁地区也有这种情况,这些都形成对环境的影响。这种情况下,比刚才那个少一点,但是土分量比刚才少一点,它的腿是等长的,基础面是不等深的。前面都不是太环保,这种比较环保,这个环保就是长短腿,配有两个不同的基础,这两个基础的深度是一样的,只不过杆高不一样,另外还有这种,都是为了减少弃土。这种情况下减少弃土更充分一些,在斜坡上既利用了长短腿又利用了高低基础,基本上没有弃土,就是在这个地方挖出就可以了;在坡度比较大的情况下,在基础上再加一个斜腿,这种情况下因地制宜保护了环境。

      第三个方面是架空输电线路杆塔基础设计软件开发,将前面研发的成果弄在这个软件里,还有设计规程,严格按照设计工程做进去,相当于可选。通过设计工程条件输进去,就会给你最后出来施工图,中间也可以有一些人工干预。这里把土的类型也进行了分类,有一些数据库,可供使用,你可以选多种不同的基础形式,还有一些施工图。

      第四方面,输电线路舞动方面的研究成果。舞动方面一个是理论研究方面,这是舞动的非线性理论,还有舞动的仿真研究。另外还在针对覆冰到风洞里做一些气动参数,这一块在日本、加拿大、欧洲做了一些研究,我们国内这两年才开始做风洞实验。另外导线舞动试验线路,原来在良乡建设过,由于城市建设已经拆掉了,现在在河南省尖山建了一个导线舞动试验线路。

      防舞方案的适用性研究,这是一个课题,针对各种防舞技术进行分别的分析。还有一些新型的防舞器,还有间隔棒的防舞技术,在下面间隔棒过去发生球头断裂的故障,后来进行改进以后,解决了这个问题。防舞设计也不太说了,主要用于低电压和50万紧凑型,所谓低电压就是220到330。还有根据国网公司要求做了舞动分布图的绘制,用了一些技术方法,研究的气象地理法,考虑气象和地理的共同作用,舞动的应用,在这里做了一个数据库,数据库里做了一些研究。

      第五方面是大跨越防振方面,大跨越防振成果用在大跨越里头。防振设计的理论是基于能量平衡原理,在这个原理基础上研制了导线防振元件,设计了防振方案,它的目标是降低导线的运行应力,又建立了实验室,这个实验室的实验档距达到了140米,配备了实验器材。大跨越防振类型给大家介绍一下,现在常用的,虽然比较复杂,安装也比较复杂,但是这个效果是最好的,叫贝塔阻尼线+防振锤防振方案,底下这个是双贝塔阻线,是用在江阴大跨越光缆上的,日本做的,现在已经被拆掉了,因为它的防振效果不好。这个是在实验室照的交叉阻尼线,这个是全防振锤组合的方案,这是在欧洲采用,另外他们的导线张力比较低,防振比较容易做到,像我们国内大跨越导线张力用的比较高,为了降低工程造价,把张力提高,这样防振比较难,防振锤组合是实现不了的。

      工程使用实例来看,江阴大跨越,当时是世界上最大的跨越,档距为2303米,塔高是340多米,导线、地线由我院研究提供防振方案,防振效果比较好,光缆是日本做的,后来发现振动超标,线夹损坏,就换掉了,换掉之后防振效果就没问题了。另外大跨越、向上线还有锦苏线有八个大跨越,还有特高压输电工程,还有在建设当中的或者在设计当中的工程,也都在做。

      第六个方面是电力设施的抗震减震的研究。这个主要是抗地震,前面说的是抗风振。我们根据工程使用需求,研究了变电站电力设施的隔震减震系列装置,其减震效率在30%-70%之间。因为不同的设施它的效率不一样,针对低矮的和细高的设施分别提出了不同的方案,这些方案措施在实际工程当中,像四川、甘肃、云南这些地震多发区变电站使用了,尤其在四川变电站用过以后也发生了很多余震, 20多次余震,使用效果还是比较好的,现在特高压当中也准备在采用,这是一些照片。这是在地震台上做振动实验,这是它的减震器。

      最后一个给大家分享一下我们考虑发展的趋势,给大家做的参考十二五期间,杆塔设计进一步优化,因为杆塔重量对工程造价影响是比较大的;节点构造标准化;杆塔结构研究仿真化;大截面硬铝型线标准化;输电线路导线防振、防舞设计技术标准化;杆塔基础设计自动化;电力设施抗震和隔震技术进一步深化;输变电工程施工信息化。

      电网防灾与减灾技术方向,杆塔、导线、变电设施等的风、冰、地震荷载的取值及计算方法更加合理;风、冰等灾害机理及分布规律及预测方法趋于明确;新型防覆冰舞动装置、防灾减灾新型导线及配套金具的方向;导线舞动,防覆冰舞动,防微风振动技术的仿真化,减震、隔震要区域深化和标准化,在灾害的分析、预警、应急决策一体化,这些发展方向。

      在中长期方面,十二五以后,十三五、十四五甚至更长时间,在输变电仿真技术需要大大的开展研究,减少试验成本,缩短试验周期,提高试验效率。在导线半主动或者主动式的防振防舞技术方面,通过自感应、冰等外部环境条件,主动或者半主动的进行防振防舞能力的配制。在风荷载动力设计方面,改变现有的以静力计算,以结构设计更加接近设计,并且对其它高层结构的设计方案产生重大的影响。

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