智能變電站復(fù)合材料電纜支架的技術(shù)經(jīng)濟性研究

李國堯，況驕庭，錢 鋒

（浙江省電力設(shè)計院，杭州 310012）

智能變電站電纜、光纜，除少數(shù)直埋或局部穿管敷設(shè)于地下外，其余絕大部分都敷設(shè)于電纜支架上。傳統(tǒng)的金屬支架容易出現(xiàn)焊縫毛糙、銹蝕等問題，電纜敷設(shè)時易損傷線纜外皮。隨著智能變電站建設(shè)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(shè)工藝質(zhì)量要求不斷提高，為滿足運行安全可靠、工藝質(zhì)量一流的要求，復(fù)合材料電纜支架以其優(yōu)良的技術(shù)經(jīng)濟特性得到廣泛應(yīng)用[1-2]。

1 傳統(tǒng)金屬電纜支架缺點

鋼電纜支架是電力系統(tǒng)中應(yīng)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(chǎn)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(shè)電纜帶來隱患。

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

（4）現(xiàn)有條件下角鋼支架鍍鋅工藝給環(huán)境帶來非常大的壓力。

（5）傳統(tǒng)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(shè)不能采用。

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

2 復(fù)合材料電纜支架

2.1 復(fù)合材料的種類

隨著材料科學(xué)的進步，質(zhì)量密度低、強度高、不易銹蝕的新型防火高分子復(fù)合材料越來越受到重視。復(fù)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(fù)合材料有SMC（片狀膜塑料）復(fù)合材料、熱固性復(fù)合材料、塑包鋼材料[5]。

SMC復(fù)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(fù)合材料支架主要由起增強作用的無堿玻璃纖維和起粘結(jié)作用、傳遞載荷作用的樹脂組成。

鋼塑復(fù)合材料電纜支架結(jié)合鋼材和復(fù)合材料各自的優(yōu)點，在鋼材表面覆蓋一層復(fù)合材料成分。

2.2 智能變電站對復(fù)合材料電纜支架要求

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

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

（3）根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》以及支架產(chǎn)品設(shè)計的規(guī)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(shè)計，托臂的撓度值5 mm時，托臂應(yīng)無變形、裂紋、斷裂等現(xiàn)象。復(fù)合材料的支架托臂承載能力為最初產(chǎn)生的永久性變形時的最大荷載除以1.5倍安全系數(shù)，極限承載能力（豎直方向）需170 kg。

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

（5）復(fù)合電纜支架宜采用膨脹螺栓固定安裝方式。

3 復(fù)合材料電纜支架技術(shù)經(jīng)濟比較

復(fù)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(yōu)良、不導(dǎo)磁、無渦流、施工安裝便利、壽命長，免維護等的優(yōu)點，二者技術(shù)性能對比見表1。

復(fù)合材料通過改變組分材料品種、比例以及結(jié)構(gòu)設(shè)計可替代鋼材，改善機械性能。復(fù)合材料可通過配方設(shè)計實現(xiàn)難燃、低煙、無鹵、無毒。由表1可知，復(fù)合材料支架綜合性能優(yōu)于鋼支架。

表1 電纜支架技術(shù)性能對比

統(tǒng)一按照圖1規(guī)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(guī)格

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

表2 電纜支架經(jīng)濟分析對比 元

4 復(fù)合材料電纜支架性能試驗分析

對某公司提供工程應(yīng)用的復(fù)合材料和金屬材料電纜支架樣品（批量產(chǎn)品中隨機抽樣），根據(jù)有關(guān)技術(shù)標準，委托檢測機構(gòu)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(fù)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(tài)，在支架最遠端正向施加載荷，直至支架局部或整體發(fā)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(cè)向承載能力試驗：電纜支架呈正常安裝狀態(tài)，在支架最遠端側(cè)向施加載荷，直至支架局部或整體發(fā)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(huán)測試：電纜支架交替置于-20℃和80℃的環(huán)境中，歷時5天，試驗之后重復(fù)試驗上述2個試驗。

試驗結(jié)果匯總見表3、表4，綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟兩方面，對比可見復(fù)合材料電纜支架性能優(yōu)于金屬材料電纜支架。在上述3種復(fù)合材料電纜支架中，SMC材料的性能較優(yōu)。

圖2 電纜支架外形圖

表3 常規(guī)試驗

表4 耐高低溫循環(huán)試驗

5 結(jié)語

在滿足電纜敷設(shè)要求下，配置電纜支架需堅持結(jié)構(gòu)合理，費用經(jīng)濟、外形美觀的設(shè)計理念。從技術(shù)和經(jīng)濟兩方面比較分析，得出復(fù)合材料電纜支架性能更優(yōu)的結(jié)論。復(fù)合材料電纜支架技術(shù)先進、外表光潔，機械比強度和比模量大，耐腐蝕、絕緣性能優(yōu)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(qū)、腐蝕性環(huán)境場所以及工藝質(zhì)量外觀要求較高的智能變電站工程應(yīng)用，其良好的工藝外觀以及安裝便利性為提高電纜敷設(shè)工藝質(zhì)量提供了保證。

[1]GB 50217-2007電力工程電纜設(shè)計規(guī)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(shè)計[M].北京：中國電力出版社，2010.

[3]張樹華，顧鈞揚.復(fù)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(fù)合材料電力電纜支架技術(shù)性能研究[J].供用電，2011（2）：61-64.

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