FRP在桿塔改造中的應用

張 林，李 濤，黃尊志，李榮德，張 鑫

（國網山東省電力公司泰安供電公司，山東 泰安 271000）

·班組創新·

FRP在桿塔改造中的應用

張 林，李 濤，黃尊志，李榮德，張 鑫

（國網山東省電力公司泰安供電公司，山東 泰安 271000）

近年來因110 kV汶滿I、II線通道環境變化，為防止線路遭受外力破壞，需要對其進行改造。針對桿塔對地距離不足且無法加高的問題，應用FRP復合絕緣材料對20號、21號塔進行改造，將角鋼塔塔頭更換為復合絕緣材料，導、地線直接掛在絕緣橫擔上，去掉懸垂絕緣子長度，提升導線對地安全距離，改造后的桿塔能有效提高線路安全運行水平。

輸電線路；FRP（纖維增強復合塑料）；復合絕緣桿塔；桿塔改造

0 引言

輸電線路由于所處地理位置的環境比較復雜，并且桿塔點多、線長、面廣，同時長時間暴露在野外，一方面遭受惡劣自然天氣的侵襲，另一方面受人為等外力破壞，也會造成線路跳閘，在一定程度上導致線路停電事故發生概率增大。近年來，隨著經濟的快速增長110 kV汶滿I、II線的運行環境日益惡化，輸電線路走廊內的房屋、樹木、道路、城鎮建設、采石挖礦、施工對線路的破壞大量增加。為防止線路遭受外力破壞，應用FRP（纖維增強復合塑料）對20號、21號塔進行改造。

1 改造背景

110 kV汶滿I線與110 kV汶滿II線同塔架設，于2005年10月投運，已運行近10年，原通道內為農田，近年來110 kV汶滿I、II線19～23號桿塔所處地段修建濕地公園及公路，造成導線對公路間距離不符合規定的7.0 m安全距離。該線路從北向南被4條500 kV線路跨越，分別為：500 kV岱泰線、500 kV鄆泰Ⅱ線、500 kV上泰Ⅰ、Ⅱ線，其中500 kV鄆泰線與110 kV汶滿Ⅰ、Ⅱ線交跨距離最近，經實際測量，交叉點的最小距離為7.4 m（500 kV鄆泰線的導線對110 kV汶滿線的架空地線）。因此20號、21號鐵塔沒有加高的空間，如圖1所示。

圖1 汶滿線20號鐵塔

多年來國內外對應用于輸電線路的FRP開展了廣泛的研究，復合絕緣桿塔已在輸電工程中逐步應用［1］。與常規鋼質桿塔相比，復合絕緣桿塔具有重量輕、強度高、耐腐蝕、溫度適應性強、電絕緣性能好、可設計性好、維護性好、環境性能好等優點，因而通過合理的設計，充分利用復合材料的性能等優點，將復合材料技術應用到輸電線路改造中既經濟又高效［2］。

2 方案設計

110 kV汶滿I線與110 kV汶滿II線同塔架設，導線型號均為LGJ-240／30，兩側地線型號均為GJ-50，塔身架設ADSS光纜，20號、21號塔為MZ-12塔型。

改造前20號、21號桿塔間架空地線對500 kV導線距離7.4 m，按照規程要求改造后此距離應不超過6 m［3］。為提高對地距離，且滿足規程要求，將20號、21號塔設計為FRP復合絕緣桿塔，如圖2所示。

圖2 設計方案

將導線直接掛在FRP復合桿塔絕緣橫擔上并提升導、地線高度，主桿根開不作調整，塔頭部更換FRP復合材料，橫擔改為復合絕緣橫擔。

復合絕緣橫擔由玻璃纖環氧樹脂芯棒、硅橡膠傘裙、前端連接金具、連接法蘭組成。芯棒與金具連接采用膠裝工藝，芯棒與傘裙采用整體一次成型注壓工藝。芯棒機械強度高、抗張抗彎，強度比普通鋼材高。傘裙具有良好的憎水性能，其整體結構保證了內絕緣不受潮［4-5］。

