復(fù)合材料在輸變電工程中的應(yīng)用

王建一

（國網(wǎng)山西供電工程承裝有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

復(fù)合材料作為一種新型環(huán)保材料，具有輕質(zhì)高強、電絕緣性能好、耐腐蝕、易維護等優(yōu)點，越來越為工程界所重視，正逐步取代木材及金屬合金，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領(lǐng)域。在輸電桿塔結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，復(fù)合材料也是建造桿塔結(jié)構(gòu)的理想材料之一。國內(nèi)外在35 kV、110 kV、220 kV 等線路工程的單桿結(jié)構(gòu)中已有了一定程度的應(yīng)用，但由于單桿結(jié)構(gòu)承載力較低，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。對于承載力較高的格構(gòu)式復(fù)合材料塔，國內(nèi)外研究較少。2012 年，國網(wǎng)山西供電工程承裝有限公司參加了國家電網(wǎng)公司立項開展的750 kV 復(fù)合橫擔(dān)的應(yīng)用研究，成功地進行了真型試驗、安裝和使用，并取得了“四個十”的較大經(jīng)濟效益。

1 目的和意義

隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，西電東送、南北互供、水火互濟、清潔能源的使用，電網(wǎng)建設(shè)蓬勃發(fā)展。目前我國110 kV 以上輸電線路桿塔絕大部分采用全鋼制結(jié)構(gòu)，存在鋼材質(zhì)量重、易銹蝕或開裂等缺陷，玻璃或瓷絕緣子制造污染嚴重，使用中易自爆破損。復(fù)合材料桿塔用于輸電線路具有耐污穢、維護成本低、不易損壞、憎水性能好、減少覆冰的優(yōu)點，還可以減小塔頭尺寸，減少走廊寬度，具有桿塔輕便、易加工成型的特點。同時，復(fù)合材料桿塔顏色可調(diào)、無毒害、報廢后可再利用，增強了線路的“環(huán)境友好性”。

通過研究750 kV 復(fù)合橫擔(dān)新型塔，我國在該領(lǐng)域具有國際領(lǐng)先水平，將有效提升電網(wǎng)安全性能，大幅削減風(fēng)擺閃絡(luò)、覆冰倒塔等事故損失和維護費用，大幅降低工程造價的同時節(jié)約大量的土地資源，實現(xiàn)低碳經(jīng)濟發(fā)展。

2 復(fù)合橫擔(dān)

2.1 形式

通過經(jīng)濟比較，確定復(fù)合橫擔(dān)采用如圖1 所示的幾種形式。即由單根柱式復(fù)合絕緣子或由柱式絕緣子與線路懸式復(fù)合絕緣子共用組成的架空輸電線路桿塔橫擔(dān)。具體工程根據(jù)實際情況進行優(yōu)化設(shè)計，單回路交流桿塔三相導(dǎo)線宜采用三角形布置。

2.2 材料

a） 復(fù)合材料：特指無堿玻璃纖維增強樹脂基復(fù)合材料（俗稱玻璃鋼）；

b） 鋼材；

c） 結(jié)構(gòu)用膠；

d） 絕緣配合及金具，不宜增加懸垂絕緣子來增加爬電距離。

圖1 復(fù)合橫擔(dān)的形式

2.3 結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)分為實心和管型兩種，構(gòu)件之間的連接采用套管式鋼節(jié)點，復(fù)合橫擔(dān)與塔身通過法蘭連接，主要受力構(gòu)件不宜采用偏心連接。

