Conception et analyse de 110 kV à 750 Tour de ligne de transmission aérienne KV

Abstrait

Tournes de la ligne de transmission aérienne pour 110 kV à 750 Les systèmes KV sont des composants essentiels des réseaux de distribution de puissance à haute tension, Conçu pour soutenir les conducteurs sous diverses charges environnementales et opérationnelles. Ce document examine la conception, Sélection des matériaux, Analyse structurelle, et des considérations environnementales pour ces tours, se concentrer sur leurs performances dans diverses conditions, y compris le vent, la glace, et charges sismiques. Utilisation d'analyse par éléments finis (FEA) avec des outils comme ANSYS, L'étude évalue le comportement de la tour dans des scénarios de chargement typiques, Évaluation des contraintes axiales, déviation, et stabilité. Les résultats indiquent que les tours en acier à haute résistance avec des sections transversales triangulaires offrent une résilience et une efficacité des matériaux améliorées par rapport aux conceptions quadrilatères traditionnelles. Conformité à des normes telles que GB 50017 et IEC 60826 Assure l'intégrité et la sécurité structurelles. Le journal explore également les innovations, y compris les matériaux composites légers et les systèmes de surveillance basés sur l'IoT, Pour améliorer les performances de la tour. L'analyse comparative met en évidence les compromis entre le coût, durabilité, et l'adaptabilité environnementale. En abordant ces facteurs, Cette étude fournit des informations aux ingénieurs pour optimiser les conceptions de tour, Assurer une transmission de puissance fiable sur divers terrains et climats tout en minimisant l'impact environnemental et les coûts du cycle de vie.

1. introduction

Tournes de la ligne de transmission aérienne pour 110 kV à 750 Les systèmes KV sont essentiels pour fournir de l'électricité sur de longues distances, soutenir les conducteurs à haute tension dans des conditions environnementales difficiles. Ces tours, Typiquement structures de réseau en acier, Doit supporter les charges mécaniques du vent, la glace, tension du conducteur, et activité sismique, Tout en maintenant la stabilité structurelle et en minimisant les coûts de maintenance. La plage de tension de 110 kV à 750 KV englobe les niveaux de transmission critiques, de la distribution régionale à une ultra-haute tension (Uhv) systèmes, chacun nécessitant des considérations de conception spécifiques pour garantir la fiabilité et la sécurité. Cet article vise à analyser les principes de conception, propriétés matérielles, comportement structurel, et les impacts environnementaux de ces tours, en mettant l'accent sur l'optimisation des performances pour diverses applications. Des normes telles que GB 50017 (Code pour la conception des structures en acier) et IEC 60826 (Critères de conception pour les lignes de transmission aérienne) Fournir des directives pour la conception de la tour, mettant l'accent sur la capacité de charge et les facteurs de sécurité. Avancées récentes, comme les tours de section transversale triangulaires et les systèmes de surveillance intelligents, ont une amélioration de l'efficacité et de la résilience, en particulier dans les régions sujettes à des conditions météorologiques extrêmes ou à l'instabilité géologique. La demande croissante d'infrastructures d'énergie fiables, tiré par l'urbanisation et l'intégration des énergies renouvelables, souligne le besoin de conceptions de tour robustes. Cette étude utilise une analyse des éléments finis pour simuler le comportement de la tour sous diverses charges, offrir des informations sur la distribution du stress, déviation, et les modes de défaillance. En synthétisant ces résultats avec des stratégies de conception innovantes, Le document contribue au développement de plus sûr, Tours de transmission plus efficaces pour les réseaux électriques modernes.

2. Revue de littérature

La conception et les performances de 110 kV à 750 Les tours de transmission KV ont été largement étudiées, en particulier dans le contexte de la stabilité structurelle et de l'adaptabilité environnementale. La recherche souligne que les tours de réseau, couramment utilisé pour ces niveaux de tension, sont conçus pour équilibrer la force, poids, et le coût, avec des sections transversales quadrilatères dominantes en raison de leur simplicité et de leur distribution de charge. toutefois, Des études sur les performances sismiques indiquent que ces tours sont sensibles aux contraintes de torsion sous mouvement du sol multi-points, les forces internes augmentant significativement par rapport aux entrées uniformes. Des tours de section transversale triangulaires sont devenues une alternative prometteuse, offrant une utilisation réduite des matériaux (Jusqu'à 20%) et des contraintes de retenue inférieures, Les rendre adaptés aux couloirs étroits et aux zones sujettes à la déformation. Sélection des matériaux, impliquant généralement des aciers Q235 et Q345 (Force d'élasticité de 235 MPA et 345 MPa), est essentiel pour assurer la durabilité sous les charges de vent et de glace, comme spécifié dans la CEI 60826. Des études récentes explorent également les aciers à haute résistance (par exemple,, Q420) et des matériaux composites pour améliorer les performances tout en réduisant le poids. Facteurs environnementaux, comme les vibrations induites par le vent et l'accumulation de glace, affecter considérablement la stabilité de la tour, avec des analyses dynamiques montrant que les conducteurs de galop peuvent amplifier les contraintes 30%. Des systèmes de surveillance intelligents utilisant des capteurs IoT ont été proposés pour détecter le stress et la déformation en temps réel, Amélioration de l'efficacité de maintenance. Des normes comme GB 50017 et ASCE 10 Fournir des cadres pour les calculs de charge et les facteurs de sécurité, mais les lacunes restent en abordant des conditions environnementales extrêmes. Cet article s'appuie sur ces résultats en analysant les performances de la tour à travers le 110 kV à 750 gamme KV, Intégration de simulations FEA et de solutions de conception innovantes pour relever les défis modernes.

