復合材料在220 kV輸電線路桿塔中的應用與設計研究

陳路，劉慶豐，鄧威，徐明鳴

(中國能源建設集團湖南省電力勘測設計院，湖南 長沙 410007)

復合材料在220 kV輸電線路桿塔中的應用與設計研究

陳路，劉慶豐，鄧威，徐明鳴

(中國能源建設集團湖南省電力勘測設計院，湖南 長沙 410007)

復合材料具有環保、美觀、輕質、高強度和耐受性好等優勢。文章提出在220 kV輸電線路桿塔中采用復合材料替代傳統鋼材的新思路，對復合材料在輸電線路桿塔中應用的關鍵點進行分析，并對復合材料桿桿型的選擇、塔頭間隙設計、桿身受力和經濟性進行詳細的研究。

復合材料桿；電力；輸電線路；桿塔

復合材料主要由玻璃纖維、生物質材料和不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、乙烯基樹脂以及聚氨酯樹脂材料組成，通過纖維纏繞、拉擠、真空灌注等工藝使其成型。復合材料桿塔研究和應用技術代表了當今國際輸電領域新材料應用的發展方向，其優勢明顯，具有廣闊的市場應用前景。

1 復合材料的優勢特性

1.1 環保、節能

復合材料由于材料和制品的加工特性，與傳統鐵塔相比生產所需的能耗大為降低，同時也避免了鐵塔在加工過程中的鍍鋅工藝帶來的環境污染，在輸電線路中可以成為鋼材的一種理想替代品。

另外，復合材料性能高、強度高、使用壽命長，節省資源和能源，可降低污染物排放。

1.2 節省走廊、降低場強影響范圍

復合材料桿因其良好的絕緣性能，可降低桿塔高度，縮短橫擔長度，配合使用絕緣橫擔，可以減少甚至不用絕緣子。以220 kV輸電線路為例，復合材料桿比同尺寸規格的金屬桿塔節省近2 m的輸電線路走廊用地，同時復合材料桿對地場強和導線表面最大場強影響范圍明顯減小，對減小輸電線路的電能損失和無線電干擾具有積極意義。

1.3 抗腐蝕、抗老化性能好

對輸電線路鐵塔，一般要求進行熱浸鍍鋅防腐蝕處理，但經過若干年的使用之后，也往往由于鋅層破壞而發生銹蝕，會大大降低鋼結構構件的承載能力。而復合材料具有很強的環境適應性，在基體材料中添加抗老化助劑、紫外線吸收劑等，效果顯著。

1.4 安全系數高

復合材料彈性模量在25～50 GPa之間，比鋼構件的彈模2.06×105N/mm2要低得多，與混凝土相近。在強風、斷線、覆冰等載荷突變工況下不容易斷裂。同時利用復合材料的絕緣特性，可以大大降低線路懸垂絕緣子的長度，甚至完全取消懸垂絕緣子，從而降低線路因風擺產生的閃絡舞動事故風險；利用復合橫擔外套硅橡膠的憎水性，可有效避免污閃、濕閃事故，減少覆冰，提高線路安全運行水平。

1.5 質量輕、節省運輸成本

復合材料桿比混凝土桿、鋼管桿質量輕，玻纖增強環氧樹脂的密度僅為鋼材的1/3。在運距稍遠或者規劃道路尚未形成的線路段，可以大幅降低運輸成本和施工人員勞動強度。

1.6 美觀、環境友好

復合材料的顏色可調、造型多樣，可增強線路的環境友好性。讓輸電線路桿塔外觀更貼近自然環境，對自然環境感觀和因征地、風水等問題產生的糾紛，有一定的緩解作用。

2 復合材料桿桿型的選擇

以城郊工程為例，城郊工程一般屬于經濟規劃或發達地區，城市規劃部門往往要求使用單桿配合城市建設，但道路已規劃卻尚未形成，鋼管構件過重運輸不便，房屋分布眾多等都是客觀存在的問題。

復合材料桿一般有3種組成型式，分別為:全復合型、塔頭復合型、橫擔復合型。通過將以上3種設計方案與常規鋼管桿進行初步對比，得出以下結論:

1)在相同設計條件下，復合材料桿由于其出色的絕緣性能，直線桿橫擔較常規鋼管桿橫擔最大可縮短約1.9 m，轉角桿可縮短1.2 m；由于懸垂絕緣子串縮短，鐵塔呼高降低約1.5 m。

