新型復合橫擔在1 000 kV特高壓輸電鐵塔的應用

李子揚，張思祥，張麗娟，張廣龍，劉曉林

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

新型復合橫擔在1 000 kV特高壓輸電鐵塔的應用

李子揚，張思祥，張麗娟，張廣龍，劉曉林

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

受城鄉規劃及線路走廊制約，目前輸電線路路徑選擇日益困難。利用復合材料的絕緣性能，采用復合材料橫擔取代傳統的型鋼橫擔，不但能夠減小線路走廊寬度、降低走廊清理難度，同時還能降低塔高、節約塔材，從而取得良好的社會效益和經濟效益。結合復合橫擔在1 000 kV特高壓線路工程中的應用研究，在復合橫擔的電氣方案、結構方案、經濟性分析等諸多方面進行了初步的分析研究，給出了復合橫擔塔頭布置方案、橫擔長度、橫擔夾角等研究結論。在走廊拆遷量較大的區域，通過比較，使用復合橫擔鐵塔具有更明顯的經濟效益。

復合橫擔；特高壓；1 000 kV輸電鐵塔；電氣方案

Abstract:Restricted by urban and rural planning and line corridor，the path selection of transmission lines becomes more and more difficult nowadays.Replacing the traditional triangle steel cross arm with composite materials can not only reduce the line corridor width and decrease the difficulty of clearing the corridor，but also reduce the tower height and save the tower material.This would offer good social and economic benefits.Based on the application of composite cross arm in ultrahigh voltage line engineering，this paper makes wide-ranging preliminary analysis and research on the material properties of the composite cross arm，element design and economic analysis.The research conclusion is given about the layout of tower head，cross arm length，the angle of the cross arm，etc.for the composite cross arm.In the more demolition area of the line corridors，using composite cross arm tower has more obvious economic benefits through comparison.

Key words:composite cross arm；extra-high voltage；1 000 kV transmission tower；electrical solutions

0 引言

隨著我國國民經濟的高速發展，土地需求不斷增加，土地資源日益稀缺。受城鄉規劃及線路走廊制約，目前輸電線路路徑選擇日益困難，走廊清理難度不斷增大。利用復合材料的絕緣性能，采用復合材料橫擔取代傳統的型鋼橫擔，不但能夠減小線路走廊寬度、降低走廊清理難度，同時還能降低塔高、節約塔材，從而取得良好的社會效益和經濟效益。

復合橫擔即為傳統鐵塔橫擔部分，由高性能纖維增強復合材料組成，代替傳統的鋼材結構，具有性能優越、工程造價較低等諸多優點。介紹復合橫擔在1 000 kV特高壓線路工程中的應用，在塔頭布置、電磁環境、懸垂串選擇、節點設計、復合橫擔與塔身連接、結構承載力有限元分析、運行維護、經濟性分析等諸多方面進行分析研究。

1 研究現狀及應用分析

1.1 復合材料優勢

復合材料是由有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不同材料通過復合工藝組合而成的新型材料。它與一般材料的簡單混合有本質區別，既保留原組成材料的重要特色，又通過復合效應獲得原組分所不具備的性能。通過材料結構設計，可以使原組分的性能相互補充并彼此關聯，從而獲得更優越的性能。絕緣復合材料由作為基體的樹脂和作為增強劑的纖維或其織物構成，樹脂基體將纖維連接成一個整體而承受荷載。復合材料的力學性能主要受到纖維和樹脂的物理性能以及加工成型工藝的影響。

復合材料具有質量輕、強度高、耐疲勞、耐腐蝕、易加工、易維護和電絕緣性能優異等優點，目前已在航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領域廣泛應用。在輸電桿塔結構領域，復合材料也有了一定的發展和應用。

