張華

摘? 要：復(fù)合絕緣橫擔(dān)是一種新型輸電桿塔形式，與傳統(tǒng)輸電線路相比，不再利用鋼材作為主要材料，而是利用具備高絕緣性的復(fù)合材料制作而成，此種材料還具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕、易維護(hù)及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是新型復(fù)合材料在輸電線路中的創(chuàng)新性應(yīng)用。通過對復(fù)合材料橫擔(dān)的應(yīng)用現(xiàn)狀及技術(shù)特性的分析，對比分析鋼材及復(fù)合材料的性能差異，遵循經(jīng)濟(jì)性、節(jié)約性原則，以開發(fā)功能完善、性能多元的輸電線路為導(dǎo)向，展開復(fù)合絕緣橫擔(dān)的合理設(shè)計(jì)，旨在促進(jìn)其在輸電線路工程中的推廣應(yīng)用，并取得良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：輸電線路；新材料；復(fù)合絕緣橫擔(dān)；創(chuàng)新性；復(fù)合材料

中圖分類號：TM75? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）10-0110-04

Abstract： Composite crossarm is a new form of transmission tower， compared with the traditional transmission line， no longer use steel as the main material， but the use of high insulation composite material made of， this material also has the advantages of high strength， light weight， corrosion resistance， easy maintenance and strong designability， is a new composite material in the transmission line innovative application. Based on the analysis of the application status and technical characteristics of the composite crossarm， the performance difference between steel and composite materials is compared and analyzed. Following the principle of economy and economy， and guided by the development of transmission lines with perfect functions and multiple performance， the rational design of composite insulated crossarm is carried out to promote its application in transmission line engineering. And achieved good social and economic benefits.

Keywords： transmission line; new material; composite insulation crossarm; innovative; composite

復(fù)合絕緣橫擔(dān)是傳統(tǒng)以鋼材為原料制作的輸電線路的升級版，此種桿塔采用復(fù)合材料制作而成，具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕、易維護(hù)及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是新型復(fù)合材料在輸電線路應(yīng)用中的創(chuàng)新。其結(jié)構(gòu)內(nèi)層為硅橡膠傘裙，外側(cè)包裹一層復(fù)合材料，淘汰了傳統(tǒng)輸電桿塔常用的懸式緣絕橫擔(dān)，導(dǎo)線的連接結(jié)構(gòu)替換為懸垂線夾，此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式可降低輸電走廊寬度，并能使桿塔整體高度得到有效降低。

目前對于高壓或超高壓輸電線路，其橫擔(dān)結(jié)構(gòu)尺寸、荷載和構(gòu)件受力均較大，若整塔采用復(fù)合材料，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)和加工受到限制。若采用復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔（即復(fù)合絕緣橫擔(dān)和鋼結(jié)構(gòu)塔身），既可利用其絕緣特性，又可利用鋼結(jié)構(gòu)塔身剛度大、承載力高、節(jié)點(diǎn)易構(gòu)造等優(yōu)點(diǎn)，是目前復(fù)合材料在高壓輸電線路工程中應(yīng)用的一種合理方式。綜合考慮鋼材和復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)，用復(fù)合絕緣橫擔(dān)替代鋼制橫擔(dān)，更能發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)勢，復(fù)合絕緣橫擔(dān)已成為復(fù)合材料應(yīng)用于35～1 000 kV電壓等級線路橫擔(dān)的主要結(jié)構(gòu)形式。

1? 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，復(fù)合絕緣材料桿塔逐步應(yīng)用于我國輸電桿塔工程之中，在低壓輸電線及高壓輸電線路中均有應(yīng)用。復(fù)合絕緣橫擔(dān)的類型篩選、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制作相關(guān)技術(shù)不斷優(yōu)化，并積累了豐富的復(fù)合絕緣橫擔(dān)質(zhì)量檢測、施工應(yīng)用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，此種新型輸電桿塔的利用，降低了資源耗損量，同時(shí)也減少了災(zāi)害事故發(fā)生率，滿足了輸電領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)性、安全性應(yīng)用要求。截至目前，復(fù)合絕緣材料桿塔已經(jīng)在近100項(xiàng)工程中得到應(yīng)用。

2? 技術(shù)特性分析

2.1? 典型結(jié)構(gòu)

復(fù)合絕緣橫擔(dān)主要采用絕緣子橫擔(dān)或配合絕緣拉桿結(jié)構(gòu)型式。有直接采用1根絕緣子橫擔(dān)結(jié)構(gòu)型式，有采用1根絕緣子橫擔(dān)并架設(shè)1根斜拉式絕緣子結(jié)構(gòu)型式，有2根絕緣子橫擔(dān)架設(shè)1根斜拉式絕緣子結(jié)構(gòu)型式，還有2根絕緣子橫擔(dān)架設(shè)2根斜拉式絕緣子結(jié)構(gòu)型式。

