復(fù)合材料電桿在山區(qū)配電網(wǎng)中的應(yīng)用

陳 ，高崇勝，林 曦，胡廣生，岳保良，陳海林

（1.云南電網(wǎng)公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000；2.深圳博能電力開發(fā)設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 深圳 518054）

配電網(wǎng)是電網(wǎng)末端連接用戶的終端設(shè)備，保證配電網(wǎng)的快速建設(shè)以及安全運(yùn)行一直是電力部門的重要使命，但電網(wǎng)建設(shè)尤其在山區(qū)地形復(fù)雜、高差極大的情況下，運(yùn)輸安裝檢修十分困難，需要付出大量人力物力，而山區(qū)自然條件又十分嚴(yán)峻：雷擊、霧閃、大風(fēng)、重冰的侵襲，而事故搶修恢復(fù)送電又刻不容緩，所以本研究應(yīng)用一種新材料桿塔，它質(zhì)量小、強(qiáng)度高、能上高山、能跨峽谷以適應(yīng)山區(qū)電力建設(shè)的需要，又彌補(bǔ)了傳統(tǒng)鐵塔、鋼筋混凝土電桿體型笨重、運(yùn)輸困難、塔材腐蝕、桿身裂縫、跳閘率高等問題。

1 復(fù)合材料電桿

1.1 復(fù)合材料

復(fù)合材料是基體與加強(qiáng)體按一定比例構(gòu)成的多相材料，以樹脂為基體，以玻璃纖維為增強(qiáng)體，這種密度低、強(qiáng)度高的復(fù)合材料，俗稱玻璃鋼。20 世紀(jì)60年代隨著復(fù)合材料技術(shù)進(jìn)步，多種樹脂高強(qiáng)度纖維問世，形成了多品種復(fù)合材料，由生活用品，建筑材料到航空航天領(lǐng)域都有發(fā)展［1］。國外運(yùn)用于電力行業(yè)是美國在20世紀(jì)90年代于南加利福尼亞海濱建的三基復(fù)合材料桿塔，目的是檢驗(yàn)防腐功能［2］。我國在2005年深圳供電局110kV 坑梓線上立三基復(fù)合材料直線塔，掛網(wǎng)試運(yùn)行。

本項(xiàng)目桿塔是以聚氨酯為基體，加入玻纖及助劑、以一定比例合成，是一種新品種的復(fù)合材料。

1.2 復(fù)合材料電桿

將聚氨酯、玻纖、助劑，以20%～40%，56%～78%，2%～4%配比，玻璃纖維經(jīng)浸漬、纏繞在模具上，通過機(jī)械加工、固化、脫模而成為復(fù)合材料電桿，它是電桿一族中新一代桿塔。

1.3 復(fù)合材料電桿特性

1.3.1 機(jī)械性能

復(fù)合材料與Q235鋼材的機(jī)械性能比較見表1。由表1可見，除了彈性模量外，其他性能指標(biāo)都比鋼材優(yōu)越，尤其是比強(qiáng)度（強(qiáng)度與密度的比值），比強(qiáng)度高說明在同等強(qiáng)度下，用材更節(jié)?。?］。

表1 復(fù)合材料與鋼材機(jī)械性能比較

1.3.2 密度

復(fù)合材料的密度為1.81g/cm3，而Q235鋼材為7.83g/cm3，一基復(fù)合桿塔高12m，φ190mm，質(zhì)量250kg，而同規(guī)格混凝土桿質(zhì)量1 400kg，復(fù)合材料桿比混凝土桿質(zhì)量少3/4，這個(gè)特性在工程上意義很大，航空飛機(jī)可以由于減輕自重，節(jié)省燃油，加快飛行速度；電力桿塔可以大大降低運(yùn)輸所做功，減輕工人體力勞動(dòng)，尤其在山區(qū)解決了鋼筋混凝土桿搬運(yùn)困難，給高原山區(qū)、村村通電帶來希望。