輸電桿塔利用復合材料的絕緣性能，可實現結構材料和功能材料的高度統一，具有性能更優越、成本更經濟、資源更節約、環境更友好等顯著的優勢。

1.2 研究現狀

近年來，隨著復合材料成本的進一步降低和工藝的不斷進步，國內復合材料桿塔的研究日益增多并逐漸成熟。

復合桿塔研究的第一階段是材料代換，即在不利用復合材料的絕緣特性的前提下，僅用其替代鋼材來建造輕便、易維護的復合材料桿塔。2009年，依托寧東—山東±660 kV直流輸電示范工程，探索并解決了復合材料桿塔結構方面的問題，成功地研制出國內首基格構式復合材料桿塔，形成了復合材料桿塔的結構設計成套方案，并在工程中進行了試點應用，目前運行安全可靠，取得了良好的效果。

復合桿塔研究的第二階段是利用材料的絕緣特性，實現功能材料和結構材料的統一。該階段的典型代表為復合橫擔。復合橫擔塔具有明顯的技術優勢：取消了懸垂絕緣子，不用考慮懸垂串的擺動間隙圓，從而杜絕風擺閃絡事故；絕緣橫擔呈水平布置，鳥糞下落時不會造成鳥糞貫穿性的閃絡通道，因此可以杜絕鳥糞閃絡事故；水平布置的橫擔下雨時不易形成垂直的導電通道，提高雨閃電壓；不會出現垂直布置的絕緣子從上至下的貫穿型冰凌，從而提升了同等覆冰條件下的冰閃電壓。

1.3 1 000 kV特高壓線路應用分析

復合材料材料層面上的材料性能、連接技術和抗老化措施等將隨著應用的增加而逐步優化，而復合材料桿塔的研究將從微觀層面轉換到宏觀層面，即塔型的設計研究。設計出符合復合材料特性和各種電壓等級特點的桿塔型式具有重要的意義。研究特高壓復合橫擔新型塔，充分利用復合材料的性能優勢，用復合橫擔替代傳統鋼制橫擔，從而開辟特高壓輸電桿塔的新模式。

2 復合橫擔電氣方案

2.1 絕緣距離控制的組合絕緣子長度

橫擔的絕緣完全靠復合材料的絕緣特性，不加懸垂絕緣子，僅利用金具串將導線掛到復合橫擔上。根據電氣要求，絕緣部分的長度不應小于9 m，由于在支柱絕緣子端部和中間均有金屬節點，其長度預計為1.5 m左右，支柱絕緣子的長度約為10.5 m；考慮復合絕緣子兩端連接板，長度應不小于11.0 m。

2.2 塔頭布置方案

特高壓輸電線路的相間距離和層間距離是由電磁環境控制的，因此需在一定的條件下根據電磁環境確定最小塔頭尺寸。

2.2.1 電磁環境

根據特高壓單、雙回路示范工程的研究結論，1 000 kV特高壓線路的電磁環境由可聽噪聲控制，無線電干擾值均小于可聽噪聲值。

采用復合橫擔關鍵在于能夠縮減線路走廊寬度，因此在同等情況下優先縮減導線相間距離。經計算，對于 8×JL1／G1A-630／45 導線方案，滿足電磁環境要求的最小層間距離為18 m，最小的相間距離分別為下相24 m、中相23 m、上相22 m。

2.2.2 導線間及其與地線間距離

根據GB 50665—2011《1 000 kV架空輸電線路設計規范》要求，如采用復合橫擔塔，懸垂串長度取2.5 m，線間距離可以取至15.9 m，小于電磁環境要求的最小距離22 m，即按電磁環境確定的最小相間距離滿足設計規范的要求。

根據計算結果，為滿足導地線間距，對復合橫擔直線塔，導地線之間的最小垂直距離不小于14 m。

2.2.3 塔頭尺寸確定

電磁環境是控制塔頭尺寸的主要因素，經計算，塔頭布置方案為：導線最小垂直距離為18 m；導線最小的水平相間距離上、中、下相分別為22 m、23 m、24 m；導地線的最小垂直距離為14 m。