2)全復合材料桿主桿采用復合材料，主桿總重量較鋼管桿減少20%，復合材料輕便，可有效降低桿塔運輸和組裝成本。

3)僅從單價上考慮，復合材料的單價高于鋼材，使得復合材料桿本體成本與鋼管桿基本持平，甚至略高，但結合考慮環境協調、人力、運輸、安裝等因素后，在城區線路其綜合效益方面具有一定優勢。

3 復合材料桿塔頭間隙設計分析

以常用的雙分裂導線220 kV輸電線路為例，對直線桿和復合桿分別進行設計分析。

3.1 復合材料直線桿

復合直線桿的塔頭設計，分為常規布置方案和對稱布置方案2種。常規布置方案中導線橫擔按鋼管桿三角形排列布置，中相導線掛于桿身一側，較鋼管桿橫擔長度減少1.9 m，最大程度上減少橫擔長度，節省線路走廊寬度。

對稱布置方案中，上、下層導線橫擔左右兩邊等長對稱，中相導線的兩根子導線分掛在上橫擔兩側。與鋼管桿相比，橫擔長度減少0.8 m，布置協調，受力平衡，整體感觀較好。具體復合直線桿塔頭型式及尺寸如圖1所示。

圖1 復合直線桿

3.2 復合材料轉角桿

與復合直線桿的塔頭設計類似，復合轉角桿的塔頭設計也分為常規布置方案和對稱布置方案。2種方案的橫擔布置不同，常規布置地線支架長度不等長且只有一層導線橫擔；而對稱布置方案是為配合直線桿對稱方案設計。復合轉角桿塔頭型式及間隙尺寸如圖2所示。

圖2 復合轉角桿

綜上所述，2種塔頭布置方式、塔頭高度相同，橫擔長度較鋼管桿均有不同程度的縮短，有效節省線路走廊。對稱布置橫擔使全桿整體受力較優，且布置協調，整體感觀好。如能夠通過試驗減少送電擊穿距離，橫擔還可進一步縮短。

4 復合材料桿身受力分析

復合桿塔的正常使用由桿身應力和位移決定，桿身最大應力不得超過復合材料許用應力，正常運行工況桿身最大位移應小于等于規范允許位移(1.5%×桿高)〔3〕。

采用在輸電線路分析中應用廣泛應用的ANSYS軟件，建立了由內層 (玻璃鋼)、中層 (夾層)和外層 (玻璃鋼)疊合形成的復合桿塔三維有限元實體模型。考慮復合材料的分層性及正交各向異性，選用SOLID46單元進行模擬。得到塔身位移和應力分布圖，如圖3所示。

圖3 正常運行工況塔身位移云圖

由圖3可知桿身最大應力由驗算覆冰工況控制(湖南地區為中冰區)，直線塔出現于橫擔與桿身連接處，因為相連部位接觸面積小且截面突變，導致應力集中，應力值最大；轉角塔出現于桿底端，因為底端彎矩大，受壓側應力最大；桿身最大位移出現在桿頭位置。不同塔型桿身應力及位移量的比較見表1。

表1 不同塔桿身應力及位移量的比較

綜上所述，復合桿塔主要受最大位移控制，因為復合材料拉壓強度高，能輕松滿足強度要求，但是復合材料側向剛度小，水平位移大，是主要控制因素。在復合桿塔設計和研究中，需著重研究提高其側向剛度問題。

5 經濟技術比較

以下對直線、轉角桿采用不同材料和不同布置進行技術經濟效果比較，同時擬采用承臺式基礎，依據相關規范〔5〕進行測算，見表2，3。

表2 直線桿經濟指標比較

表3 轉角桿經濟指標比較

由表1，2結果可知，采用對稱布置復合材料直線桿，走廊寬度可縮小1.6 m，采用對稱布置復合材料轉角桿，走廊寬度可縮小2.2 m。雖然從本體材料價格上看，復合材料桿比鋼管高，但是采用復合桿，減少了跨房及減少的走廊青苗補償面積。另外，如果采用合適的外觀設計，比如外貼樹皮的型式，改善輸電電桿外觀形象，也可減少當地居民對高空輸電線路建設的抵觸，對順利推進工程建設，按期完成工程進度，具有積極作用。

