復合材料電桿在油田輸電線路中的應用

鄭春生 劉天方 王洪艷 司 健

勝利石油管理局有限公司電力分公司 山東東營 257000

1 應用背景

自勝利石油管理有限公司電力分公司2020年申報中石化重大科技項目“碳纖維復合材料輸變電設施研究與應用”立項以來,復合材料電桿憑借優異的機械與電氣性能,取得了良好的應用效果。2021年,輸電線路用復合材料電桿逐步試點應用。通過以35 kV灘海線為代表的國家保護區灘涂地型典型應用及以110 kV渤大線為代表的頁巖油電驅壓裂技術輸電技術應用,逐步探索出一條適合油田電網系統的復合材料電桿應用路徑。

2 環形混凝土電桿

環形混凝土電桿由沙子、水泥、鋼筋經離心機塑性蒸制而成,因材料工藝原因存在質量大、撓度低、易風化開裂、不耐腐蝕、壽命短等缺點,壽命一般為15～30 a。華經產業研究院發布的《2020—2025年中國混凝土電桿市場運行態勢及行業發展前景預測報告》顯示,隨著國家大基建項目逐個落地完工,環形混凝土電桿市場將逐年收窄,未來30～50 a環形混凝土電桿將完全退出市場,由電纜、管塔、復合材料電桿取代。

3 復合材料電桿

復合材料電桿是一種利用復合材料,包括聚氨酯、玻璃纖維、碳纖維等,通過變角纏繞工藝構成的電力電桿,有12 m、15 m、18 m等長度之分,性能參數見表1。

表1 復合材料電桿性能參數

從表1中可以發現,復合材料電桿具有五方面優點。第一,強度大,質量小,便于運輸及施工,尤其適用于難以進入的地區及災后電力搶修。第二,電桿整體絕緣,相地爬電距離大幅增大,可以有效防止由感應雷引起的雷擊閃絡事故,帶電作業性能優異。第三,電桿表面有良好的憎水性,防污閃、抗覆冰能力強,適合用于重污染地區。第四,韌性好,大變形下可自行恢復,不影響后續使用,尤其適合沿海強風地區使用。第五,耐腐蝕,使用壽命可達40 a以上。

復合材料電桿從材料和工藝角度解決了傳統環形混凝土電桿的部分缺點,為輸配電線路帶來更多解決方案。復合材料電桿的一個顯著特點就是工藝復雜,造價成本較高,是環形混凝土電桿單價的數倍。但隨著工藝控制逐步穩定,產量逐步提升,所帶來的規模效應可以有效攤銷生產成本,從而降低復合材料電桿的采購成本。

4 油田輸電線路概況

勝利油田輸電線路始建于1965年3月,隨著油田石油開發的進程,經過超過50 a的發展,油田電網逐步覆蓋東營、濱州、淄博、德州等6個地市、22個縣區。油田電網現有292條輸電線路,近15 000基電桿,其中大部分地處黃河以北區域。黃河以北39%的面積處于黃河入?？跒┩空訚傻貛?河流縱橫,鹽場密布,水汽極大,土地多為鹽堿地,含鹽量約0.5%。黃河入?？趶V袤空曠,年雷暴日約32.2 d,屬雷暴多發區。油田灘海地區大部分處于工業和電磁污染最嚴重的Ⅳ級污穢區域,鹽密為0.25～0.35 mg/cm2。

油田有51%的輸電線路環形混凝土電桿建于1992年以前,82%的輸電線路環形混凝土電桿建于2002年以前,運行30 a以上的環形混凝土電桿占輸電線路總量的一半以上。雖然每年各管理區對危及線路運行的危險桿塔進行了更換及補強加固,但并沒有從根本上解決問題。電力分公司輸電線路現有管理人員230人左右,平均年齡47周歲,人均管轄線路15.2 km,輸電設備與管理人員的雙重老化是不可回避的問題。

5 應用案例分析

受國資委四供一業政策影響,油田輸電線路近幾年無新架設工程。油田輸電線路改建換桿等受成本限制,復合材料電桿在油田輸電線路中的應用,更多位于環境惡劣、對強度要求較高的特殊地區。

5.1 35 kV灘海線

2021年7月10日,35 kV灘海線69號桿因短時強風造成嚴重傾斜,隨時有倒桿風險,周圍環境為國家5A級生態保護區?，F場電桿架設的難點有四方面。第一,電桿長期浸泡在腐蝕性較強的海水中。第二,基礎松軟,易歪桿倒桿。第三,野生動物出沒,以東方白鸛為主,易造成短路接地事故。第四,生態保護區內嚴禁大型機具進入,并且對周圍生態破壞有嚴格的控制。

針對以上情況,電力分公司進行復合材料電桿特型設計。其中,套筒式實心預制鋼樁基礎為國內首創,適用于灘涂軟質地基,埋入基礎部分為一根錐狀鍍鋅鋼管或不銹鋼管,與上部法蘭連接,管身帶有螺旋葉片,可以由螺桿鉆機打入地下形成鋼樁。在復合材料電桿安裝完成后,安裝電桿定位板,并注入混凝土。自7月14日搶修施工完成至今,35 kV灘海線運行情況良好,69號桿再無倒桿情況發生。35 kV灘海線復合材料電桿應用如圖1所示。