2.3 絕緣橫擔布置方案

2.3.1 復合橫擔型式選擇

復合橫擔在鐵塔上的應用目前主要有轉動復合橫擔和固定復合橫擔。轉動復合橫擔塔，即復合橫擔可以繞橫擔與塔身的連接點自由轉動，當存在縱向不平衡張力時，由于組合絕緣子的轉動，可降低鐵塔的荷載，進而降低塔重，但復合橫擔轉動后導線張力、弧垂以及構件內力均發生變化，受力分析情況極其復雜，一般只在只有左右兩極導線或荷載較小的直流線路鐵塔上使用。

相對于轉動復合橫擔，固定復合橫擔塔受力明確，且通過了一系列工作電壓污穢耐受、操作沖擊耐受、雷電耐受等電氣驗證試驗，該結構型式在國內外均具有豐富的運行經驗。1 000 kV特高壓交流線路桿塔的結構尺寸、荷載和構件受力均較大，考慮到1 000 kV交流特高壓線路的重要性，根據安全可靠原則，推薦采用固定復合橫擔結構，如圖1所示。

圖1 復合橫擔

2.3.2 復合橫擔絕緣子傾角

對上下肢不同傾角條件下的線路荷載分配進行計算，如圖2所示。

圖2 復合絕緣子受力分析

下肢絕緣受力為

上肢絕緣受力為

式中：F0為導線荷重；β為下肢絕緣子上傾角；α為上肢絕緣子下傾角；θ為導線風偏角。

根據工程條件計算了下肢絕緣子上傾角β分別取 0°～25°時、上肢絕緣子傾角 α 分別取 20°～90°的兩肢絕緣子拉、壓荷載。

經過計算，下肢絕緣子上傾角β超過25°以后，會導致上肢絕緣子受壓。上肢絕緣子下傾角α過小時，荷載將大大增加。

經過優選，從絕緣子受力角度考慮，下肢絕緣子上傾角β為15°左右，上肢絕緣子下傾角α為40°～60°時受力較好。

2.3.3 復合橫擔夾角

以上相橫擔為例，根據絕緣子傾角計算結果，下肢絕緣子的上傾角按15°考慮，橫擔寬度11 m（塔中心到導線掛點），則下肢絕緣子垂直線路方向的等效長度為11.388m，考慮到絕緣橫擔需承受不平衡張力，為提高下肢絕緣子的穩定性和可靠性，下肢絕緣子采用兩個支柱絕緣子的布置方式，如圖3和圖4所示。

圖3 下肢絕緣子側視圖

圖4 下肢絕緣子俯視圖

上相塔身寬度按常規4.75 m考慮，支柱絕緣子結構高度為9.32 m，支柱絕緣子兩端套筒和連接法蘭按1.5 m考慮，則支柱絕緣子的絕緣長度為7.82 m，無法滿足最小電弧距離不小于9 m的要求。如果延長支柱絕緣子的結構長度至11m，則走廊寬度需增至25.6 m，比電磁環境要求的最小走廊寬度增加3.6 m，如此肯定會增加線路走廊的拆遷量，進而降低復合橫擔的優勢。因此需在不增加線路走廊寬度的前提下延長支柱絕緣子的長度，即增加支柱絕緣子的夾角，如圖5和圖6所示。

2.3.4 絕緣橫擔布置

復合橫擔鐵塔的上、中、下相橫擔寬度取值分別為11 m、11.5 m和12 m，下肢絕緣子上傾角按15°考慮，上肢絕緣子下傾角在40°～60°之間。固定支柱絕緣子的塔身處需向兩側加長，原則是確保支柱絕緣子的結構高度不小于11 m。

圖5 塔身增加支撐架后下肢支柱絕緣子俯視圖

圖6 塔身增加支撐架后效果圖

3 復合橫擔結構方案

3.1 塔型選擇及復合橫擔布置方案

對于復合橫擔塔，也采用常規鋼管垂直排列的布置方式，由于其三相橫擔均獨立于塔身，當采用復合橫擔時，實現相對簡單，該布置方式既能滿足承載力的要求，又能很好地與常規鋼管塔協調。

