王 力，韓立奎，趙書龍，祝曉曉，孫海莉

（國網(wǎng)山東省電力公司德州供電公司，山東 德州 253008）

0 引言

隨著最近幾年電網(wǎng)的高速發(fā)展，架空輸電線路的架設(shè)數(shù)量呈現(xiàn)急劇增長的趨勢[1]，架空線路走廊寬度在一定程度上決定了線路路徑的選取，尤其是城市和商業(yè)化、工業(yè)化密集的村鎮(zhèn)，走廊寬度更是路徑選取的決定性因素。復(fù)合絕緣橫擔(dān)技術(shù)能夠有效地減小架空線路走廊寬度，并兼具絕緣性能好、質(zhì)量輕、耐腐蝕和力學(xué)承載性能好等優(yōu)點，因此該技術(shù)近年來逐漸應(yīng)用于高壓架空輸電線路中。

1 復(fù)合絕緣橫擔(dān)技術(shù)介紹

復(fù)合絕緣橫擔(dān)桿塔是將桿塔塔頭部分普通鐵橫擔(dān)更換為具有良好絕緣性能的復(fù)合絕緣橫擔(dān)的輸電桿塔。復(fù)合絕緣橫擔(dān)具有絕緣性能好、質(zhì)量輕、耐腐蝕和力學(xué)承載性能好的優(yōu)點，能有效降低風(fēng)偏，預(yù)防污閃[2]，理論上還可提升線路的過電壓耐受水平，減少線路跳閘事故、減小線路走廊寬度、桿塔高度和施工難度、減少桿塔運維檢修工作量[3]。

我國對于復(fù)合絕緣橫擔(dān)的研究與應(yīng)用相對比較滯后，但是進(jìn)展較快，多家科研單位、高校都在進(jìn)行研究。2007年，武漢高壓研究院成功研制了復(fù)合絕緣塔頭和橫擔(dān)，主要用于10 kV線路的防雷擊和防污閃[4]。2017年2月，國家電網(wǎng)有限公司基建部在北京召開了關(guān)于復(fù)合絕緣橫擔(dān)工程應(yīng)用技術(shù)研討會，研討了復(fù)合絕緣橫擔(dān)試點應(yīng)用工作背景，包括復(fù)合絕緣橫擔(dān)原材料、制造工藝、設(shè)計及試驗研究、產(chǎn)品性能、施工及維護等方面情況，并在未來一段時期內(nèi)穩(wěn)步推廣復(fù)合絕緣橫擔(dān)的應(yīng)用。

2 復(fù)合絕緣橫擔(dān)可行性研究

2.1 試點工程簡介

依托國家電網(wǎng)有限公司復(fù)合絕緣橫擔(dān)試點工程開展復(fù)合絕緣橫擔(dān)技術(shù)研究。該試點工程位于山東省德州市高鐵新區(qū)，線路路徑長度為6.1 km，其中架空線路為5.9 km，電纜線路為0.2 km。線路導(dǎo)線采用JL/G1A-300/40型鋼芯鋁絞線，地線采用OP‐GW-70型復(fù)合光纜，架空線路全線采用鋼管桿。

2.2 材料工藝可行性

2.2.1 纖維選型

纖維是復(fù)合材料中的主要受力材料，根據(jù)成分不同，可以分為玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、陶瓷纖維、玄武巖纖維、聚烯烴纖維、金屬纖維以及硼纖維等。其中玻璃纖維具有出色的抗拉強度、突出的耐熱性能、優(yōu)良的電絕緣性，是理想的電絕緣材料。更重要的是玻璃纖維和樹脂基體間存在良好的界面作用力，可作為很好的增強材料。

玻璃纖維按組成、性質(zhì)和用途，又可分為A-玻纖、E-玻纖、R-玻纖和S-玻纖等[5]，其中E-玻纖是一種硼硅酸鹽玻璃纖維，是目前應(yīng)用最廣泛的一種玻璃纖維，具有良好的電氣絕緣性能和力學(xué)性能[6]，且價格適中，廣泛用于生產(chǎn)電氣絕緣材料，因此推薦采用E-玻璃纖維作為復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔材料。

2.2.2 樹脂選型

常用的樹脂類型有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基樹脂等。國內(nèi)常用代表性樹脂的性能參數(shù)如表1所示。

表1 代表性樹脂基體的性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of representative resin matrixes

由表1可以看出，酚醛樹脂的彎曲模量最大，價格較便宜，但其強度和延伸率較低，是典型的脆性材料，不適宜用作結(jié)構(gòu)材料；環(huán)氧樹脂的拉伸強度及彎曲強度均較高[7]，延伸率達(dá)到4.0%，能很好地與E-玻璃纖維協(xié)同變形[8]，因此推薦采用環(huán)氧樹脂作為復(fù)合絕緣橫擔(dān)基體樹脂。

