新型超強度電桿在10kV配電網中的應用

海南電網有限責任公司 黃 峻

隨著著社會的不斷發展和進步，我國的配電線路桿塔從木質電桿到混凝土電桿、再到鋼結構鐵塔及鋼管桿，已經發展了一百多年歷史，1924年我國生產出第1條方型實心混凝土電桿，1985年開始使用混凝土架設配電線路，后來由于鋼筋與混凝土結合技術的發展，采用離心成型工藝制造，鋼筋混凝土錐形混凝土電線桿和等徑混凝土電線桿代替了大部分木桿，混凝土電桿堅固耐用、耐溫差性能好、耐腐蝕性能好、、力學強度高、抗裂性能好，而且適用的木材逐步稀缺，混凝土電線桿外觀不僅光滑而且美觀，更便于城市美化[1]。

早期配電網架空線路主要是使用混凝土桿進行架線，后續由于電網架設回路增加、線徑加粗、高低壓并存等減少重復線路架桿建設，開始要求線路架桿彎矩不斷增大，而鋼管電桿和角鋼電塔在長度與強度等方面有著很大的優勢，并且它們的適用范圍比目前的傳統混凝土電桿要大的多，對傳統混凝土電線桿的應用造成的沖擊比較大。因此，混凝土電線桿要發展必須要克服自身的缺點，提高混凝土電線桿的長度和強度。

無機高性能纖維復合材料（簡稱UCFC），采用最大堆積密度原理，由膠凝材料、級配骨料、混合纖維及增強劑配制而成，經高溫養護后具有強度高、韌性好、抗沖擊好、耐久性好、體積穩定、耐化學腐蝕、高耐磨、節能環保等特點，是一種力學性能介于鋼與混凝土之間的新型無機復合材料[2]。因此采用無機高性能纖維復合材料研發超強度電桿將產生明顯的經濟效益和社會效益。

1 配電線路桿塔應用現狀及輸電線路、配電線路的發展

目前，中低壓農網升級改造中，中壓線路承力桿大部分采用鋼管電桿和角鐵電塔，具有基礎開挖量大、基礎占地面積大，工程造價高等特點；低壓線路承力桿大部分采用鋼筋混凝土電線桿，但是存在拉線占地面積大、地形條件限制等問題。

隨著電網的發展，配電線路工程呈現出多回路、規模化、大導線的發展趨勢，傳統的普通混凝土桿達不到彎矩要求而逐步被減少，而鋼管桿和角鋼塔以較高的承載力在多回路及大導線的配電網中處于主流，因此對鋼材的需求量逐年上升，消耗大量的礦產資源，造成生態環境污染，并且這兩種桿塔的基礎均占地面積大、造價高、耐腐蝕性能較差、耐火性能較差，在沿海地區鹽類及電化腐蝕環境中維護費用高[3-5]。為適應電力發展的需求，亟需開發一種抗彎力矩等級高、耐久性好、耐腐蝕性能好、防火性能好、綜合造價低、使用壽命長的新型電桿。

目前，我國逐步向超高壓、特高壓、大檔距、大線徑、多回路方向發展輸配電線路建設，常規混凝土電桿可以應用在220kV 及以下的輸配電線路中。改革開放前期，我國高壓輸電線路以10、35、66kV 輸電線路為主，這些等級的輸電線路對線路器材的要求相對較低，所以常規混凝土電桿可以滿足要求。如果線徑加粗、回路增加、增大檔距對混凝土電桿的要求就要提高，普通混凝土電桿的力學性能很難滿足線路安全運行的要求。

隨著高強度、大彎矩新型無機復合材料電桿的出現、推廣及應用，在未來相當的一個時期內，在35～220kV 架空輸電和10kV 配電線路上，以及城市電網建設中，混凝土電桿不但不會鋼結構桿塔所淘汰，相反還會取代一部分鋼結構桿塔[6]，主要原因如下：

鋼筋混凝土制品用原材料近幾年飛速發展，工藝不斷完善，選擇范圍越來越廣，開發出高抗壓強度、高抗彎強度、高耐久性能的新型超高強混凝土配合比，大大提高了產品的耐久性和耐腐蝕性，提高產品的使用壽命。

隨著社會電力需求越來越大，對電網建設的要求越來越高，輸配電線路向大線徑、大檔距、多回路發展；由于原普通混凝土電線桿不能滿足10kV架空輸配電線路的設計要求，在保證線路設計的合理、安全的條件下，對混凝土電線桿性能提出更高的標準，減少采用鋼結構塔替代而增加的投資。

隨著低碳、環保、高效、節能、降耗、資源共享等政策的提出，需要開發能承受更大彎矩、土地占用面積較小的電線桿來取代開裂彎距較小、土地占用面積較大、需要拉線來滿足線路使用的普通混凝土電線桿。

2 超強度電桿特點

UCFC 材料采用最大堆積密度原理，形成結構抗壓強度，致密度高、無連通孔、提高耐久性能，并將纖維等效直徑納入UCFC 材料顆粒堆積模型的研究，增強纖維與基體界面的粘結強度，采用級配組合纖維，提高結構抗彎拉性能。超強度電桿采用該材料經離心成型制備新型超強度電桿，具有優異的力學性能和耐久性能。

2.1 力學性能

新型超強度電桿材料抗壓強度130～300MPa，為鋼材的60%左右；復合配筋抗彎強度80～120MPa，為鋼材的75%左右；彈性模量為45～60GPa，為鋼材的25%左右。結構優化設計后，新型超強度電桿具有完全取代鋼管桿同等結構能力。新型超強度電桿材料與鋼材具體力學性能對比如表1所示。