6 尚需開展的工作

6.1 復合材料桿塔的結構設計

復合材料在彎曲荷載作用下變形較大，特別是在覆冰情況下，桿塔過大的變形將影響輸電線的電氣安全距離。因此，應在復合材料設計過程中首先解決桿塔的結構剛度問題。針對復合材料本身模量較低的問題，參照現有金屬桿塔、混凝土桿等成熟桿塔，開展新型高剛度結構設計關鍵技術研究，提高桿塔的結構剛度，達到輸電線路對桿塔的剛度要求。

6.2 耐候性、高電壓等級用材料體系設計

對不同電壓等級、環境下所采用的樹脂體系開展研究，從復合材料高電壓老化機理、復合材料絕緣性能方面著手，制定復合材料結構的有效防護措施。

6.3 高剛度復合材料結構設計與制造技術

復合材料的界面能否優良的結合是該項技術關鍵之一，良好的界面結合能有效的均勻傳遞應力，使產品整體受力，從而達到優良的機械性能。

6.4 高效的節點連接及整體組裝技術

高效的節點連接是復合材料桿塔能否推廣應用的關鍵技術之一，通過系統地研究復合材料的構件性能、疲勞性能、節點性能，設計高效的連接形式，并制定相應的設計規范，形成復合材料桿塔節點連接及整體組裝的成套解決方案。

6.5 復合材料桿塔低成本制造技術

復合材料桿塔相對于混凝土電桿、鋼管桿而言，其成本高是顯而易見的，同時輸電線路的覆蓋面之廣，大量應用高成本的玻璃鋼是不現實的，因此復合材料桿塔的結構與材料優化設計、低成本化快速制造技術成為復合材料桿塔應用的關鍵。

6.6 復合材料桿塔防雷技術研究

復合材料桿塔的巨大優勢就是大大增加了導線相地之間的絕緣距離，對于雷電活動頻繁的地區或者電壓等級較高需要全線架設避雷線的線路來說，如果將位于桿塔頂端的避雷線接地，相當于將絕緣桿塔斷路，桿塔的絕緣優勢就大打折扣，因此需要合理解決接地方案。

6.7 復合材料輸電桿塔性能評價技術

復合材料輸電桿塔與傳統的水泥桿、金屬桿塔不同，屬于全新的材料領域，通過示范工程的復合材料桿塔進行全尺寸真型試驗，驗證其結構性能和安全可靠性，為復合材料桿塔的工程應用提供實證依據。同時，制定和完善復合材料輸電桿塔設計、制造、性能評價、安裝、運行等一系列相關技術導則，為其長期健康發展提供支撐。

7 結論

復合材料具有環保、美觀、輕質、高強度、耐受性好等獨特的材料性能。結合復合材料的材料性質，通過把握復合材料在輸電線路中應用的主要關鍵點，對220 kV電力輸電線路中復合材料桿桿型的選擇、塔頭間隙設計、桿身受力分析、經濟性比較方面進行研究。可以預見，在220 kV輸電線路中采用更為環保的復合材料替代傳統鋼材，將是輸電線路與城市環境完美結合的典范，必將推動輸電線路向資源節約、環境友好的方向更好的發展。

〔1〕GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范 〔S〕.北京:中國計劃出版社，2010.

〔2〕DL/T 5440—2009重覆冰架空輸電線路設計技術規程 〔S〕.北京:中國電力出版社，2009.

〔3〕DL/T 5154—2002架空送電線路桿塔結構設計技術規定 〔S〕.北京:中國電力出版社，2003.

〔4〕GB 50017—2003鋼結構設計規范 〔S〕.北京:中國計劃出版社，2003.

〔5〕DL/T 5219—2005架空送電線路基礎設計技術規定 〔S〕.北京:中國電力出版社，2005.

Application and design of composite materials in 220 kV power transmission line tower

CHEN Lu，LIU Qing-feng，DENG Wei，XU Ming-ming
(China Energy Engineering Group Co.Ltd，Hunan Electric Power Design Institute，Changsha 410007，China)

Composite materials have the advantages of environmental protection，beauty，low weight，high strength and high tolerance，etc.A new method is proposed that traditional composite steel can be substituted by composite material in transmission line tower.The key points of practical application of composite materials of the transmission line tower are analyzed，and the selection of tower type，the design analysis of tower head gap，the stress analysis of tower body and the economical efficiency are studied detailedly in this paper.

composite rods；electric power；transmission lines；tower

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.01.007

TM75

B

1008-0198(2015)01-0025-04

陳路(1982)，男，瑤族，湖南懷化人，大學本科，工程師，從事電力電網線路結構設計工作。

2014-07-15 改回日期:2014-12-26