1.3.3 電氣性能

復(fù)合材料的電氣性能見表2。表2 說明：復(fù)合材料桿有很高的絕緣性，且即便雨淋、受潮還保持有一定的絕緣性，可承受較高的雷電沖擊放電電壓，降低線路雷擊跳閘率。

表2 復(fù)合材料電桿絕緣性能

1.3.4 化學(xué)性能

化學(xué)性能試驗(yàn)：把復(fù)合材料與鋼材都放入酸堿溶液中，鋼材有氣泡和氧化，而復(fù)合材料則沒有，說明復(fù)合材料抗腐蝕、耐氧化性強(qiáng)。

從以上4點(diǎn)可以看出，復(fù)合材料桿塔具備的優(yōu)點(diǎn)正是傳統(tǒng)鐵塔、鋼筋混凝土桿所缺少的。當(dāng)前傳統(tǒng)桿塔的腐蝕、生銹、混凝土脫落、鋼筋外露銹蝕都使維修工作量增加，運(yùn)行成本增高，而且近年來配電網(wǎng)的迅速發(fā)展，大導(dǎo)線、多回路，桿塔強(qiáng)度需要成倍增高的形勢(shì)下，混凝土桿已不堪重荷，研究復(fù)合材料桿是很有必要的。

2 復(fù)合電桿線路設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目選擇10kV 某微波站配電線路，所選線路地處某市的郊區(qū)，山地，海拔1 900～2 500m，屬高原山區(qū)；沿線山高谷深，高差極大，無行人通道，運(yùn)輸困難；沿線冰陵積雪嚴(yán)重，每年都有冰害事故；雷電活動(dòng)強(qiáng)烈，統(tǒng)計(jì)為90雷電日；沿線雜樹茂密，發(fā)生過多次的導(dǎo)線碰樹閃絡(luò)。

2.1 桿塔設(shè)計(jì)

復(fù)合材料電桿設(shè)計(jì)初選：桿高12 m、1/75 錐度、環(huán)形斷面拔稍桿、稍徑190 mm、根徑350 mm，與同類鋼筋混凝土桿外形等同，這是考慮與混凝土桿標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)等同桿型以便互相通用。電桿強(qiáng)度按絕緣鋼芯鋁線JKLGJ－50導(dǎo)線，檔距120m、30m/s風(fēng)速、冰厚10mm 設(shè)計(jì)，直線桿根部彎矩設(shè)計(jì)值為58 kN·m，經(jīng)試驗(yàn)大風(fēng)覆冰安裝斷線各項(xiàng)工況均滿足要求，桿塔撓度也滿足線路規(guī)程GB/T 50061—2010《66kV 及以下架空電力線路設(shè)計(jì)規(guī)范》0.5%H的要求［4］。（H是塔頂對(duì)地高度）

復(fù)合材料電桿橫擔(dān)設(shè)計(jì)為120mm×60mm×6 mm，呈薄壁矩形斷面經(jīng)拉擠而成，橫擔(dān)與主桿連接采用二個(gè)方案（見圖1）：榫卯連接、抱箍連接。試樣及整桿都經(jīng)過試驗(yàn)，強(qiáng)度合格，創(chuàng)造了全復(fù)合材料桿塔整體形式。本工程6基直線桿用2 方案，1 基直線桿用1方案為試點(diǎn)。

2.2 線路配塔

本工程線路第51至66段原有混凝土桿16基，在滿足對(duì)地距離6m，跨越樹高距2m 情況下，用復(fù)合材料電桿，利用山谷地形，桿塔檔距可放到118 m，復(fù)合材料桿只用了12基，比原線路節(jié)省4基桿塔，所以復(fù)合材料桿單基造價(jià)看似比混凝土桿高，但綜合造價(jià)比還是低的。

2.3 防雷設(shè)計(jì)

2.3.1 山區(qū)雷電活動(dòng)

原線路地處北緯25～26°間，是北回歸線經(jīng)過地帶，所以雷電活動(dòng)強(qiáng)烈［5］，因?yàn)槭^(qū)南部氣候受印度洋暖流影響，地形又被山脈阻檔，冷暖氣流交匯，特殊地理位置，每年3月至11月均有雷電，尤其以6、7、8月為甚。

