復(fù)合橫擔(dān)在桿塔設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

蔣偉東

摘要：本文主要是講解復(fù)合材料的特點(diǎn)、主要性能指標(biāo)，指出復(fù)合橫擔(dān)在桿塔設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方式，探究復(fù)合材料的設(shè)計(jì)模式與塔圖布置情況，同時(shí)將復(fù)合橫擔(dān)塔與角鋼塔之間的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，得出復(fù)合橫擔(dān)塔具有降低成本以及節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：桿塔;復(fù)合橫擔(dān);設(shè)計(jì)方法

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，輸電線路工程呈現(xiàn)出長(zhǎng)距離、規(guī)模化、大型化的發(fā)展趨勢(shì)，其對(duì)鋼材的需求量也在逐年上升，消耗了大量礦產(chǎn)資源，造成生態(tài)環(huán)境的污染。同時(shí)，大量采用鋼材作為鐵塔材料，也給桿塔的施工運(yùn)輸、運(yùn)行維護(hù)帶來了諸多困難。因此，采用新型環(huán)保材料代替鋼材成為輸電行業(yè)的一種發(fā)展趨勢(shì)。本文結(jié)合工程的特點(diǎn)，對(duì)復(fù)合材料桿塔的設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定的研究和探討，為今后線路桿塔從橫擔(dān)至塔身逐步復(fù)合化起到了“拋磚引玉”的作用。

一、傳統(tǒng)桿塔存在的問題

傳統(tǒng)桿塔質(zhì)量較大，在外荷載和環(huán)境作用下易開裂、銹蝕，甚至腐爛等，桿塔的耐久性較差，使用壽命不長(zhǎng)。此外，傳統(tǒng)桿塔在施工運(yùn)輸、運(yùn)行維護(hù)等方面較為不便，投入人力和物力較大。為尋求經(jīng)濟(jì)有效的解決途徑，國(guó)內(nèi)外研究人員作了以下嘗試：如降低雷擊跳閘率、優(yōu)化桿塔設(shè)計(jì)、提高電網(wǎng)絕緣水平、降低接地電阻等，雖然獲得了一定的效果，但并未徹底解決上述問題。

主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)[1]：（一）易腐蝕。以往的輸電桿塔大多數(shù)都具有易銹蝕、易開裂等問題，耐久性不強(qiáng)，使用壽命較短，大大提升了維護(hù)成本。（二）建設(shè)成本。我們國(guó)家的輸電線路大部分都需要經(jīng)過比較偏遠(yuǎn)的山區(qū)，導(dǎo)致桿塔在進(jìn)行正式建設(shè)之前要經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)輸來輸送沉重的鋼質(zhì)桿塔，大大增加了安裝成本。（三）風(fēng)偏和雷擊跳閘、鳥糞、污穢閃絡(luò)。因?yàn)檫^去的桿塔是通過懸垂絕緣子將橫擔(dān)和導(dǎo)線進(jìn)行連接的，在大風(fēng)、雷擊避雷線、表面積污潮濕的影響下，都會(huì)產(chǎn)生以上多種線路的故障。（四）塔身高、塔基面積大、線路走廊寬。傳統(tǒng)的桿塔利用懸垂絕緣子將導(dǎo)線連接上，在設(shè)計(jì)的過程中必須要充分考慮懸垂絕緣子的間隙，塔身和導(dǎo)線間需要有充足的擺動(dòng)間隙，需要加大橫擔(dān)長(zhǎng)度，增加線路走廊寬度。同時(shí)在確保導(dǎo)線對(duì)地距離的狀況下，會(huì)使塔身和基礎(chǔ)根開增加，這時(shí)塔基占地面積也需要增加。因?yàn)橥恋刭Y源逐漸變少的緊缺，在設(shè)計(jì)輸電通道的時(shí)候經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生同塔雙回以及同塔多回的現(xiàn)象，導(dǎo)致鐵路高度大大提高。

二、復(fù)合橫擔(dān)桿塔特點(diǎn)