2.2? 機(jī)械性能

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量大、抗疲勞性能及減震性能好等優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合材料多年的研究及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度可超過普通碳素鋼的強(qiáng)度。

復(fù)合材料成型工藝靈活，其結(jié)構(gòu)和性能具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性。其具有多方向受力能力強(qiáng)的特征，并且自身韌性大、剛度高，還具備一定的可塑性，能夠以最大限度接近預(yù)期目標(biāo)，滿足工程性能要求。

力學(xué)真型試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

在滿足110、220及500 kV力學(xué)真型試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的條件下，3個(gè)電壓等級實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)如下：

1）110 kV橫擔(dān)通過了7個(gè)工況100%設(shè)計(jì)荷載，其中0度大風(fēng)工況超載至345%，橫擔(dān)未見異常。覆冰工況，橫擔(dān)位移180 mm；斷導(dǎo)線工況，橫擔(dān)位移240 mm。

2）220 kV橫擔(dān)通過了3個(gè)極限工況100%設(shè)計(jì)荷載，橫擔(dān)未見異常。斷導(dǎo)線工況，橫擔(dān)位移101 mm。

3）500 kV橫擔(dān)通過了4個(gè)極限工況100%設(shè)計(jì)荷載，其中斷導(dǎo)線工況超載至150%，橫擔(dān)未見異常。斷導(dǎo)線工況，橫擔(dān)位移54 mm。

綜上，復(fù)合材料強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)條件，但撓度較大，復(fù)合材料設(shè)計(jì)應(yīng)以撓度控制為主?？赏ㄟ^結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來克服復(fù)合材料撓度大的缺點(diǎn)；采用三角穩(wěn)定結(jié)構(gòu)能夠有效減小橫擔(dān)位移。

2.3? 防雷

在不改變塔窗結(jié)構(gòu)的條件下，采用復(fù)合絕緣橫擔(dān)后，雷電沖擊絕緣間隙長度比常規(guī)鐵塔明顯增大；采用復(fù)合絕緣橫擔(dān)可以提升線路耐雷水平。表2為110、220及500 kV典型直線塔懸垂串長與復(fù)合絕緣橫擔(dān)設(shè)計(jì)長度。

表2? 復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔與常規(guī)鐵塔對比

采用復(fù)合絕緣橫擔(dān)后，雷電沖擊絕緣間隙長度比常規(guī)鐵塔明顯增大，復(fù)合絕緣材料桿塔的繞、反擊耐雷水平相比同電壓等級普通鐵塔均有提升。同時(shí)，由于復(fù)合絕緣橫擔(dān)具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，可在多雷區(qū)可根據(jù)線路實(shí)際情況增大復(fù)合絕緣橫擔(dān)長度，進(jìn)一步提升耐雷水平。

綜上，復(fù)合絕緣材料桿塔與普通鐵塔相比，有著優(yōu)越的防雷性能，在桿塔其他結(jié)構(gòu)不變，僅將鋼制橫擔(dān)換成復(fù)合絕緣橫擔(dān)的條件下，復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔有著更高的耐雷水平和更低的雷擊跳閘率。

2.4? 防風(fēng)偏

復(fù)合絕緣橫擔(dān)是采用拉擠實(shí)心圓棒制成，表面壓接硅橡膠傘裙，承擔(dān)全部的絕緣性能。復(fù)合絕緣橫擔(dān)的使用完全取消懸式絕緣子串，端部僅通過線夾與導(dǎo)線相連，在風(fēng)載作用下偏移量很小，從根本上解決了掛點(diǎn)處風(fēng)偏的問題。按照架空輸電線路設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定，在滿足帶電部分與桿塔構(gòu)件的最小間隙的條件下，以220 kV為例，復(fù)合絕緣橫擔(dān)與常規(guī)鐵塔橫擔(dān)導(dǎo)線掛點(diǎn)處間隙圓對比圖如圖1所示。

復(fù)合絕緣橫擔(dān)導(dǎo)線掛點(diǎn)處為同心圓，擺動(dòng)極小；常規(guī)鐵塔橫擔(dān)導(dǎo)線掛點(diǎn)處為偏心圓，有較大的擺動(dòng)空間（圖2）。與常規(guī)鐵塔相比，復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔在輸電線路防風(fēng)偏方面具有明顯優(yōu)勢。

相比傳統(tǒng)鐵塔，輸電線路采用復(fù)合絕緣橫擔(dān)在大風(fēng)地區(qū)可大幅度提升輸電線路的穩(wěn)定可靠性。

2.5? 防覆冰

復(fù)合絕緣橫擔(dān)采用的是水平布置形式，與常規(guī)的垂直布置形式相比，不會(huì)出現(xiàn)絕緣子縱向穿越冰凌的現(xiàn)象，此種布置形式有利于提高冰閃電壓，在覆冰情況相同時(shí)，復(fù)合絕緣橫擔(dān)所產(chǎn)生的冰閃電壓要比垂直布置的桿塔更高。由于復(fù)合絕緣橫擔(dān)材料表面性能與PRTV防污閃材料相近，在實(shí)驗(yàn)室對RPTV和鋼棒2種材料進(jìn)行覆冰特性試驗(yàn)（表3），通過對比黏附力、覆冰量、冰凌長度和水平/垂直放置脫落時(shí)間等測試結(jié)果，確定復(fù)合絕緣橫擔(dān)較常規(guī)鐵塔防覆冰性能更有優(yōu)勢。