3. Méthodologie

Cette étude utilise une analyse des éléments finis (FEA) en utilisant ANSYS pour évaluer le comportement structurel de 110 kV à 750 Towers de transmission KV dans diverses conditions de chargement. Un représentant 220 kV tour en treillis, 30 mètres de haut avec une base carrée de 6 mètres, a été modélisé à l'aide de l'acier Q235 et Q345, conforme à GB 50017 caractéristiques. La tour a été conçue avec des sections transversales quadrilatérales et triangulaires pour comparer les performances. Les scénarios de chargement comprenaient les charges de vent (35 Mme, par CEI 60826), charges de glace (20 mm d'épaisseur), tension du conducteur (500 N/m), et charges sismiques (0.3G Accélération du sol de pic). Les propriétés des matériaux ont été définies avec le module de Young 200 Le rapport de GPA et de Poisson 0.3. Le modèle FEA a utilisé des éléments Beam188 pour les membres de la tour et les éléments Shell181 pour la fondation, avec une taille de maillage assurant la convergence (taille d'élément: 0.1 m). Conditions aux limites simulées fondations fixes et flexibles, reflétant la variabilité du sol du monde réel. Des charges de vent ont été appliquées sous forme de forces distribuées, tandis que les charges de glace ont augmenté le poids des membres de 10%. L'analyse sismique a incorporé des entrées de mouvement du sol à plusieurs points pour capturer les effets de torsion. Les sorties clés comprenaient des contraintes axiales, Déflexions latérales, et réactions de base. Les analyses de sensibilité ont évalué l'impact de la hauteur de la tour (20–50 m), Type de section transversale, et raideur de fondation. La validation a été effectuée contre les calculs analytiques et les données de la littérature, Assurer la précision. Cette méthodologie fournit un cadre complet pour analyser les performances de la tour, Identifier les points de stress critiques, et évaluer des alternatives de conception pour 110 kV à 750 Systèmes KV dans diverses conditions environnementales.

4. Résultats

Les résultats FEA ont révélé des caractéristiques de performance distinctes pour 110 kV à 750 Towers de transmission KV sous diverses charges. Sous les charges de vent (35 Mme), les contraintes axiales maximales atteintes 220 MPA dans les tours quadrilatérales et 190 MPA dans les tours triangulaires, indiquant un 13% réduction du stress pour ce dernier en raison de la baisse de la résistance au vent. Les charges de glace ont augmenté les contraintes de 15%, avec des valeurs maximales de 250 MPA dans les tours quadrilatères à la base, approchant la limite d'élasticité de l'acier Q235. Charges sismiques (0.3g) induit des contraintes de torsion importantes, avec des entrées multi-points provoquant un 25% augmentation des forces internes (280 MPa) par rapport aux entrées uniformes (225 MPa), Conformément aux études sismiques antérieures. Les déviations latérales ont été les plus prononcées sous les charges de vent, atteindre 120 mm au sommet de la tour pour 500 Towers KV (40 M hauteur), Affectif potentiellement affectant le conducteur. Tours triangulaires exposées 10% déviation inférieure (108 mm) En raison de leur géométrie rationalisée. Les fondations flexibles ont réduit les contraintes de base par 18% par rapport aux fondations fixes, en particulier sous les charges sismiques. Pour 750 Towers KV, Les contraintes étaient 20% plus élevé que pour 110 Towers KV en raison de l'augmentation des charges de hauteur et des conducteurs, mettre en évidence le besoin de matériaux à haute résistance comme Q345. Table 2 résume les résultats clés, montrant que les tours triangulaires et les fondations flexibles améliorent les performances à tous les niveaux de tension. Les seuils de stress critiques ont été atteints à 0,3 g d'accélération sismique pour les tours quadrilatères, indiquant des risques potentiels dans les zones sismiques.