3 試驗

3.1 結(jié)構(gòu)性能試驗

a） 靜載試驗：主要進行桿件穩(wěn)定性能、節(jié)點連接性能、橫擔(dān)整體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的試驗。

b） 動載：部件疲勞性能試驗。

3.2 電氣性能試驗

a） 雷電沖擊干耐受電壓試驗；

b） 操作沖擊濕耐受電壓試驗；

c） 人工污穢耐受電壓試驗；

d） 可見電暈電壓及無線電干擾試驗。

4 橫擔(dān)結(jié)構(gòu)

a） 復(fù)合橫擔(dān)由壓管、拉管、拉索及輔材4 種不同截面形式的絕緣子和橫擔(dān)頭組成（見圖2）。

b） 復(fù)合橫擔(dān)采用三角結(jié)構(gòu)加斜拉桿的方式構(gòu)成，每個橫擔(dān)由多段壓管成A 字型排列組成三角結(jié)構(gòu)，A 字型中間為一條輔材作為連梁。每段壓管通過法蘭連接而成。橫擔(dān)頭由兩個鋼管呈一定角度焊接而成，與壓管采用法蘭連接。在橫擔(dān)頭部和中間位置分別由兩條拉索、拉管作為拉桿，與塔身相連（見圖3）。

圖2 橫擔(dān)結(jié)構(gòu)圖

圖3 復(fù)合橫擔(dān)示意圖

c） 外絕緣傘裙與護套采用整體注射高溫成型工藝，硅橡膠在高溫作用下能與內(nèi)絕緣管及芯棒表面有機地黏接在一起，使硅橡膠與內(nèi)絕緣管成為一體，保證了界面質(zhì)量。絕緣拉索端部連接采用壓接工藝，保證拉伸強度，壓管端部金屬件采用膠裝工藝，保證壓管的彎壓性能，對內(nèi)絕緣管內(nèi)部進行處理并填充聚氨酯材料，保證內(nèi)絕緣性能。

d） 復(fù)合橫擔(dān)為上字型布置（見圖4），上、下橫擔(dān)直徑、材料相同，但長度、質(zhì)量不同，橫擔(dān)頭長度也不同（上橫擔(dān)頭長，下橫擔(dān)頭短）。

圖4 復(fù)合橫擔(dān)塔塔型

5 施工方法（以750 kV 線路工程說明）

5.1 工程概況

新疆與西北主網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)750 kV 第二通道工程新疆段第4 標(biāo)段，起自J13，經(jīng)哈密南變電站，止于雅滿蘇鐵路處，線路路徑長度約2×44 km，鐵塔共191 基。本標(biāo)段7 基鐵塔設(shè)計采用復(fù)合橫擔(dān)，復(fù)合橫擔(dān)在750 kV 輸電線路中屬首次采用，與常規(guī)鐵塔橫擔(dān)相比，對施工技術(shù)條件要求高，需在包裝、運輸、組裝、起吊、安裝等組塔施工環(huán)節(jié)中采取一系列特殊的施工措施，以確保安全順利地完成復(fù)合橫擔(dān)的安裝施工任務(wù)。

5.2 基本規(guī)定

a） 施工前應(yīng)依據(jù)設(shè)計文件進行施工技術(shù)設(shè)計，編寫作業(yè)指導(dǎo)書，履行審批手續(xù)。

b） 整體吊裝橫擔(dān)施工應(yīng)該是在塔身主體完成，且螺栓緊固，達到規(guī)程規(guī)定的扭矩值，經(jīng)檢驗確認后方可進行。

c） 復(fù)合橫擔(dān)元件的接收、儲存、裝卸、二次運輸應(yīng)配備必要的倉儲設(shè)施、裝卸和運輸機具；宜放在室內(nèi)，防潮、防鼠咬；如必須露天保管，應(yīng)蓋上防雨布；運輸和搬運應(yīng)在包裝箱（筒） 完好的狀態(tài)下進行，防止材料受損、變形，尤其不能使傘裙部位受力，防止與地面接觸摩擦。

d） 不得用尖、刃、棱等剛性體碰傷硅橡膠傘裙。硅橡膠傘裙不得接觸油、酸、堿類物質(zhì)。

e） 接收的材料應(yīng)有該批產(chǎn)品出廠質(zhì)量檢驗合格證書；使用前應(yīng)逐支進行外觀檢查，如發(fā)現(xiàn)傘裙受損、傘套開裂、端部密封損壞的情況不得使用。

f） 組裝橫擔(dān)時，應(yīng)有與地面隔離的措施；吊裝時，吊點繩應(yīng)綁扎在端部金屬附件上，不得綁扎在傘裙上；與橫擔(dān)元件接觸的繩索應(yīng)用軟布包裹的吊帶。