圖1 復(fù)合材料橫擔(dān)結(jié)構(gòu)圖

線路在山腳下，直上山頂微波站，沿線山巒疊嶂，坡徒谷深，這種微地形，在日照下，上升氣流與山谷冷空氣相遇正是雷云活動(dòng)的通道［6］。經(jīng)雷電定位系統(tǒng)測(cè)定該地區(qū)為90雷電日。據(jù)最新研究認(rèn)為落雷密度與雷電日呈線性指數(shù)關(guān)系。線路所在地區(qū)每平方米每年落雷次數(shù)，根據(jù)GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］，地面單位面積落雷次數(shù)，Td為雷電日數(shù)，線路百公里年落雷次數(shù)Ng＝γ×Td＝7.98次/（100km·a）。桿塔是高聳建筑物，改變著雷云與大地之間的電場分布，具有引雷作用，以普通電桿高度h（這里取10m）計(jì)算線路百公里年雷擊次數(shù)：NL＝0.1Ng（28h0.6）＝92次/（100km·a），可見雷電活動(dòng)的強(qiáng)烈。

2.3.2 原混凝土桿防雷指標(biāo)

按原線路鋼筋混凝土桿幾何尺寸（尺寸單位為m），桿型見圖2。

圖2 桿型圖

hA＝9.5 m；hC＝8.6 m；電暈幾何耦合系數(shù)K0＝1.1×0.354

接地沖擊電阻R＝30 Ω；針式絕緣子P－15T；U50%＝121kV

其中，hA為A 相導(dǎo)線對(duì)地高 度，hC為C相導(dǎo) 線對(duì)地高度。

建弧率η＝（4.5E0.75－14）×10－2＝0.6

跳閘率n＝NLPη＝47.2次/（100km·a）

按該地運(yùn)行資料調(diào)查，2011～2013 三年記錄，10kV 微波站線共發(fā)生17次線路跳閘，其中13起為雷擊引起，5起是主線路雷擊跳閘，8起是分支線雷擊跳閘，雷擊跳閘率為76.5%。計(jì)算的跳閘率：47.2次/（100km·a），歸算到主線路5.31km 雷擊年次數(shù)為2.5次，與調(diào)查本線5年3次跳閘記錄基本相符，說明NL計(jì)算是可信的。

2.3.3 復(fù)合材料桿防雷指標(biāo)

本項(xiàng)目采用復(fù)合材料電桿、復(fù)合橫擔(dān)絕緣，原本可以取消絕緣子，但由于復(fù)合材料其耐電痕還低于合成絕緣子硅橡膠（耐電痕大于4級(jí)）的級(jí)別，其次還是考慮復(fù)合材料不宜處于高強(qiáng)電場中，以免在局部放電時(shí)產(chǎn)生電蝕痕，所以本項(xiàng)目直線桿還是保留了針式絕緣子。

由于線路為全復(fù)合材料桿塔，相對(duì)地絕緣強(qiáng)度很高，雷擊通道將為相間閃絡(luò)，計(jì)算雷擊點(diǎn)最大過電壓為UA。

式中：ZC為導(dǎo)線波阻，按我國標(biāo)準(zhǔn)建議取400Ω；Z0為雷電通道波阻，取為導(dǎo)線波阻一半；E0為按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定每米空氣間隙的雷電沖擊擊穿強(qiáng)度，取700kV/m。

