一種具有防撞功能的新型警示裝置研究

鄭理威，溫帶銀，譚炯潤，林灼燈，呂嘉亮

（廣東電網有限責任公司江門供電局，廣東江門 529000）

1 課題背景

隨著電網規模的不斷擴大和城市的快速發展，輸電線路桿塔與道路有了越來越多的交匯點，這些交匯點處的輸電線路往往涉及重要交叉跨越，一旦發生事故，極易造成嚴重的人員傷亡和財產損失。而由于交匯點處車流量較大，發生車輛碰撞輸電線路桿塔的風險非常大，輕則導致車輛和桿塔損壞，重則發生倒塔停電和人員傷亡，嚴重威脅著人們群眾的生命財產安全和電網的安全穩定運行。因此，在輸電線路桿塔上采取防碰撞措施顯得至關重要。

目前常采用的桿塔防碰撞警示手段主要有兩種，一是在桿塔塔材或基礎上粘貼紅白相間的防撞貼紙，二是直接在桿塔塔材或基礎上噴涂防撞標識。這兩種方法都有著一定的局限性，不能適用于所有情況。紅白相間的防撞貼紙作為一種簡單易行的防撞措施，雖然可以有效降低車輛碰撞桿塔事故的發生率，但是在日曬雨淋等戶外條件下，使用壽命會大大縮減，很快出現褪色、表皮部分脫落等現象，且防撞貼紙不易清洗，容易留下污漬，造成二次污染，影響桿塔美觀。相較于防撞貼紙，在桿塔塔材或基礎上噴涂防撞標識則要更加耐用，不易褪色、老化，使用壽命更長，可長久保持桿塔防撞標識的清晰，缺點是顏色較深，反光度不足，夜間警示范圍小、效果差，此外噴涂操作工序復雜、費時費力，噴涂過程中產生的氣溶膠可能會危害操作人員身體健康及造成環境污染。

為解決上述問題，研制一種新型的具有防撞功能的警示裝置，結構簡單，使用靈活，適用于各種形狀、尺寸的輸電線路桿塔塔材和基礎，并且便于攜帶和安裝、自潔能力強、反光性好、安全環保，在惡劣的自然條件下依然具有較長的使用壽命，起到良好的安全警示作用。

2 防撞警示裝置在輸電線路桿塔上的應用情況分析

由于輸電線路桿塔及基礎自身抗碰撞能力較差[1]，十分有必要為車輛通行道路附近的輸電線路桿塔加裝防撞警示裝置。影響防撞警示裝置效果的因素主要有結構設計和材料選擇兩個方面，結構的設計影響著裝置安裝的便利性、牢固程度，而材料的選擇則影響著裝置的警示距離、維護成本及使用壽命。

2.1 鋼結構塔分類及特點

我國由于幅員遼闊，地形復雜，山地、丘陵、平原交錯分布，架空輸電線路多采用鋼結構塔，這樣可以減少土地占用，同時有利于提高桿塔的穩定性。鋼結構塔按塔材種類可分為角鋼塔和鋼管塔兩大類，角鋼塔有著比較成熟的加工、運輸、安裝及運行等方面的經驗，尤其適用于大跨越輸電桿塔，其主斜材斷面一般采用角鋼組成的結構式斷面，角鋼之間通過綴條進行結合。角鋼塔的優點是結構簡單、重量輕、抗風能力強、運輸安裝方便，是目前電網中應用最為廣泛的塔型（圖1）。

圖1 角鋼塔

鋼管塔斷面在各方向受力均勻，在面積相同的情況下，回轉半徑更大。鋼管構件截面中心對稱，截面特性各向同性；材料均勻分布在周邊，截面抗彎剛度大。對于輸電鐵塔的受拉桿件，當鋼管與角鋼的截面積相當時，鋼管塔桿件不顯現其優勢。而對于輸電鐵塔的壓彎構件，采用較小截面積且有較大回轉半徑的鋼管可以充分均衡地發揮材料的力學性能，達到結構剛度和穩定要求，尤其對于結構幾何尺寸較大、桿件較長的大荷載鐵塔，鋼管塔桿件穩定性能好的優勢很明顯。鋼管截面可充分發揮材料強度，改善構件的截面剛度，降低長細比（圖2）。與角鋼塔相比，鋼管塔能大大減少輔助桿材的數量，減小鐵塔的擋風面積，使得鐵塔質量減輕，同時鋼管塔整體外形也比角鋼塔美觀。但鋼管塔單根構件較重，在運輸安裝和鍍鋅時比較困難，另外鋼管塔對鋼材材質要求較高，在焊接時工作量較大，加工價格也高[2]。