2.2.3 工藝可行性

復(fù)合材料型材成型工藝主要有拉擠成型、纏繞成型、模壓成型和手糊成型4種。其中纏繞成型制品除了具有常規(guī)優(yōu)點之外，還有其他成型工藝所沒有的優(yōu)點：①增強材料采用連續(xù)玻璃纖維，因此比強度較高；②避免了布紋交織點與短切纖維末端的應(yīng)力集中，整體強度更穩(wěn)定；③產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在不同方向的強度比達(dá)到最佳，從而實現(xiàn)等強度結(jié)構(gòu)；④纏繞成型工藝的機械化和自動化程度更高。

綜合考慮復(fù)合材料的力學(xué)性能、價格、產(chǎn)量等因素，復(fù)合絕緣橫擔(dān)最終決定采用纏繞成型的E-玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。

2.3 電氣方案可行性

2.3.1 導(dǎo)地線布置

該試點工程采用典型35C08模塊的鋼管桿。下面以直線鋼管桿為例，比較普通鋼管桿橫擔(dān)設(shè)計與復(fù)合絕緣橫擔(dān)設(shè)計的塔頭布置，35C08-SZ1-15桿型塔頭布置如圖1所示。

圖1 35C08-SZ1-15桿型塔頭布置圖Fig.1 Layout of 35C08-SZ1-15 pole tower head

采用復(fù)合材料絕緣橫擔(dān)，取消懸式絕緣子串，塔頭可重新布置[9]。35 kV桿塔的線間距離按式（1）進(jìn)行計算。

式（1）中：D為導(dǎo)線水平線間距離，m；Lk為懸垂絕緣子串長度，對于復(fù)合絕緣橫擔(dān)無絕緣子串，只考慮線夾長度，Lk=0.3 m；U為線路電壓，U=35 kV；f為導(dǎo)線最大弧垂，可以通過f=gl2/8σ=2.609 m計算得到，其中g(shù)為自重比載，g=3.336×10-4MPa/m；l為檔距，m；σ為導(dǎo)線應(yīng)力，σ=54.49 MPa。

綜合以上計算，同時參考GB 50061—2010[10]中上地線對邊導(dǎo)線保護角的要求，復(fù)合材料絕緣橫擔(dān)的桿塔塔頭布置如圖2所示。

圖2 復(fù)合絕緣橫擔(dān)桿塔塔頭布置圖Fig.2 Layout of composite insulated cross arm tower head

2.3.2 串型選擇

由于塔身部分依然采用鋼結(jié)構(gòu)，單純從滿足對塔身空氣間隙角度來講，要控制金具串長度達(dá)到最小[11]。根據(jù)金具串的設(shè)計要求，考慮到連接金具長度等相關(guān)因素，懸垂串的最小長度應(yīng)在0.3 m左右。

本工程中懸垂串采用單聯(lián)單掛點金具串，如圖3所示。利用復(fù)合絕緣橫擔(dān)的絕緣特性，懸垂串不加裝絕緣子，導(dǎo)線可通過少量連接金具直接固定在復(fù)合絕緣橫擔(dān)上，從而使得桿塔結(jié)構(gòu)緊湊、材料核減，減小走廊寬度。

2.4 結(jié)構(gòu)方案可行性

2.4.1 橫擔(dān)布置優(yōu)化

連接困難、彈性模量低是復(fù)合材料兩個最大的缺點，若復(fù)合絕緣橫擔(dān)仍采用常規(guī)的桁架方案，則其節(jié)點較多，風(fēng)險性較大。因此，復(fù)合絕緣橫擔(dān)應(yīng)盡量減少節(jié)點數(shù)量。參考此前北玻院在國家電網(wǎng)有限公司關(guān)于復(fù)合材料絕緣橫擔(dān)推進(jìn)會議上的設(shè)計方案，將復(fù)合絕緣橫擔(dān)設(shè)計成單支柱單斜拉桿形式，如圖4所示。

圖4 復(fù)合絕緣橫擔(dān)桿塔塔頭結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural drawing of composite insulated cross arm tower head

復(fù)合絕緣橫擔(dān)正面：采用一個斜拉拉桿，拉桿首端與鋼管桿連接，末端與復(fù)合橫擔(dān)末端連接。可將斜拉桿改為僅能傳遞拉力的復(fù)合絕緣子串，進(jìn)而充分利用復(fù)合材料優(yōu)良的抗拉性能[12]。通過拉桿、復(fù)合絕緣橫擔(dān)及桿身連接節(jié)點組成三角形，能克服變形，同時由于拉桿與復(fù)合橫擔(dān)共同承受導(dǎo)線垂直荷載，使得復(fù)合絕緣橫擔(dān)根部受力分流，有利于安全運行，且滿足設(shè)計要求。