根據(jù)UA＝U50%＝840kV 可得耐雷水平：

雷擊電流I＝8.4kA

超雷擊電流概率P＝0.802

電位梯度E＝UL/S＝8.33kV/m

式中：UL為相電壓，取10kV；S為空氣間隙距離，取1.2m。

建弧率η＝（4.5E0.75－14）×10－2＝0.06

跳閘率n＝NLpη＝4.4次/（100km·a）

由于復(fù)合材料桿對(duì)地絕緣，因此感應(yīng)雷過電壓也不會(huì)對(duì)線路造成雷擊。

2.3.4 兩種電桿雷電性能比較

兩種電桿雷電性能比較見表3。雷電沖擊電壓復(fù)合材料電桿比混凝土桿增強(qiáng)5.9倍，爬距：復(fù)合材料桿比混凝土桿增加了3.2倍，復(fù)合材料桿提高了雷電沖擊強(qiáng)度，降低了工頻電位梯度，免受污閃，大幅度降低線路雷擊跳閘率，約降低原混凝土桿線路雷擊跳閘率的91%。

表3 電桿防雷性能比較

3 復(fù)合材料電桿的施工

3.1 電桿運(yùn)輸

本項(xiàng)目山高谷深、坡陡林密，沒有道路，行走十分艱難。雖有一條簡易公路盤旋上山，但離線路路徑很遠(yuǎn)。集料站設(shè)在東山腳下，距線路有5km 路程，沿線桿位桿塔只能人力運(yùn)搬，平均運(yùn)距550 m，全程線路首尾高差250m，呈30°坡，桿塔都是由山上往山下放，正是由于復(fù)合材料電桿輕，而且桿身彈性比混凝土桿好，所以汽車裝卸運(yùn)輸，不用馬架，不用起重機(jī)械，一般4人即可抬走。將2種電桿汽車裝卸、運(yùn)輸噸公里及需用工日統(tǒng)計(jì)見表4。

復(fù)合材料桿比混凝土桿運(yùn)量僅是混凝土桿的14%，而且單桿質(zhì)量易于裝卸運(yùn)搬、技術(shù)簡單，本工程用普工12人，分兩組6h運(yùn)完，折合9個(gè)工日，計(jì)算每t·km 平地為3.41工日，混凝土桿定額（PX－1）5.95工日［8］，復(fù)合材料桿運(yùn)輸工日是其57.4%，可見效率之高。本項(xiàng)目屬初次運(yùn)輸沒有經(jīng)驗(yàn)，如果工程量再大一些，則會(huì)節(jié)省更多的運(yùn)量工日。

表4 兩種電桿運(yùn)輸量比較

3.2 電桿組立

桿塔組立：包括電桿排列、支架、立桿、扶正、拆裝臨時(shí)拉線、清理現(xiàn)場等工序工量。復(fù)合材料電桿由于比木桿還輕，所以山區(qū)立桿不需要汽車、吊車，連絞磨都可以不用。本工程因施工單位第1 次組立，普通工用8人，技術(shù)工10人（其中6人是到場觀摩學(xué)習(xí)），作業(yè)時(shí)間從10：00到19：00，12基桿一天全部組立完畢，計(jì)算用工見表5。

表5 立桿每基工日比較

從以上表中可以得出，在人力立桿組塔中，復(fù)合材料電桿是混凝土電桿所用人工中普工的31%，技工的7%，并且節(jié)省大量機(jī)械及輔助材料。

4 線路運(yùn)行維護(hù)

復(fù)合材料桿運(yùn)行及維護(hù)，原則上應(yīng)遵照地區(qū)供電局的《架空線路運(yùn)行維護(hù)規(guī)程》執(zhí)行，但復(fù)合材料桿具有防腐蝕、抗老化功能，周期巡視次數(shù)可比混凝土桿減少，建議：每季度1次，特殊巡視按需要而定。

巡視內(nèi)容當(dāng)注意桿頭電氣部分，對(duì)復(fù)合材料電桿、復(fù)合材料橫擔(dān)無維護(hù)工量，僅適當(dāng)考慮電桿附件的檢修，而原混凝土桿據(jù)該供電分局報(bào)告，每月巡視1次，每年為12次，特別巡視3次，冬季覆冰巡視6次，近3年維修工作量見表6。復(fù)合材料桿維護(hù)情況簡單可以考慮免維修，當(dāng)然實(shí)際還待運(yùn)行總結(jié)。