3 設計荷載計算

桿塔型式為三聯桿雙回路型，水平檔距Lh=140 m；垂直檔距Ln=150 m；呼高h=11 m；桿高H=14.78 m。導線和地線參數如表1所示。年平均氣溫為5℃，氣象條件定義如表2所示。

表1 導線和地線指標

表2 氣象條件

3.1 導、地線最大張力和應力

導線和接地線最大張力和應力計算公式為

式中：Tmax為導線和地線最大張力；σmax為導線和地線最大應力；Ψ為可變荷載組合系數，取1.0；γO為結構重要性系數，取 1.0；γQi為荷載的分項系數，取1.4；Tp為拉斷力；KC為導、地線的設計安全系數，導線KC=2.5、地線KC=3.0；系數0.7為稀有風速和覆冰氣象條件時，導、地線弧垂最低點最大張力不超過拉斷力的70%；S為導、地線截面面積。

由式（1）、（2）計算導、地線最大張力和應力：Tmax導= 29.05 kN；σmax導=105.25 MPa；Tmax地=13.85 kN；σmax地=279.3 MPa。

3.2 大風載荷

水平荷載和垂直荷載計算公式為

式中：WX為垂直于導線及地線方向的水平風荷載標準值；α為風壓不均勻系數，取0.75；βC為風荷載調整系數，取1.0；μZ為風壓高度變化系數，取0.88；μSC為導、地線的體型系數，取1.1；θ為風向與導線或地線方向之間的夾角；WO為基準風壓標準值，WO=v2／16，Pa；d為導、地線直徑；Lh為水平檔距；n為導地線每相子導線根數，均為1；γG為導地線無冰垂直比載，取1.2。

由式（3）計算導、地線水平荷載為WX導=1.690 kN，WX地=0.858 kN。

由式（4）計算導、地線垂直荷載為G導=1.627 kN，G地=0.745 kN。

-5℃時，由式（1）、（2）計算導、地線張力和應力如下：T導=23.284 kN；σ導=84.38 MPa；T地=10.898 kN；σ地=220.21 MPa。

3.3 安裝載荷

由式（3）計算導、地線水平荷載為WX導=0.188 kN，WX地=0.093 kN。

垂直荷載計算公式為

式中：GF為玻璃鋼搶修鋼塔附加重量，取1 960 N。

由式（5）計算導、地線垂直荷載為G導=5.214 kN，G地=2.969 kN。

-10℃時，由式（1）、（2）計算導、地線張力為T導= 25.147 kN，T地=11.887 kN。

3.4 低溫載荷

由式（4）計算水平荷載為WX導=0，WX地=0。

低溫垂直載荷與大風時垂直載荷相同，G導= 1.627 kN，G地=0.745 kN。

-20℃時，張力最大，由式（1）計算得：T導=Tmax導= 29.047 kN，T地=Tmax地=13.847 kN。

3.5 覆冰載荷

由式（3）計算導、地線水平荷載為WX導=0.188 kN，WX地=0.093 kN。

由式（4）計算導、地線垂直荷載為G導=3.224 kN，G地=1.715 kN。

由式 （1）計算-5℃時導、地線的張力為T導= 25.500 kN，T地=11.936 kN。

荷載圖繪制如圖3所示。

圖3 荷載圖

由荷載圖計算合力，對比如表3所示。

表3 合力計算 kN

4 現場安裝及效果

本工程施工難度較大，主要是在原鐵塔的基礎進行升高，由于絕緣橫擔需要與原塔對接試裝，有可能出現連接問題，又因該處穿過4條500 kV線路，不光是感應電壓高，拆除和安裝時也極易超出安全距離。針對以上問題，提出以下措施。