2.4.2 桿件截面選擇

對于受拉構(gòu)件，多數(shù)截面為圓形，其截面面積主要由受拉強度控制，僅需保證截面積足夠即可。對于受壓構(gòu)件，由于復(fù)合材料彈性模量較低，其整體穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如鋼構(gòu)件，其截面大小往往直接決定穩(wěn)定承載力，因此應(yīng)選慣性矩盡可能大的截面形式，以提高構(gòu)件的穩(wěn)定承載能力[13]。

綜合比較各類截面，相同截面積以圓形截面的慣性矩最大，其整體穩(wěn)定承載力也最高，同時考慮避免出現(xiàn)內(nèi)部擊穿的可能，本工程復(fù)合橫擔(dān)桿件均選用實心圓形截面。

2.4.3 節(jié)點選擇

復(fù)合材料是一種脆性材料，其連接部位往往是其薄弱點[14]。通過對國內(nèi)復(fù)合材料連接設(shè)計的廣泛調(diào)研，借鑒現(xiàn)有多種節(jié)點的連接方式，提出一種新型節(jié)點連接方式——插板式連接，如圖5所示。該連接方式是在復(fù)合材料型材成型后利用膠結(jié)連接金屬件，再通過金屬件進(jìn)行螺栓連接，可有效限制構(gòu)件變形，提高承載力，同時結(jié)構(gòu)簡單、工藝成熟，便于現(xiàn)場組裝。

圖5 插板式連接示意圖Fig.5 Schematic diagram of plug-in plate connection

綜合考慮復(fù)合絕緣橫擔(dān)桁架布置特點，若全部采用插板式連接，會導(dǎo)致橫擔(dān)隨導(dǎo)線的擺動而前后移動。因此，支柱受壓桿件與鋼管桿采用管狀法蘭連接[15]，受拉桿件與桿身、受拉桿件與支柱桿件之間采用插板式連接。

2.5 有限元受力分析

（1）橫擔(dān)外形尺寸：長度為1.4 m、高度為1 m、受壓桿件直徑為90 mm、受拉桿件直徑為30 mm。

（2）載荷工況如表3所示。

表3 不同工況下的載荷Tab.3 Load value under different working conditions

（3）結(jié)合表3參數(shù)，構(gòu)建支柱復(fù)合絕緣橫擔(dān)和拉桿有限元模型[16]，通過ANSYS有限元計算軟件計算不同工況下桿件的受力情況，比較得出桿件最大受力。由于仿真圖較多，在此僅列出受力較大的工況，如圖6所示。

圖6 不同工況下桿件的最大受力情況Fig.6 Maximum stress of member under different working conditions

通過有限元計算軟件的計算結(jié)果可知，復(fù)合絕緣橫擔(dān)拉桿的最大應(yīng)力為30.4 MPa，最大拉力為20.529 kN；橫擔(dān)支柱的最大壓應(yīng)力為122 MPa，最大壓力為18.606 kN，遠(yuǎn)低于構(gòu)件力學(xué)性能指標(biāo)（抗拉強度不小于1 100 MPa，抗壓強度不小于450 MPa）的要求，因此該復(fù)合絕緣橫擔(dān)結(jié)構(gòu)滿足力學(xué)性能要求。

2.6 應(yīng)用情況

復(fù)合絕緣橫擔(dān)應(yīng)用于試點工程以來，運行狀況良好，結(jié)合實際運行情況，復(fù)合絕緣橫擔(dān)具有明顯的優(yōu)點。復(fù)合絕緣橫擔(dān)無需懸垂絕緣子，金具串長度由1 080 mm縮短至300 mm，單基鋼管桿高度降低0.7 m以上，質(zhì)量核減約0.8 t。由于金具串長度縮短，大幅降低風(fēng)偏影響，橫擔(dān)長度也可減少，線路走廊寬度減小約1.0 m；每公里線路走廊減少伐樹約300棵，工程整體造價較原來降低約4.5%。

3 結(jié)論

（1）通過材料、電氣、結(jié)構(gòu)等方面的比選，復(fù)合絕緣橫擔(dān)最終選用纏繞成型的E-玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，采用單支柱單斜拉結(jié)構(gòu)形式，節(jié)點采用管狀法蘭連接與插板式連接相結(jié)合的方式。

（2）復(fù)合絕緣橫擔(dān)相比傳統(tǒng)鐵橫擔(dān)具有明顯優(yōu)勢，可有效降低桿塔高度、節(jié)省線路走廊、降低風(fēng)偏、改善污閃，具有良好的絕緣性能。

（3）本研究復(fù)合絕緣橫擔(dān)僅可應(yīng)用于直線桿塔，需要進(jìn)一步開展復(fù)合絕緣橫擔(dān)在耐張桿塔的應(yīng)用研究，從而可以將復(fù)合絕緣橫擔(dān)全部應(yīng)用于輸電線路中。