王 力，韓立奎，趙書龍，祝曉曉，孫海莉

（國網山東省電力公司德州供電公司，山東 德州 253008）

0 引言

隨著最近幾年電網的高速發(fā)展，架空輸電線路的架設數量呈現(xiàn)急劇增長的趨勢[1]，架空線路走廊寬度在一定程度上決定了線路路徑的選取，尤其是城市和商業(yè)化、工業(yè)化密集的村鎮(zhèn)，走廊寬度更是路徑選取的決定性因素。復合絕緣橫擔技術能夠有效地減小架空線路走廊寬度，并兼具絕緣性能好、質量輕、耐腐蝕和力學承載性能好等優(yōu)點，因此該技術近年來逐漸應用于高壓架空輸電線路中。

1 復合絕緣橫擔技術介紹

復合絕緣橫擔桿塔是將桿塔塔頭部分普通鐵橫擔更換為具有良好絕緣性能的復合絕緣橫擔的輸電桿塔。復合絕緣橫擔具有絕緣性能好、質量輕、耐腐蝕和力學承載性能好的優(yōu)點，能有效降低風偏，預防污閃[2]，理論上還可提升線路的過電壓耐受水平，減少線路跳閘事故、減小線路走廊寬度、桿塔高度和施工難度、減少桿塔運維檢修工作量[3]。

我國對于復合絕緣橫擔的研究與應用相對比較滯后，但是進展較快，多家科研單位、高校都在進行研究。2007年，武漢高壓研究院成功研制了復合絕緣塔頭和橫擔，主要用于10 kV線路的防雷擊和防污閃[4]。2017年2月，國家電網有限公司基建部在北京召開了關于復合絕緣橫擔工程應用技術研討會，研討了復合絕緣橫擔試點應用工作背景，包括復合絕緣橫擔原材料、制造工藝、設計及試驗研究、產品性能、施工及維護等方面情況，并在未來一段時期內穩(wěn)步推廣復合絕緣橫擔的應用。

2 復合絕緣橫擔可行性研究

2.1 試點工程簡介

依托國家電網有限公司復合絕緣橫擔試點工程開展復合絕緣橫擔技術研究。該試點工程位于山東省德州市高鐵新區(qū)，線路路徑長度為6.1 km，其中架空線路為5.9 km，電纜線路為0.2 km。線路導線采用JL/G1A-300/40型鋼芯鋁絞線，地線采用OP‐GW-70型復合光纜，架空線路全線采用鋼管桿。

2.2 材料工藝可行性

2.2.1 纖維選型

纖維是復合材料中的主要受力材料，根據成分不同，可以分為玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、陶瓷纖維、玄武巖纖維、聚烯烴纖維、金屬纖維以及硼纖維等。其中玻璃纖維具有出色的抗拉強度、突出的耐熱性能、優(yōu)良的電絕緣性，是理想的電絕緣材料。更重要的是玻璃纖維和樹脂基體間存在良好的界面作用力，可作為很好的增強材料。

玻璃纖維按組成、性質和用途，又可分為A-玻纖、E-玻纖、R-玻纖和S-玻纖等[5]，其中E-玻纖是一種硼硅酸鹽玻璃纖維，是目前應用最廣泛的一種玻璃纖維，具有良好的電氣絕緣性能和力學性能[6]，且價格適中，廣泛用于生產電氣絕緣材料，因此推薦采用E-玻璃纖維作為復合絕緣橫擔塔材料。

2.2.2 樹脂選型

常用的樹脂類型有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基樹脂等。國內常用代表性樹脂的性能參數如表1所示。

表1 代表性樹脂基體的性能參數Tab.1 Performance parameters of representative resin matrixes

由表1可以看出，酚醛樹脂的彎曲模量最大，價格較便宜，但其強度和延伸率較低，是典型的脆性材料，不適宜用作結構材料；環(huán)氧樹脂的拉伸強度及彎曲強度均較高[7]，延伸率達到4.0%，能很好地與E-玻璃纖維協(xié)同變形[8]，因此推薦采用環(huán)氧樹脂作為復合絕緣橫擔基體樹脂。