圖1 35 kV灘海線復合材料電桿應用

從輸電運維角度看,復合材料電桿具有質量小、強度高、耐腐蝕等優勢,套筒式實心預制鋼樁基礎具有基礎牢固、模塊化組裝、成本低等優點,兩者靈活搭配,可應對復雜地理環境,適用于快速應急搶險工程。據統計,生態保護區及沿海灘涂地區的輸電線路共有40條以上,涉及電桿500基以上,在未來運維工作中將繼續推廣應用復合材料電桿。

項目組邀請華北電力大學對復合材料電桿及套筒式實心預制鋼樁基礎進行可靠性校驗,內容分三部分:塔身風載荷計算、下壓穩定性計算、傾覆穩定性計算。

塔身風載荷的計算針對LGJ-70/10、LGJ-95/20、LGJ-120/20三種型號的導線在10 m/s、30 m/s、60 m/s大風工況,以及覆冰工況下進行,覆冰工況的風速為10 m/s,覆冰厚度為10 mm。大風工況計算結果見表2,覆冰工況塔頭風載荷為10.2 N/m,塔身風載荷為13.7 N/m。

表2 大風工況計算結果

對于下壓穩定性,參照標準 DL/T 5219—2014《架空輸電線路基礎設計技術規程》中的規定,對套筒式實心預制鋼樁基礎進行計算。樁極限側阻力標準值見表3,極限端阻力標準值見表4,灌注樁豎向承載力抗力分項因數見表5。

表3 樁極限側阻力標準值 kPa

表4 樁極限端阻力標準值 kPa

表5 灌注樁豎向承載力抗力分項因數

套筒式實心預制鋼樁基礎的豎向載荷為20.8 kN,豎向承載力設計值為337.81 kN,下壓穩定性滿足要求。

對于傾覆穩定性,參照標準DL/T 5219—2014中相關規定,對套筒式實心預制鋼樁基礎進行計算。選擇LGJ-120/20型導線在30 m/s大風工況下進行傾覆穩定性計算,此時導線風壓為1 545.43 N,絕緣子串風壓為70.87 N。

黏性土的參數見表6。塔頭風荷載為76.52 N·m,塔身風荷載為102.77 N·m,橫擔以上視為塔頭,電桿所受風荷載簡化為一個集中力,計算得到傾覆力矩為39.07 kN·m。顯然傾覆力矩小于極限傾覆力矩,傾覆穩定性滿足要求。

表6 黏性土參數

5.2 110 kV渤大線

2022年3月28日,中石化勝利油田產能建設重點項目義193-X28井臺電驅壓裂110 kV、31 500 kV·A輸變電工程一次送電成功。這一工程是復合材料電桿在國內首次小規模應用于石化產業110 kV輸電線路。電驅壓裂輸變電工程輸電線路要求根據電驅壓裂輸變電工程地理位置及電源位置靈活調整輸電設計方案,壓裂工期短,不超過30 d,需循環使用。

在輸電線路環節對比各種電桿。

(1) 環形混凝土電桿線路造價低,但無法頻繁重復使用,在高腐蝕性、高強度使用情況下極易造成倒桿斷桿。如果將環形混凝土電桿定義為一次性使用,那么成本將遠高于復合材料電桿,影響電驅壓裂工程穩定運行。

(2) 角鋼塔線路強度高,結構復雜,質量極大,在臨時輸電用電情況下使用成本極高,并且需要灌注樁基礎,施工周期長、成本高。

(3) 管塔線路與角鋼塔線路類似,質量大,需要灌注樁基礎,施工周期長、成本高。

(4) 電纜線路不適用于長距離輸電,并且每次電驅壓裂工程地理位置、距離不定,中間接頭過多會導致短路事故。

(5) 復合材料電桿線路強度高,質量小,基礎簡單,施工周期短,成本比環形混凝土電桿線路高,但低于角鋼塔線路、管塔線路及電纜線路。

通過對比,選擇使用復合材料電桿線路作為實施方案。輸電線路采用稍徑為190 mm的復合材料電桿,共組立三基。其中,15 m單桿單挑終端桿一基、12 m三聯單桿單挑直線桿一基、15 m三聯單桿單挑耐張桿一基,設計檔距為80～120 m。因為線路全長不超過300 m,并且穿越110 kV國華線,可以不考慮防雷及接地。3月28日,輸電線路一次送電成功。

通過在義193-X28井臺電驅壓裂輸變電工程的應用,證明復合材料電桿可以較好滿足工程需求,同時積累了復合材料電桿在電驅壓裂輸變電工程中應用的經驗,未來可以逐步改進,進一步簡化桿型和工藝流程,降低工程成本。

6 結束語

目前,復合材料電桿因成本問題,僅應用于微地形、微氣象典型環境中。隨著中石化上下游產業一體化持續推進,聚氨酯、玻璃纖維、碳纖維等材料成本降低,以及復合材料電桿的大量應用,復合材料電桿將完成與環形混凝土電桿的新舊交替,油田輸電線路也將更好地服務于油氣生產。