表6 2011～2013年10kV 微波站線維護(hù)工作量

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

復(fù)合材料電桿全壽命周期，國外資料為80年［2］，我們保守估計(jì)為45年，混凝土桿按現(xiàn)行折舊年限為15年，考慮實(shí)際運(yùn)行情況暫以25年計(jì)?；炷翖U每公里建筑安裝費(fèi)364 394 元/km，本工程復(fù)合材料桿每公里建筑安裝費(fèi)385 361 元/km（2014年價(jià)格），按全壽命周期成本計(jì)算混凝土桿每公里年建筑安裝費(fèi)為14 572元/（km·年），而復(fù)合材料桿每公里年建筑安裝費(fèi)為8 563 元/（km·年），比較見表7。

表7 復(fù)合材料桿與混凝土桿全壽命周期成本比較元/（km·年）

復(fù)合材料電桿比混凝土桿每km 全壽命周期成本要低47.4%。

6 結(jié)論

a.復(fù)合材料電桿因其質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高，所以在山區(qū)配電網(wǎng)建設(shè)中能解決運(yùn)輸困難、運(yùn)費(fèi)高的難題，本項(xiàng)目運(yùn)輸量僅為混凝土桿的14%，尤其在提高桿塔的人力裝卸運(yùn)搬效率上，粗算效率加快至少在1倍以上。

b.復(fù)合材料電桿，因其絕緣性好、自潔力強(qiáng)，用在山區(qū)配電運(yùn)行中，能解決傳統(tǒng)配電網(wǎng)線路抗雷電性能低、雷擊污閃跳閘率高的問題，本項(xiàng)目復(fù)合材料直線桿用復(fù)合材料橫擔(dān)，抗雷電沖擊放電電壓比混凝土桿高5.2倍，爬電距離增加3.2倍，大大減少桿塔雷擊跳閘率，約為原線路的90%。

c.復(fù)合材料電桿強(qiáng)度高，可以放大檔距，節(jié)省桿塔，就本項(xiàng)目而言，比原線路桿塔數(shù)量節(jié)省4基，同時(shí)也節(jié)省了基礎(chǔ)、絕緣子、金具等，所以復(fù)合材料桿不能以單基論價(jià)，其經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)在線路綜合造價(jià)上面。本項(xiàng)目線路長度短，桿塔少，兩種桿塔的造價(jià)復(fù)合材料桿稍高約5.1%，如果距離長，桿塔數(shù)量多，兩種桿塔的每公里造價(jià)基本持平。

d.復(fù)合材料電桿抗輻射、耐腐蝕，可以減少維護(hù)工量，降低檢修周期，減少運(yùn)行成本，以本項(xiàng)目而言，復(fù)合材料電桿的全壽命周期成本（元/km 年）僅僅是混凝土桿成本的47.4%，粗算等于多建一條同等線路。

e.在預(yù)算定額的對(duì)比上，本項(xiàng)目僅僅是對(duì)施工運(yùn)輸立桿實(shí)際工量作了測(cè)定與記錄，本項(xiàng)目所提供人力運(yùn)輸定額，約是混凝土桿工日的57.4%，可與木桿運(yùn)輸定額相當(dāng)，當(dāng)然這只能算是復(fù)合材料桿預(yù)算定額的一個(gè)原始數(shù)據(jù)。

f.復(fù)合材料電桿不足之處是表皮光滑、容易被尖銳鐵具石塊劃傷、彈性模量比鋼鐵低、運(yùn)行撓度比混凝土桿大。

［1］ 矯桂瓊，賈普榮.復(fù)合材料力學(xué)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2008：1－8.

［2］ 夏開全.復(fù)合材料在輸電線路桿塔中的研究與應(yīng)用［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2005，30（15）：19－23.

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［4］ GB/T 50061—2010，66kV 及以下架空電力線路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］ 楊保珍.關(guān)于云南省輸電線路采用綜合防雷裝置的歷史回顧及運(yùn)行分析［C］.送電線路防雷接地技術(shù)文集，北京：出版者不詳，2001：57－58.

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