圖2 鋼管塔

2.2 防撞警示裝置結構設計

根據不同的電壓等級和地形地貌，不同桿塔所采用的鋼材尺寸及基礎類型不盡相同。因此，防撞警示裝置要能靈活調節以適配不同的塔型、塔材或基礎，這樣才能提供大規模安裝使用的便利性。除此之外，綜合考慮防撞警示裝置在運輸過程中的便攜性，采用折疊式的結構是一個很好的選擇。具體來說，即利用有限元劃分的思想將防撞警示裝置整體劃分為多個細度滿足要求的防撞警示條，再通過鉸鏈將其連接組合起來。通過折疊，防撞警示裝置可以變的更具流動性，能根據具體的空間情況來折成不同的形狀，以滿足運輸、搬運過程中的便攜性要求或安裝過程中與塔材、基礎之間的貼合性要求。滿足以上要求之后，還需在防撞警示裝置收口處使用特制卡扣卡緊，以使裝置能夠有效閉合，保證裝置安裝的牢固程度。

3 技術方案

3.1 防撞警示裝置的材料選擇

影響防撞警示裝置視認性的因素有很多，其中人、環境以及防撞警示裝置本身起著較為關鍵的作用。人的因素主要涵蓋駕駛人的年齡、視覺狀況、心理狀態、觀測距離、駕駛車輛型號等；環境因素主要包括環境亮度、氣候條件、道路路況等[3]；防撞警示裝置因素主要包括警示標志面的光澤、清潔程度、反光性能等。在人的因素和環境因素無法控制的情況下，要想降低桿塔遭受車輛碰撞的概率則只能從防撞警示裝置本身入手，通過選擇耐污性能強、反光度高的材料來提高一定條件下防撞警示裝置的視認性。

反光材料是指可將入射光線反射回入射介質的材料，也稱為逆反射材料或回歸反射材料。當入射光線在一定范圍內入射到反光材料表面時，反射光線會集中在一個很小的范圍內反射。反光材料廣泛應用于交通、運輸、消防等領域的標識。反光系數強度、耐磨損性、耐水洗性等是反光材料制品的重要性能指標[4]。反光材料分為玻璃微珠和微棱鏡兩種類型。玻璃微珠是較為傳統的反光材料，最早使用時間可以追溯到本世紀20 年代，其原理是將玻璃微珠均勻的粘接在基材上，剪裁為不同的形狀后貼于相應的設備、設施上，當有光線照射過來時，入射光線經過玻璃微珠折射后聚焦于底面，再通過玻璃微珠沿入射方向反射回去，即可呈現反光效果。相比玻璃微珠，70 年代初面世的微棱鏡具有更好的光學性能和耐久性，二者之間的不同之處在于：①玻璃微珠參與反射光線的表面積只有約1/4，而微棱鏡則有3 個面對入射光線進行折射后再反射，參與反射光線的表面積是玻璃微珠的3 倍左右；②玻璃微珠大小不等且分布不均勻，在基材上粘接后會留下較多的空隙，影響整體的反光效果，而微棱鏡則能做到大小均一，可以通過機械壓合不留空隙地分布在基材上，反光效果和耐久性都有很大提升。

微棱鏡型反光材料包括3 類：乙烯基、丙烯酸和聚酯。乙烯基反光材料具有良好的耐磨性、可彎折，使用壽命一般為1～2年，比較適合頭盔、服裝、背包上使用。丙烯酸和聚酯反光材料均可全天候使用、耐磨、耐腐蝕、耐溶解，戶外使用壽命可達3～5年，適用于各種交通標識、戶外警示裝置，此外聚酯反光材料還具有可折疊、抗擠壓的特點。

3.2 防撞警示裝置技術分析

基于以上分析，可以看出聚酯類的微棱鏡反光材料最為契合所設計的防撞警示裝置的要求。所設計的防撞警示裝置，選用PVC 作為結構材料，表面以聚酯類的微棱鏡反光材料制作警示標志，通過鉸鏈組合成可折疊結構，可達到節省存儲空間、便于運輸、攜帶和安裝、惡劣天氣和夜間具備良好警示效果的目的。使用本裝置時，安裝人員無需事先對桿塔塔材或基礎類型進行具體勘查或測量，只需攜帶足夠尺寸的該裝置，到達現場后再以裝代量，經適當調節后即可完成安裝。

4 應用成效

該裝置已經于2020—2021 年在廣東電網有限責任公司江門供電局輸電管理一所110 kV 以上電壓等級的輸電線路桿塔中廣泛應用，據統計分析，應用此裝置后因車輛碰撞桿塔導致的外力破壞事故數量比上一年度減少了約72%，其中夜間及惡劣天氣條件下的事故數量比上一年度減少約86%，有力保障了公共安全及電網的穩定運行。