2.2.3 工藝可行性

復合材料型材成型工藝主要有拉擠成型、纏繞成型、模壓成型和手糊成型4種。其中纏繞成型制品除了具有常規(guī)優(yōu)點之外，還有其他成型工藝所沒有的優(yōu)點：①增強材料采用連續(xù)玻璃纖維，因此比強度較高；②避免了布紋交織點與短切纖維末端的應力集中，整體強度更穩(wěn)定；③產品結構在不同方向的強度比達到最佳，從而實現(xiàn)等強度結構；④纏繞成型工藝的機械化和自動化程度更高。

綜合考慮復合材料的力學性能、價格、產量等因素，復合絕緣橫擔最終決定采用纏繞成型的E-玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料。

2.3 電氣方案可行性

2.3.1 導地線布置

該試點工程采用典型35C08模塊的鋼管桿。下面以直線鋼管桿為例，比較普通鋼管桿橫擔設計與復合絕緣橫擔設計的塔頭布置，35C08-SZ1-15桿型塔頭布置如圖1所示。

圖1 35C08-SZ1-15桿型塔頭布置圖Fig.1 Layout of 35C08-SZ1-15 pole tower head

采用復合材料絕緣橫擔，取消懸式絕緣子串，塔頭可重新布置[9]。35 kV桿塔的線間距離按式（1）進行計算。

式（1）中：D為導線水平線間距離，m；Lk為懸垂絕緣子串長度，對于復合絕緣橫擔無絕緣子串，只考慮線夾長度，Lk=0.3 m；U為線路電壓，U=35 kV；f為導線最大弧垂，可以通過f=gl2/8σ=2.609 m計算得到，其中g為自重比載，g=3.336×10-4MPa/m；l為檔距，m；σ為導線應力，σ=54.49 MPa。

綜合以上計算，同時參考GB 50061—2010[10]中上地線對邊導線保護角的要求，復合材料絕緣橫擔的桿塔塔頭布置如圖2所示。

圖2 復合絕緣橫擔桿塔塔頭布置圖Fig.2 Layout of composite insulated cross arm tower head

2.3.2 串型選擇

由于塔身部分依然采用鋼結構，單純從滿足對塔身空氣間隙角度來講，要控制金具串長度達到最小[11]。根據金具串的設計要求，考慮到連接金具長度等相關因素，懸垂串的最小長度應在0.3 m左右。

本工程中懸垂串采用單聯(lián)單掛點金具串，如圖3所示。利用復合絕緣橫擔的絕緣特性，懸垂串不加裝絕緣子，導線可通過少量連接金具直接固定在復合絕緣橫擔上，從而使得桿塔結構緊湊、材料核減，減小走廊寬度。

2.4 結構方案可行性

2.4.1 橫擔布置優(yōu)化

連接困難、彈性模量低是復合材料兩個最大的缺點，若復合絕緣橫擔仍采用常規(guī)的桁架方案，則其節(jié)點較多，風險性較大。因此，復合絕緣橫擔應盡量減少節(jié)點數量。參考此前北玻院在國家電網有限公司關于復合材料絕緣橫擔推進會議上的設計方案，將復合絕緣橫擔設計成單支柱單斜拉桿形式，如圖4所示。

圖4 復合絕緣橫擔桿塔塔頭結構圖Fig.4 Structural drawing of composite insulated cross arm tower head

復合絕緣橫擔正面：采用一個斜拉拉桿，拉桿首端與鋼管桿連接，末端與復合橫擔末端連接?？蓪⑿崩瓧U改為僅能傳遞拉力的復合絕緣子串，進而充分利用復合材料優(yōu)良的抗拉性能[12]。通過拉桿、復合絕緣橫擔及桿身連接節(jié)點組成三角形，能克服變形，同時由于拉桿與復合橫擔共同承受導線垂直荷載，使得復合絕緣橫擔根部受力分流，有利于安全運行，且滿足設計要求。