表2的數據說明38%的英語四級分數大于等于500分的學生會在閱讀附錄后再查詞，而英語四級分數小于500分的學生只有14%會去閱讀詞典附錄。但在是否閱讀詞典使用說明這方面兩組學生就不存在很大差別，只是英語四級分數大于等于500分的學生稍微多2個百分點。總之，絕大部分學生在查詞之前并不閱讀詞典附錄和詞典使用說明，這一點說明學生在詞典使用技巧方面仍存在著一定的欠缺。

為了充分利于復合材料特性，復合橫擔采用三角結構支撐加斜拉索的結構型式，如圖6所示。

3.2 構件截面型式選擇

復合材料型材的截面形式可根據需要設計成各種形狀，主要有“L”型、“○”型和“□”型等，應根據不同的連接方式和受力狀態對其截面型式進行合理選擇。

對于受拉構件，由于復合絕緣子的截面型式為圓形，其截面面積是主要由受拉強度控制，僅需保證滿足強度要求的面積即可。

對于受壓構件，由于復合材料彈性模量較低，其整體穩定問題較鋼構件突出，其截面積往往取決于穩定承載力，因此選擇的截面應使其截面慣性矩盡可能大，以提高構件的穩定承載能力。綜合比較各類截面，對于相同截面面積的各類截面型式，以圓環形截面的截面慣性矩最大，其整體穩定承載力也最高，環型構件制作也便捷，連接方便。因此對受壓構件采用圓形截面的支柱絕緣子。

3.3 節點設計

3.3.1 構件連接節點

圓形閉口截面構件目前主要以膠接和預埋金屬件接頭為主。膠接一般在出廠前完成，現場膠接的質量得不到可靠保證，同時目前國產膠的承載力較低，難以滿足復合橫擔的承載力要求，因此復合橫擔不采用膠接的連接方式；預埋金屬件接頭，承載力較高，連接方便，但工藝較為復雜，也難以在多規格材質的復合橫擔上應用。

在借鑒預埋金屬件接頭、螺栓連接和膠接等連接方法的基礎上，又形成了一種新型節點連接方式——鋼套管式節點，該節點生產過程為在復合材料型材成型后，利用膠結連接金屬件，再通過金屬件進行螺栓連接。提高了節點的承載能力且具有傳力可靠和連接方便等優點。

3.3.2 復合橫擔與塔身連接節點

借鑒以往鋼管塔結構設計經驗，復合橫擔支柱絕緣子與塔身采用插板連接，如圖7所示。

3.4 結構承載力有限元分析

3.4.1 內力及應力計算

圖7 復合橫擔支柱絕緣子與塔身連接

圖8 有限元模型

圖9 復合橫擔桿件編號

通過分析計算，對于壓管，主要的控制工況為斷導線；對于拉索，主要的控制工況為覆冰；對于拉管，主要的控制工況為大風；對于輔材，主要的控制工況為錨線。按照GB 50017—2014《鋼結構設計規范》給出的拉（壓）彎組合最大應力計算公式得到各桿最大應力，如表1所示。表1中各桿件應力均未超過復合材料的允許值400 MPa。

表1 復合橫擔桿件最大應力 MPa

3.4.2 位移計算

按照各工況100%載荷對模型進行加載，計算出不同工況下的位移，位移較大的工況如圖10、圖11所示。

圖10 90°方向大風工況位移云圖

圖11 長期效應組合工況位移云圖

通過對各種工況計算，最大位移工況為90°方向大風工況，橫擔z向位移為346.5 mm，僅為桿塔全高的3.4‰；而長期效應組合（無冰、5 m／s風速及年平均氣溫）作用下，橫擔最大位移為47.5 mm，為計算高度的0.47‰，位移滿足規范規定的小于高度3‰的要求，可見復合橫擔形變滿足工程應用要求。