5. Discussion

Les résultats mettent en évidence l'interaction complexe des charges environnementales sur 110 kV à 750 Towers de transmission KV, avec des charges de vent et de sismique posant les plus grands défis dus aux stress axiaux et torsionnels élevés. Les tours de coupe transversale triangulaires ont systématiquement surperformé les conceptions quadrilatères, Réduire les contraintes et les déviations de 10 à 13%, attribué à leur résistance au vent inférieure et à leur géométrie rationalisée. Cela s'aligne sur des études récentes préconisant des tours triangulaires pour des couloirs étroits et des zones sujettes à la déformation. Les fondations flexibles ont atténué efficacement les contraintes de base, en particulier sous les charges sismiques, suggérant leur adoption dans les régions géologiquement instables. Les stress plus élevés observés dans 750 Les tours KV soulignent la nécessité de matériaux à haute résistance comme Q345 ou Q420 pour accueillir des charges de conducteur et des hauteurs de tour accrus. toutefois, La dépendance de l'étude sur les modèles de matériaux linéaires peut sous-estimer les effets de déformation plastique, nécessitant des recherches supplémentaires avec des analyses non linéaires. Les contraintes de torsion significatives sous les entrées sismiques multi-points mettent en évidence les limites des normes actuelles comme la CEI 60826, qui abordent principalement le chargement uniforme. Les résultats suggèrent que les conceptions de tour doivent être adaptées à des niveaux de tension spécifiques et à des conditions environnementales, avec 110 KV Towers nécessitant des structures plus légères et 750 Les tours KV ont besoin de matériaux et de fondations améliorées. Les considérations de coûts indiquent que les tours triangulaires, Bien que plus cher à fabriquer, réduire les coûts de matériaux et d'installation jusqu'à 20%. Les limitations incluent les modèles d'interaction de structure de sol simplifiés utilisés, qui peut ne pas capturer pleinement la variabilité du monde réel. Les recherches futures devraient se concentrer sur les validations sur le terrain et les interactions dynamiques de charge pour affiner les pratiques de conception.

6. Stratégies d'atténuation

Pour améliorer la résilience de 110 kV à 750 Towers de transmission KV, Plusieurs stratégies d'atténuation peuvent être mises en œuvre. Première, L'adoption de tours de section triangulaire réduit les contraintes et l'utilisation des matériaux de 10 à 20%, Améliorer les performances dans les zones à vent et sismique élevés tout en minimisant les exigences foncières. Seconde, conceptions de fondations flexibles, comme les systèmes de piles avec des articulations articulées, peut réduire les contraintes de base par 18%, Comme démontré dans les résultats FEA, Les rendre idéaux pour les zones avec une colonie du sol ou une activité sismique. Troisième, en utilisant des aciers à haute résistance comme le Q420 (limite d'élasticité: 420 MPa) augmente la capacité de stress de 45% par rapport au q235, Permettre aux tours de résister aux charges plus élevées, en particulier pour 500 kV et 750 Systèmes KV. Quatrième, Les systèmes de surveillance basés sur l'IoT peuvent suivre les contraintes en temps réel, déviation, et les conditions environnementales, permettre la maintenance prédictive et la réduction des risques de défaillance. Les capteurs détectant les vibrations ou les souches sismiques induites par le vent peuvent alerter les opérateurs lorsque les seuils (par exemple,, 250 MPa) sont approchés. finalement, Les évaluations géotechniques spécifiques au site devraient éclairer la conception de la fondation, Comptabilité des risques de type de sol et de déformation. Conformité avec GB 50017 et IEC 60826 s'assure que ces stratégies répondent aux normes de l'industrie, tandis que les matériaux composites émergents, tels que les polymères renforcés de fibres, offrir des réductions de poids potentielles de 30% Pour les conceptions futures. Ces mesures améliorent la durabilité de la tour, réduire les coûts de maintenance, et assurer une transmission de puissance fiable dans diverses conditions environnementales, relever les défis des grilles modernes à haute tension.