1）嚴格遵守停電、驗電、掛接地線制度，因交跨較多，應在工作地段加掛接地線。

2）分工明確，在放松導、地線和拆除原橫擔安裝新橫擔時要設專人指揮，使用吊車時也要設專人隨車指揮。

3）高空作業人員要使用全方位安全帶。在桿塔上作業移位時不得失去安全帶的保護，安全帶要系在牢固的構件上。

4）使用吊車時，吊車要支點要用方木墊牢支腿。吊車吊臂伸縮時要設專人觀察，對交跨導線的距離不得小于7 m。吊車司吊要有上崗證且有經驗的人員擔任。

圖4 現場施工圖

圖5 改造后現場

由于維修工程只進行鐵塔上端部件的更換，導、地線利用原有的維修方案采用導、地線不下落，地面體組裝、使用吊車吊裝鐵塔，待新塔立起后，提升導、地線，如圖4所示。耐張塔調整導地線弧垂，采用設置安全可靠的后備保護繩，逐相利用手扳葫蘆采用松卸螺栓型耐張線夾的方式。復合橫擔按照圖紙制造加工完成后在現場進行安裝，安裝時應注意：螺栓安裝緊固時按照表4給出的標準值，否則會造成復合材料的變形或裂紋；在施工時如發生復合材料的變形、裂紋時應及時更換；復合材料的邊沿應打磨成圓弧形，邊沿和孔沿應將毛刺處理干凈；螺栓應墊雙墊片。

表4 常用螺栓緊固扭矩標準值 Nm

改造完成后線路如圖5所示，絕緣配合方面單塔兩根導線線間距離3.8 m，相鄰兩塔導線線間距離3.2 m，空氣間隙1.4 m，大于帶電作業安全距離；合成橫擔絕緣子泄漏比距大于2.75 cm／kV。防雷保護方面，邊相保護角18°小于給定的22°；中相包絡線高于絕緣子表面；導地線凈空接近距離大于2.5 m。安全距離方面，110 kV汶滿線20～21號塔對地距離8 m，500 kV鄆泰線與110 kV汶滿Ⅰ、Ⅱ線交跨交叉點的最小距離為7.5 m，符合規程要求。

5 結語

應用FRP復合絕緣材料很好地解決了110 kV汶滿I、II線20號、21號桿塔對地距離不足且無法加高的問題。

在線路走廊寬度壓縮了16%的前提下，桿塔雷電沖擊絕緣強度為 1 494 kV，較鐵塔提高了約1.14倍。

在接地電阻為20 Ω的條件下，桿塔的耐雷水平提高了94%，雷擊閃絡跳閘率降低了82%。

采用的防污和防雷電氣結構設計，使110 kV雙回線路格構式復合材料桿塔防污和防雷性能相對于同電壓等級鐵塔得到顯著提升。

［1］張慶.輸電線路復合橫擔桿塔及技術經濟比較分析［J］.中國集體經濟，2013（22）：86，92.

［2］唐應軍.110 kV輸電線路復合材料桿塔應用研究［J］.通訊世界，2014（21）：124-125，126.

［3］王小麗.復合絕緣橫擔在 220 kV架空輸電線路中的應用［J］.電氣應用，2013，32（1）：74-78.

［4］張冬海，張暉，張忠，等.納米技術在高性能電力復合絕緣材料中的工程應用［J］.中國科學：化學，2013，43（6）：725-743.

［5］DL／T 741—2001 架空送電線路運行規程［S］.

Application of FRP in Tower Reconstruction

ZHANG Lin，LI Tao，HUANG Zunzhi，LI Rongde，ZHANG Xin
（State Grid Tai’an Power Supply Company，Tai’an 271000， China）

The No.20 and No.21 towers of Wenman transmission line are in need of renovation because of the change of the channel environment in recent years.For problems that the distance of towers to the ground is small and the height of towers can not be increased，FRP is used in the renovation.The angle steel tower head is replaced with FRP，the guide line and the ground line are directly link to the insulation cross arm，and the suspension insulator is removed，so the distance of the wire to ground is improved to a safe distance.The improved towers can effectively improve the safe operation of the line.

transmission line；FRP；composite pole；tower reconstruction

TM75

B

1007－9904（2017）01－0076－04

2016-06-28

張 林（1986），男 ，工程師，從事輸電線路運行檢修工作；

李 濤（1973），男，高級技師，從事輸電線路運行檢修工作。