3.4.3 結論

復合橫擔各桿在不同工況下最大應力均滿足強度要求，復合橫擔具有較高的結構強度儲備能力；不同工況下最大位移滿足小于高度3‰的要求。

計算結果表明該復合橫擔塔結構設計計算正確，節點構造合理，整體強度、剛度能滿足工程要求，進一步體現了復合材料的優點，可通過改變工藝提高其強度以滿足工程設計要求。

4 復合橫擔運行維護方案

當需要對復合橫擔部位進行檢修或發生事故時，若僅受耐久性的影響，可考慮更換相同的復合橫擔，在這種情況下，為了避免下放導線，可考慮用地線支架起吊導線。將導線臨時起吊到地線掛點上，即地線掛點需考慮導線的起吊工況。計算表明，在這種情況下，計算塔重僅增加約2.4%左右，對復合材料橫擔塔的造價影響不大。

5 1 000 kV復合橫擔塔的經濟性分析

5.1 單基桿塔經濟性分析

呼高降低9 m。由于取消了懸垂絕緣子串，在相同的使用情況下，復合橫擔塔的呼高比鋼管塔降低9 m，有效減小了導線風荷載的作用效應。

塔頭風荷載減小。復合橫擔塔正面由于僅采用了2根支柱絕緣子和1根斜拉復合絕緣子，其擋風面積較常規鐵塔大幅減小，塔頭風荷載相應減小。

復合橫擔塔橫擔及地線支架長度減小，導、地線縱向荷載對塔身的扭矩減小，塔身斜材規格降低。

結合實際1 000 kV特高壓交流線路工程常用的鐵塔型式，以3型直線塔為例，將復合橫擔塔和常規鋼管塔的經濟性進行了對比分析，考慮了材料費、運輸費、安裝費等本體投資，復合橫擔塔較常規塔的單基塔重降低約10%，單基造價降低約6%，具有顯著的經濟效益。

5.2 路徑走廊緊張地段經濟性分析

在山東環網1 000 kV特高壓線路工程中，線路在大棚和房屋密集區走線約2 km，經綜合比較，采用復合橫擔塔較常規塔的走廊寬度減小約18%，可大幅減少走廊拆遷量，在走廊緊張地段效益更加明顯。

6 結語

復合材料由于具有輕質高強、耐腐蝕、易加工、可設計性強和絕緣性能好等優點，是建造輸電桿塔結構的理想材料之一，目前已具有750 kV復合橫擔塔試點應用的經驗。通過對復合材料性能、構件設計、電氣設計和結構設計等方面進行研究，結果表明復合橫擔塔用于特高壓輸電線路技術可行，具有較大的經濟優勢和社會效益。

從電氣和結構兩個專業角度，通過相關計算和分析，并進行了有限元仿真計算，對復合橫擔塔的塔頭布置、電磁環境、懸垂串選擇、節點設計、復合橫擔與塔身連接、結構承載力有限元分析、運行維護、經濟性等諸多方面提出建議值或參考值，為后續工程的實際應用提供參考。

［1］國家電力公司東北電力設計院.電力工程高壓送電線路設計手冊（第二版）［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［2］中華人民共和國住房和城鄉建設部.1 000 kV架空輸電線路設計規范：GB 50665—2011［S］.北京：中國計劃出版社，2011.

［3］國家能源局.架空輸電線路桿塔結構設計技術規定：DL／T 5154—2012［S］.北京：中國計劃出版社，2012.

［4］左玉璽，薛更新，孫強，等.750 kV輸電線路復合橫擔設計研究［J］.電網與清潔能源，2013，29（1）：1-8.

［5］楊熙，喻新強，尚勇，等.750 kV輸電線路復合橫擔均壓特性［J］.電網技術，2013，37（6）：1 625-1 631.

［6］胡超，馮衡，徐彬.750kV輸電線路復合材料橫擔塔的適用性研究［J］.電力勘測設計，2016（1）：65-71.

［7］施榮，郁杰，朱勇，等.750 kV輸電塔復合橫擔選型及承載力研究［J］.電網與清潔能源，2013，29（9）：23-26，44.

Application of the New Composite Cross Arm Load in 1 000 kV Transmission Tower

LI Ziyang，ZHANG Sixiang，ZHANG Lijuan，ZHANG Guanglong，LIU Xiaolin
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan 250013，China）

TM753

A

1007－9904（2017）09－0052－06

2017-05-08

李子揚（1984），男，工程師，從事高壓輸電線路設計工作。