復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、電氣絕緣性能好、環(huán)境性能友好、可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)促使了復(fù)合橫擔(dān)塔的出現(xiàn)和發(fā)展。我國(guó)對(duì)輸定線路復(fù)合橫擔(dān)塔的研究進(jìn)展迅速，目前已成功在超高壓、特高壓交直流輸電線路工程進(jìn)行了試用。輸電線路復(fù)合橫擔(dān)塔具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）降低風(fēng)偏閃絡(luò)機(jī)率。由于橫擔(dān)采用復(fù)合材料，其絕緣性能優(yōu)良，僅用較短的懸垂金具串連接聯(lián)板和導(dǎo)線，即使發(fā)生超預(yù)期風(fēng)偏，也不會(huì)發(fā)生風(fēng)偏閃絡(luò)事故，有利于保證線路的安全運(yùn)行。

（2）壓縮走廊寬度。利用復(fù)合橫擔(dān)的絕緣特性，通過合理設(shè)計(jì)，可壓縮走廊寬度，減少房屋拆遷量，具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

（3）節(jié)省塔材。利用復(fù)合橫擔(dān)的絕緣特性，縮短了懸垂絕緣子串的長(zhǎng)度，降低了桿塔的高度，使得塔重和基礎(chǔ)混凝土量降低，節(jié)省了工程投資。

（4）節(jié)約資源。采用復(fù)合橫擔(dān)塔可減少鋼材用量，減少不可再生的鐵礦石用量;而復(fù)合材料的主要原材料為二氧化硅礦石，蘊(yùn)藏量豐富。

（5）耐腐蝕。利用復(fù)合材料優(yōu)異的防腐性能，可以降低沿海及重工業(yè)地區(qū)輸電線路桿塔的腐蝕程度，延長(zhǎng)輸電線路的使用壽命，降低運(yùn)維成本。

（6）環(huán)境友好。復(fù)合材料制品與鋼構(gòu)件相比，生產(chǎn)能耗低，減小環(huán)境污染;同時(shí)復(fù)合材料易加工、顏色可調(diào)，能夠與環(huán)境協(xié)調(diào)，可增強(qiáng)線路的環(huán)境友好性。

（7）可設(shè)計(jì)性好：復(fù)合絕緣桿塔有別于其他桿塔的重要特點(diǎn)是其材料可設(shè)計(jì)性，可以根據(jù)特殊的結(jié)構(gòu)性能要求選擇基體和纖維材料及其相對(duì)含量和鋪層方向等進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，以滿足對(duì)桿塔強(qiáng)度、剛度、疲勞特性和產(chǎn)品色彩等多方面的要求，以充分發(fā)揮復(fù)合材料強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)地使用材料。

三、輸電線路復(fù)合橫擔(dān)塔結(jié)構(gòu)

復(fù)合橫擔(dān)由線路柱式絕緣子、線路復(fù)合絕緣子、連接金具、均壓環(huán)、端部金屬連接件等組成。

線路柱式絕緣子為承受壓縮和彎曲負(fù)荷的復(fù)合支柱絕緣子，由絕緣芯體、傘套（位于絕緣芯體的外部）及端部法蘭構(gòu)成。絕緣芯體由環(huán)氧樹脂浸漬玻璃纖維制成，傘套材料由高溫硫化硅橡膠整體注射成型，端部法蘭為金屬材料表面熱鍍鋅固定于絕緣芯體上。線路復(fù)合絕緣子為承受拉伸負(fù)荷的復(fù)合絕緣子，由拉擠芯棒、傘套及端部金具構(gòu)成。端部金屬連接件為合金鋼材料通過加工焊接而成，表面進(jìn)行熱鍍鋅處理，用來連接復(fù)合橫擔(dān)各部件。

復(fù)合橫擔(dān)塔結(jié)構(gòu)型式的確定主要基于以下原則：

1）滿足電氣性能要求;

2）滿足強(qiáng)度要求;

