智能變電站復合材料電纜支架的技術經濟性研究

李國堯，況驕庭，錢 鋒

（浙江省電力設計院，杭州 310012）

智能變電站電纜、光纜，除少數直埋或局部穿管敷設于地下外，其余絕大部分都敷設于電纜支架上。傳統的金屬支架容易出現焊縫毛糙、銹蝕等問題，電纜敷設時易損傷線纜外皮。隨著智能變電站建設工作的推進，光纜的大量使用并逐步替代控制電纜，對電纜敷設工藝質量要求不斷提高，為滿足運行安全可靠、工藝質量一流的要求，復合材料電纜支架以其優良的技術經濟特性得到廣泛應用[1-2]。

1 傳統金屬電纜支架缺點

鋼電纜支架是電力系統中應用歷史最長的電纜支架，其強度高，能適用于各種場合，制作也比較簡單方便[3-4]，但有以下缺點：

（1）鋼材用量大，資源消耗多。

（2）生產制造過程耗能大、工序多、周期長，并且由于切割和焊接，角鋼支架上毛刺很難杜絕，給敷設電纜帶來隱患。

（3）在許多惡劣環境條件下，例如溝（隧）道、多雨潮濕或沿海鹽霧地區戶外等場合，使用角鋼電纜支架極易被銹蝕。

（4）現有條件下角鋼支架鍍鋅工藝給環境帶來非常大的壓力。

（5）傳統角鋼支架后期的運行維護費用高，使用壽命也較短。

（6）為避免渦流損耗甚至是弧光放電，電力電纜特別是大電流回路電力電纜敷設不能采用。

（7）現場施工安裝需要大量的焊接操作，溝（隧）道內支架整齊度難以保證，電纜敷設不美觀。

2 復合材料電纜支架

2.1 復合材料的種類

隨著材料科學的進步，質量密度低、強度高、不易銹蝕的新型防火高分子復合材料越來越受到重視。復合材料是用2種或多種組分按一定方式組合而成的材料，常見電纜支架用復合材料有SMC（片狀膜塑料）復合材料、熱固性復合材料、塑包鋼材料[5]。

SMC復合材料主要由GF（專用紗）、UP（不飽和樹脂）、低收縮添加劑，MD（填料）及各種助劑組成。

熱固性FRP（纖維增強塑料）復合材料支架主要由起增強作用的無堿玻璃纖維和起粘結作用、傳遞載荷作用的樹脂組成。

鋼塑復合材料電纜支架結合鋼材和復合材料各自的優點，在鋼材表面覆蓋一層復合材料成分。

2.2 智能變電站對復合材料電纜支架要求

（1）選用復合材料電纜支架時，應考慮環境溫度及其變化對機械強度、性能的影響，產品耐高/低溫試驗的極端溫度范圍應滿足工程環境溫度條件。

（2）復合材料電纜支架需通過耐酸、堿、鹽腐蝕度試驗，對產品耐腐蝕性進行考核。

（3）根據《電力工程電纜設計規范》、《建筑結構荷載規范》以及支架產品設計的規定，托臂外端部承受的最大荷載按照可能短暫上人90 kg附加集中載荷設計，托臂的撓度值5 mm時，托臂應無變形、裂紋、斷裂等現象。復合材料的支架托臂承載能力為最初產生的永久性變形時的最大荷載除以1.5倍安全系數，極限承載能力（豎直方向）需170 kg。

（4）智能變電站設計對阻燃電纜的阻燃性要求，一般為氧指數30%。而對復合材料電纜支架（立柱和托臂）的阻燃性要求應高于阻燃電纜，應達到該類材料的最高阻燃等級V-0級，V-0級氧指數38%。

（5）復合電纜支架宜采用膨脹螺栓固定安裝方式。

3 復合材料電纜支架技術經濟比較

復合材料與金屬材料相比，具有耐腐蝕、機械強度高、阻燃特性好、電絕緣性能優良、不導磁、無渦流、施工安裝便利、壽命長，免維護等的優點，二者技術性能對比見表1。

復合材料通過改變組分材料品種、比例以及結構設計可替代鋼材，改善機械性能。復合材料可通過配方設計實現難燃、低煙、無鹵、無毒。由表1可知，復合材料支架綜合性能優于鋼支架。

表1 電纜支架技術性能對比

統一按照圖1規格進行不同材料電纜支架的單副支架費用比較見表2。

圖1 某電纜支架規格

由表2的分析可得，按30年壽命周期費用計算，復合材料支架的費用最低，有較好的經濟性。按國家電網公司通用設計考慮，某500 kV智能變電站應用新型復合材料電纜支架，全壽命周期30年內按鋼制支架更換1次考慮，費用節省162.9元×1 700副＝27.7萬元。

表2 電纜支架經濟分析對比 元

4 復合材料電纜支架性能試驗分析

對某公司提供工程應用的復合材料和金屬材料電纜支架樣品（批量產品中隨機抽樣），根據有關技術標準，委托檢測機構對4種電纜支架的主要性能做了檢測。前3種（SMC，熱固性FRP，塑包鋼）屬于復合材料，U型鋼屬于金屬材料，支架外形見圖2。

（1）正向承載能力試驗：電纜支架呈正常安裝狀態，在支架最遠端正向施加載荷，直至支架局部或整體發生破壞或較大變形時停止試驗，計算電纜支架相對于支撐根部點的彎矩。

（2）側向承載能力試驗：電纜支架呈正常安裝狀態，在支架最遠端側向施加載荷，直至支架局部或整體發生破壞或較大變形時停止試驗，計算電纜支架相對于支撐根部點的彎矩。

（3）耐高低溫循環測試：電纜支架交替置于-20℃和80℃的環境中，歷時5天，試驗之后重復試驗上述2個試驗。

試驗結果匯總見表3、表4，綜合考慮技術和經濟兩方面，對比可見復合材料電纜支架性能優于金屬材料電纜支架。在上述3種復合材料電纜支架中，SMC材料的性能較優。

圖2 電纜支架外形圖

表3 常規試驗

表4 耐高低溫循環試驗

5 結語

在滿足電纜敷設要求下，配置電纜支架需堅持結構合理，費用經濟、外形美觀的設計理念。從技術和經濟兩方面比較分析，得出復合材料電纜支架性能更優的結論。復合材料電纜支架技術先進、外表光潔，機械比強度和比模量大，耐腐蝕、絕緣性能優良、全壽命周期綜合效益高，特別適用于東部沿海等污穢地區、腐蝕性環境場所以及工藝質量外觀要求較高的智能變電站工程應用，其良好的工藝外觀以及安裝便利性為提高電纜敷設工藝質量提供了保證。

[1]GB 50217-2007電力工程電纜設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2008.

[2]浙江省電力公司基建部.變電工程標準化工藝設計[M].北京：中國電力出版社，2010.

[3]張樹華，顧鈞揚.復合材料電纜支架[J].廣東電力，2001，14（6）：33-36.

[4]史任卿，鄭恩國.高強度復合材料電力電纜支架技術性能研究[J].供用電，2011（2）：61-64.

[5]李聰華.復合材料電纜支架在地鐵中的開發及應用[J].電氣化鐵道，2005（1）：45-47.