綜上，復(fù)合材料在防覆冰方面明顯優(yōu)于常規(guī)鐵塔材料，且由于其橫擔(dān)水平放置，進(jìn)一步降低桿塔的冰閃概率。

2.6? 防污穢

復(fù)合絕緣橫擔(dān)外表面采用傘裙結(jié)構(gòu)，其污穢性能與復(fù)合絕緣子污穢性能一致。由復(fù)合絕緣橫擔(dān)代替鐵塔橫擔(dān)，在塔窗結(jié)構(gòu)不變的條件下，爬距明顯增大，耐污水平大幅提升。同時(shí)，復(fù)合絕緣橫擔(dān)具有很強(qiáng)的防污設(shè)計(jì)性。在復(fù)合絕緣橫擔(dān)絕緣結(jié)構(gòu)高度不變時(shí)，可增大傘裙密度來提高爬距，從而提升耐污水平。

由于復(fù)合絕緣橫擔(dān)水平布置，因雨水沖刷，其積污量要遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)鐵塔中垂直布置的絕緣子，此種布置形式下污閃通道更窄，在污穢情況與垂直布置絕緣子形式一致時(shí)，所產(chǎn)生的污閃電壓將更高。另外，水平布置的橫擔(dān)下雨時(shí)不易形成垂直的導(dǎo)電通道，提高雨閃電壓。復(fù)合絕緣橫擔(dān)在運(yùn)行中基本不需要清掃，可以保證在四級污穢區(qū)安全運(yùn)行。

2.7? 經(jīng)濟(jì)性

受到復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔結(jié)構(gòu)形式的影響，輸電走廊的寬度可以有效壓縮，能夠降低工程拆遷成本，并可以減少拆遷阻礙，簡化拆遷過程，可以降低輸電線路工程施工對社會(huì)環(huán)境所造成的不利影響。與此同時(shí)，復(fù)合絕緣橫擔(dān)自身制作成本較低，能夠減少工程量指標(biāo)，且在批量化生產(chǎn)模式下，成本還可進(jìn)一步壓縮，利于工程造價(jià)的有效控制。

相較于傳統(tǒng)以鋼材料制成的輸電塔桿而言，復(fù)合絕緣橫擔(dān)的制作材料性能更佳，絕緣子造價(jià)更低，輸電走廊寬度也更窄且桿塔高度也更低，因此材料成本更加節(jié)約，能夠降低輸電線路的總體建設(shè)成本。不同線路中復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔與角鋼塔主要參數(shù)對比分別見表4和表5。

表4? 110 kV單回線路復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔與角鋼塔主要參數(shù)對比

表5? 220 kV雙回線路復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔與角鋼塔主要參數(shù)對比

與角鋼塔相比，110 kV單回線路當(dāng)中，復(fù)合絕緣橫擔(dān)的桿塔降低了3 m，輸電走廊寬度減少了1 m，同時(shí)復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔材自重僅為7.3 t，比角鋼塔的8.4 t降低了1.1 t，但復(fù)合絕緣橫擔(dān)的本體造價(jià)增長了33.45%。

220 kV復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔塔高降低10%，線路走廊減少10.3%，塔重減輕13%，但220 kV復(fù)合絕緣橫擔(dān)本體造價(jià)增長45.43%。

以上經(jīng)濟(jì)性分析并未考慮線路走廊拆遷費(fèi)用與時(shí)間成本，在人口密集走廊緊張地區(qū)，拆遷成本甚至超過線路本體造價(jià)。因此，從綜合成本考慮，在特殊地區(qū)采用復(fù)合絕緣橫擔(dān)更有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

3? 結(jié)論

復(fù)合絕緣橫擔(dān)作為一種低碳、節(jié)能、環(huán)保，以及符合工藝美學(xué)的新型結(jié)構(gòu)，代表了輸電桿塔結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向之一。在輸電線路應(yīng)用復(fù)合絕緣橫擔(dān)， 能夠降低資源損耗、環(huán)境污染度較小，并能實(shí)現(xiàn)輸電線路工程中新型工藝技術(shù)及材料的合理應(yīng)用，更加契合國家電網(wǎng)公司輸電線路建設(shè)的新要求，不僅能夠降低輸電線路敷設(shè)成本，后期運(yùn)營成本也更低，同時(shí)還可保障輸電線路的應(yīng)用功能。通過合理的設(shè)計(jì)，將復(fù)合絕緣橫擔(dān)在輸電線路工程上推廣應(yīng)用，具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

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