3）制作簡(jiǎn)單，連接方便，安裝便捷;

4）結(jié)構(gòu)型式較為經(jīng)濟(jì);

典型復(fù)合橫擔(dān)塔結(jié)構(gòu)型式主要為單柱、單柱單拉、單柱三拉、雙柱雙拉復(fù)合橫擔(dān)布置方式。

相關(guān)橫擔(dān)結(jié)構(gòu)示意圖如下：

四、復(fù)合橫擔(dān)在桿塔設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（一）復(fù)合橫擔(dān)直線塔

依據(jù)輸電線路導(dǎo)線布置方式，為盡量簡(jiǎn)化構(gòu)造，復(fù)合材料桿塔可選擇“門型”塔和“上字型”兩種。由于“上字型”桿塔具有節(jié)點(diǎn)容易處理、構(gòu)造簡(jiǎn)單以及節(jié)省線路等優(yōu)點(diǎn)，目前采用“上字型”的復(fù)合材料桿塔應(yīng)用較多。該類型桿塔橫擔(dān)部分采用復(fù)合材料，而塔身采用傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)，復(fù)合桿塔構(gòu)件之間采取螺栓進(jìn)行連接。采用上字型復(fù)合材料橫擔(dān)直線塔，雖然塔總高因布置橫擔(dān)有所增加，但橫擔(dān)部分鋼材均采用復(fù)合材料取代，可縮短橫擔(dān)長(zhǎng)度，減小導(dǎo)地線層間間距，從而塔重較普通直線塔減輕，基礎(chǔ)作用力也對(duì)應(yīng)減少。同時(shí)線路走廊寬度減少了對(duì)跨越房屋的范圍，由于使用復(fù)合材料橫擔(dān)，相比同呼高常規(guī)鐵塔，對(duì)地距離增大，更利于對(duì)房屋的跨越同時(shí)可以有效降低輸電線路對(duì)環(huán)境的影響。

（二）典型應(yīng)用

（1）廣東湛江500kV雙回路復(fù)合橫擔(dān)塔

工程介紹：2019年投運(yùn)，工程位于廣東省湛江雷州市，該區(qū)域?yàn)榈湫脱睾Ｖ囟群｛}分布區(qū)域，且地處瓊州海峽，風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度明顯高于內(nèi)陸地區(qū)，同時(shí)還存在臺(tái)風(fēng)、暴雨等極惡劣環(huán)境工況的考驗(yàn)。取得了如下經(jīng)濟(jì)效益：走廊寬度縮小3.4m，塔高降低5.6m，呼高降低2m，整塔重量降低2.5t。

（2）新疆與西北主網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)750千伏第二通道工程

工程介紹：2013年7月投入運(yùn)行，750kV輸電線路用復(fù)合桿塔已經(jīng)在哈密南—沙洲輸電線路工程中應(yīng)用7基，是世界上首次在超高壓線路工程中應(yīng)用復(fù)合橫擔(dān)塔。走廊寬度節(jié)約13m，呼高降低約5m，塔材節(jié)約10t，基礎(chǔ)混凝土節(jié)約10m3。

五、結(jié)束語

采用復(fù)合材料橫擔(dān)的電力桿塔可以有效縮減橫擔(dān)長(zhǎng)度，縮小高壓導(dǎo)線間的距離，減少絕緣子串的長(zhǎng)度，使得線路走廊寬度縮減，桿塔高度降低，塔重變輕，大大節(jié)約了輸電線路工程投資成本和土地資源，與傳統(tǒng)鋼質(zhì)橫擔(dān)、絕緣子相比，復(fù)合材料絕緣橫擔(dān)具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐老化、絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜穎.強(qiáng)風(fēng)地區(qū)500kV同塔雙回輸電線路復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔應(yīng)用設(shè)計(jì)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2020，No.297（5）：91-92.

[2]馬強(qiáng)，侯立群，李占軍，等.基于優(yōu)化算法的千伏輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)研究[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2019，14（4）：436-442.