表1 UCFC 材料與鋼材的力學性能對比

2.2 耐久性能

新型超強度電桿具有高的耐久性能，在極端酸堿鹽腐蝕環境下，質量和強度幾乎無損失。而鋼管桿/角鋼塔在一般酸堿鹽腐蝕環境下，極易發生析氫腐蝕、吸氧腐蝕、電化學腐蝕等，其強度會顯著降低，新型超強度電桿比鋼管桿/角鋼塔具有更優異的耐久性能。新型超強度電桿材料與鋼材具體耐久性能對比如表2所示。

表2 UCFC 材料與鋼材的耐久性能對比

2.3 物理性能

新型超強度電桿材料密重約為鋼材的30～33%；該材料絕緣性能好、耐火性能好、抗震吸波性能好，在安全防護方面比鋼材具有更優異的物理性能。新型超強度電桿材料與鋼材具體物理性能對比如表3所示。

表3 CFC 材料與鋼材的物理性能對比

2.4 節能環保性能

同等結構設計條件下，新型超強度電桿制造過程比鋼管塔、角鋼塔減少碳排放和能耗50%以上。鋼管塔/角鋼塔大多采用鍍鋅工藝防腐，產生廢酸廢氣污染、土質污染。在環保要求條件下，新型超強度電桿替代鋼管塔、角鋼塔，減少環境污染，具有良好的節能減排性能。同等承載力條件下新型超強度電桿材料與鋼材的節能、環保性能對比如表4所示。采用無機高性能纖維復合材料制備新型超強度電桿，在配電線路上應用，基礎開挖面積小，減少對環境破壞且施工方便，可以獲取更好的綜合性能。

表4 同等承載力條件下UCFC 材料與鋼材的節能、環保性能對比

3 新型超強度電桿應用工程實例

沿海地區是被強臺風頻繁侵襲地區，臺風每年引起大量供電線路混凝土電桿斷桿、倒桿及斜桿事故，引發大面積停電，嚴重威脅電力系統的安全穩定運行。普通的大彎矩混凝土電線桿抗彎力矩等級較低無法滿足要求。目前高彎矩等級的桿主要采用鋼管桿和角鋼塔，鋼材用量大，耐久性差，在海南地區鹽類及電化腐蝕環境中每隔5年左右需要進行防腐蝕維護，維護費用較高。因此，新型超強度電桿非常適合在沿海配電網架空線路工程中應用。

2020年將新型超強度電桿在海南電網10kV 新建工程試點應用，工程新建JKLYJ-10-240導線3.5公里，采用雙回架空，根據受力計算外荷載作用下雙回分支桿的彎矩標準值362.38kN.m，外荷載作用下雙回終端桿的彎矩標準值305.38kN.m，為外荷載作用下雙回轉角90°桿的彎矩標準值為406.55kN.m，按常規設計雙回轉角90°桿、雙回分支桿和雙回終端桿都就采用角鋼塔或鋼管桿，但在本項目設計中采用了抗彎力矩為450kN.m，12米桿高的φ350mm稍徑新型超強度電桿可達到鋼管桿和角鋼塔抗彎力矩，且后期不需要防腐蝕維護，減少維護成本，減少基礎占地面積30%以上。由此可見，新型超強度電桿取代鋼管桿/角鋼塔，在電力工程具有巨大的應用前景。

3.1 造價對比

采用新型超強度電桿單基造價為5.1181萬元，桿塔基礎采用灌注樁基礎，開挖面積1.44m2；采用角鋼塔單基造價為9.212萬元，桿塔基礎采用臺階基建，開挖面積14.44m2、占地面積3.24m2；采用鋼管桿單基造價為6.3858萬元。桿塔基礎采用灌注樁基建，開挖面積1.96m2。上述分析，采用新型超強度電桿造價比鋼管桿節省1.2677萬元，比角鋼塔造價節省4.0939萬元，同時新型超強度電桿占地面積與鋼管桿節省36%，比角鋼塔節省1倍。

3.2 運行維護對比

對桿塔同等結構設計條件下，鋼管桿/角鋼塔的設計使用壽命為30年，而新型超強度電桿的設計使用壽命為70年。在運行過程中，鋼管桿、角鋼塔的防銹層或多或少會存在缺陷，尤其在電焊連接處會存在難以避免的缺陷；另外，在運輸和安裝過程中不可避免地會破壞防銹層，加上防腐層本身在空氣中會不斷地被腐蝕，因此鋼管桿/角鋼塔需要頻繁地維護，需要大量的維護費用。由于新型超強度電線桿本身耐腐蝕性能好，不需定期維護，節約大量維護費用。

綜上，隨著我國電力需求及供應的不斷發展，對配電線路的架設提出更高要求，開發采用力學性能好、耐久性能好的新型超強度電桿，具有良好的經濟社會效益，應用前景廣泛。其與傳統桿塔相比，具有優異的性能：

新型超強度電桿抗彎力矩為普通混凝土電桿的2～3倍，可解決混凝土電桿因彎矩不夠導致桿開裂問題及減少混凝土電桿的拉線；新型超強度電桿可達到鋼管桿和角鋼塔抗彎力矩，具有完全取代鋼管桿和角鋼塔同等結構能力，降低工程造價；新型超強度電桿具有良好的耐久性能好和耐腐蝕性能，不需要做防腐蝕處理，減少運維費用，提高產品使用壽命，大大降低全壽命周期綜合成本；新型超強度電桿開挖基礎面積小，減小占地面積，安裝方便，提高施工效率；減少鋼材的使用，以及減少鋼材防腐工藝排放的廢酸廢氣對空氣、土壤的污染。