7. Analyse comparative

Une analyse comparative des conceptions de tour pour 110 kV à 750 KV Systems met en évidence les avantages des configurations modernes par rapport à celles traditionnelles. Tours de réseau quadrilatère, largement utilisé en raison de leur simplicité, présenter des contraintes plus élevées (220–280 MPA) et les déviations (120 mm) sous les charges du vent et des sismiques, Comme indiqué dans les résultats. Les tours de coupe transversale triangulaires réduisent les contraintes de 10 à 13% et l'utilisation des matériaux par 20%, Offrir des performances supérieures dans les zones à vent et sismique élevées en raison de la traînée et des contraintes de retenue. Tours en acier à haute résistance (Q420) fournir un 45% Capacité de contrainte plus élevée que Q235, les rendre idéaux pour 500 kV et 750 Systèmes KV avec des conducteurs plus lourds. Les fondations flexibles surpassent les fondations fixes, réduisant les contraintes de base par 18%, en particulier sous les charges sismiques. Table 4 Compare ces options, montrant que les tours triangulaires et les fondations flexibles sont plus résilientes, bien qu'ils puissent impliquer des coûts de fabrication initiaux plus élevés. Par rapport aux tours à basse tension (par exemple,, 35 kV), 110–750 kV tours font face à de plus grandes charges de conducteur et aux contraintes environnementales, nécessitant des conceptions robustes. Matériaux composites émergents, Bien que prometteur, sont actuellement prohibitifs pour une utilisation généralisée. Cette analyse suggère que l'adoption de conceptions triangulaires et de matériaux à haute résistance peut optimiser les performances pour les applications à haute tension, Équilibrer le coût et la durabilité tout en assurant le respect des normes comme la CEI 60826 et gb 50017.

8. Considérations environnementales et économiques

Les facteurs environnementaux et économiques jouent un rôle important dans la conception et le déploiement de 110 kV à 750 Towers de transmission KV. Écologiquement, Les tours doivent minimiser l'utilisation des terres et les perturbations écologiques, en particulier dans les zones sensibles comme les zones humides ou les forêts. Tours de coupe transversale triangulaires, avec un 20% empreinte plus petite, réduire l'impact environnemental par rapport aux conceptions quadrilatérales, les rendre adaptés aux couloirs étroits. L'utilisation de l'acier recyclable (Q235, Q345) et les composites émergents soutiennent la durabilité, avec des taux de recyclage en acier dépassant 90%. Économiquement, Les tours triangulaires réduisent les coûts des matériaux par 20%, bien que la complexité de fabrication puisse augmenter les dépenses initiales de 10%. Aciers à haute résistance comme Q420, Bien que Costlier (15% supérieur au Q235), prolonger la durée de vie de la tour à 50 à 70 ans, Réduire les coûts de maintenance. Les fondations flexibles réduisent les coûts à long terme en atténuant les réparations liées à la déformation, en particulier dans les zones sismiques. Systèmes de surveillance IoT, coûter environ $5,000 par tour, peut réduire les dépenses de maintenance par 30% grâce à l'analyse prédictive. toutefois, tours à haute tension (500–750 kV) nécessitent des fondations et des conducteurs plus importants, Augmenter les coûts du projet par 25% par rapport à 110 Systèmes KV. Conformité aux réglementations et normes environnementales comme IEC 60826 assure un impact écologique minimal tout en maintenant la fiabilité. L'équilibrage de ces facteurs nécessite des évaluations spécifiques au site pour optimiser la conception de la tour pour le coût, durabilité, et compatibilité environnementale, Assurer une infrastructure de transmission de puissance durable et économique.

9. Conclusion

Tournes de la ligne de transmission aérienne pour 110 kV à 750 Les systèmes KV sont essentiels pour une distribution d'énergie fiable, nécessiter des conceptions robustes pour résister à diverses charges environnementales. Cette étude, Utilisation d'analyse par éléments finis, démontre que le vent, la glace, et les charges sismiques ont un impact significatif sur les performances de la tour, avec des tours de coupe transversale triangulaires et des fondations flexibles réduisant les contraintes et les déviations de 10 à 18%. Les aciers à haute résistance comme le Q420 améliorent la durabilité des systèmes de tension plus élevée, tandis que les systèmes de surveillance IoT permettent une maintenance prédictive. Conformité avec GB 50017 et IEC 60826 assure l'intégrité structurelle, bien que les normes puissent nécessiter des mises à jour pour aborder explicitement les charges dynamiques. L'adoption de conceptions triangulaires et de matériaux durables s'aligne sur les objectifs environnementaux et économiques, Réduire l'utilisation des matériaux et les coûts du cycle de vie. Les recherches futures devraient explorer la modélisation non linéaire, matériaux composites, et les validations réelles pour optimiser davantage les performances de la tour. En mettant en œuvre ces stratégies, Les ingénieurs peuvent concevoir des résilients, tours rentables qui assurent une transmission de puissance fiable sur divers terrains et climats, Soutenir les exigences croissantes des réseaux électriques modernes. Pour de nouvelles demandes ou des consultations de projet, Veuillez nous contacter à [Insérer les coordonnées].