g） 復(fù)合橫擔(dān)與塔身連接處、橫擔(dān)元件連接法蘭及橫擔(dān)頭等部位金屬部件鍍鋅層不應(yīng)銹蝕、脫落。

h） 均壓環(huán)應(yīng)安裝到位，環(huán)面應(yīng)與橫擔(dān)軸線垂直。

i） 橫擔(dān)安裝固定牢固后，安裝及運維人員能否在絕緣橫擔(dān)產(chǎn)品上行走，應(yīng)依據(jù)產(chǎn)品說明書的相關(guān)規(guī)定確定。

j） 壓桿上的護套竣工驗收后方可拆除，其他橫擔(dān)元件上的護套組裝后即可拆除。

5.3 安裝工藝流程

安裝工藝流程如圖5 所示。

圖5 復(fù)合橫擔(dān)施工工藝流程圖

5.4 質(zhì)量要求

a） 應(yīng)符合設(shè)計和《110 kV～750 kV 架空輸電線路施工及驗收規(guī)范》（GB 50233—2014） 的要求，并按表1、表2 的項目進行檢查驗收。

表1 復(fù)合橫擔(dān)組裝后檢查項目及質(zhì)量要求

表2 復(fù)合橫擔(dān)吊裝后檢查項目及質(zhì)量要求

b） 在運輸、安裝過程中誤被工人操作導(dǎo)致傘裙裙葉劃傷，劃傷面積不大于5 cm2或劃傷長度不大于10 mm，不影響產(chǎn)品使用。若劃傷面積或長度大于上述值，應(yīng)通知廠商進行維修。

c） 螺栓的規(guī)格、等級及墊片安裝符合設(shè)計圖紙要求，穿向按照相關(guān)要求進行。

d） 施工完畢應(yīng)檢查橫擔(dān)水平誤差、橫擔(dān)預(yù)拱值，其數(shù)值應(yīng)滿足設(shè)計要求。

e） 竣工驗收后方可拆除壓管上的護套。

5.5 安全及環(huán)保要求

a） 現(xiàn)場及起重機具的安全系數(shù)應(yīng)符合《電力建設(shè)安全工作規(guī)程 第二部分：電力線路》（DL 5009.2—2013） 的規(guī)定及有關(guān)的安全規(guī)定。

b） 特種人員（起重工、指揮司索、登高人員等） 須持證上崗。

c） 施工前編制專項安全保證措施，對全員進行安全技術(shù)交底，并簽字確認。

d） 進入現(xiàn)場的施工人員應(yīng)正確佩帶并使用安全防護用品。

e） 吊裝所用的機具、安全用具必須檢驗合格后方可使用。所配工器具的型號、規(guī)格應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)程要求，工作前應(yīng)仔細檢查工器具是否完好無損。

f） 材料的包裝物應(yīng)及時進行回收，保護環(huán)境。

6 復(fù)合材料在電氣設(shè)備中的應(yīng)用探討

6.1 架構(gòu)橫梁采用復(fù)合材料

類似線路工程的復(fù)合橫擔(dān)，架構(gòu)橫梁采用復(fù)合材料制造，可省略絕緣子串，從而減小架構(gòu)高度和架構(gòu)間的距離，達到節(jié)省鋼材和節(jié)約土地的目的。以1 000 kV 北岳站為例，1 000 kV 絕緣子串水平長度約10 m，垂直長度約12 m，500 kV絕緣子串水平長度約5 m，垂直長度約6 m，變電站南北324 m，可減小架構(gòu)間距3×10+3×5=45 m，節(jié)約土地面積324×45=14 580 m2。

6.2 電氣設(shè)備中的引管和套管等采用復(fù)合材料

目前，1 000 kV 主變套管等還需進口，一是價高，二是損壞后維修困難。運用復(fù)合材料來研發(fā)和制造，應(yīng)是補齊我國特高壓電氣設(shè)備制造短板的選項之一。