2.4.2 桿件截面選擇

對于受拉構件，多數截面為圓形，其截面面積主要由受拉強度控制，僅需保證截面積足夠即可。對于受壓構件，由于復合材料彈性模量較低，其整體穩(wěn)定性遠不如鋼構件，其截面大小往往直接決定穩(wěn)定承載力，因此應選慣性矩盡可能大的截面形式，以提高構件的穩(wěn)定承載能力[13]。

綜合比較各類截面，相同截面積以圓形截面的慣性矩最大，其整體穩(wěn)定承載力也最高，同時考慮避免出現(xiàn)內部擊穿的可能，本工程復合橫擔桿件均選用實心圓形截面。

2.4.3 節(jié)點選擇

復合材料是一種脆性材料，其連接部位往往是其薄弱點[14]。通過對國內復合材料連接設計的廣泛調研，借鑒現(xiàn)有多種節(jié)點的連接方式，提出一種新型節(jié)點連接方式——插板式連接，如圖5所示。該連接方式是在復合材料型材成型后利用膠結連接金屬件，再通過金屬件進行螺栓連接，可有效限制構件變形，提高承載力，同時結構簡單、工藝成熟，便于現(xiàn)場組裝。

圖5 插板式連接示意圖Fig.5 Schematic diagram of plug-in plate connection

綜合考慮復合絕緣橫擔桁架布置特點，若全部采用插板式連接，會導致橫擔隨導線的擺動而前后移動。因此，支柱受壓桿件與鋼管桿采用管狀法蘭連接[15]，受拉桿件與桿身、受拉桿件與支柱桿件之間采用插板式連接。

2.5 有限元受力分析

（1）橫擔外形尺寸：長度為1.4 m、高度為1 m、受壓桿件直徑為90 mm、受拉桿件直徑為30 mm。

（2）載荷工況如表3所示。

表3 不同工況下的載荷Tab.3 Load value under different working conditions

（3）結合表3參數，構建支柱復合絕緣橫擔和拉桿有限元模型[16]，通過ANSYS有限元計算軟件計算不同工況下桿件的受力情況，比較得出桿件最大受力。由于仿真圖較多，在此僅列出受力較大的工況，如圖6所示。

圖6 不同工況下桿件的最大受力情況Fig.6 Maximum stress of member under different working conditions

通過有限元計算軟件的計算結果可知，復合絕緣橫擔拉桿的最大應力為30.4 MPa，最大拉力為20.529 kN；橫擔支柱的最大壓應力為122 MPa，最大壓力為18.606 kN，遠低于構件力學性能指標（抗拉強度不小于1 100 MPa，抗壓強度不小于450 MPa）的要求，因此該復合絕緣橫擔結構滿足力學性能要求。

2.6 應用情況

復合絕緣橫擔應用于試點工程以來，運行狀況良好，結合實際運行情況，復合絕緣橫擔具有明顯的優(yōu)點。復合絕緣橫擔無需懸垂絕緣子，金具串長度由1 080 mm縮短至300 mm，單基鋼管桿高度降低0.7 m以上，質量核減約0.8 t。由于金具串長度縮短，大幅降低風偏影響，橫擔長度也可減少，線路走廊寬度減小約1.0 m；每公里線路走廊減少伐樹約300棵，工程整體造價較原來降低約4.5%。

3 結論

（1）通過材料、電氣、結構等方面的比選，復合絕緣橫擔最終選用纏繞成型的E-玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料，采用單支柱單斜拉結構形式，節(jié)點采用管狀法蘭連接與插板式連接相結合的方式。

（2）復合絕緣橫擔相比傳統(tǒng)鐵橫擔具有明顯優(yōu)勢，可有效降低桿塔高度、節(jié)省線路走廊、降低風偏、改善污閃，具有良好的絕緣性能。

（3）本研究復合絕緣橫擔僅可應用于直線桿塔，需要進一步開展復合絕緣橫擔在耐張桿塔的應用研究，從而可以將復合絕緣橫擔全部應用于輸電線路中。