复合材料在220 kV输电线路杆塔中的应用与设计研究

陈路，刘庆丰，邓威，徐明鸣

(中国能源建设集团湖南省电力勘测设计院，湖南 长沙 410007)

复合材料在220 kV输电线路杆塔中的应用与设计研究

陈路，刘庆丰，邓威，徐明鸣

(中国能源建设集团湖南省电力勘测设计院，湖南 长沙 410007)

复合材料具有环保、美观、轻质、高强度和耐受性好等优势。文章提出在220 kV输电线路杆塔中采用复合材料替代传统钢材的新思路，对复合材料在输电线路杆塔中应用的关键点进行分析，并对复合材料杆杆型的选择、塔头间隙设计、杆身受力和经济性进行详细的研究。

复合材料杆；电力；输电线路；杆塔

复合材料主要由玻璃纤维、生物质材料和不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基树脂以及聚氨酯树脂材料组成，通过纤维缠绕、拉挤、真空灌注等工艺使其成型。复合材料杆塔研究和应用技术代表了当今国际输电领域新材料应用的发展方向，其优势明显，具有广阔的市场应用前景。

1 复合材料的优势特性

1.1 环保、节能

复合材料由于材料和制品的加工特性，与传统铁塔相比生产所需的能耗大为降低，同时也避免了铁塔在加工过程中的镀锌工艺带来的环境污染，在输电线路中可以成为钢材的一种理想替代品。

另外，复合材料性能高、强度高、使用寿命长，节省资源和能源，可降低污染物排放。

1.2 节省走廊、降低场强影响范围

复合材料杆因其良好的绝缘性能，可降低杆塔高度，缩短横担长度，配合使用绝缘横担，可以减少甚至不用绝缘子。以220 kV输电线路为例，复合材料杆比同尺寸规格的金属杆塔节省近2 m的输电线路走廊用地，同时复合材料杆对地场强和导线表面最大场强影响范围明显减小，对减小输电线路的电能损失和无线电干扰具有积极意义。

1.3 抗腐蚀、抗老化性能好

对输电线路铁塔，一般要求进行热浸镀锌防腐蚀处理，但经过若干年的使用之后，也往往由于锌层破坏而发生锈蚀，会大大降低钢结构构件的承载能力。而复合材料具有很强的环境适应性，在基体材料中添加抗老化助剂、紫外线吸收剂等，效果显著。

1.4 安全系数高

复合材料弹性模量在25～50 GPa之间，比钢构件的弹模2.06×105N/mm2要低得多，与混凝土相近。在强风、断线、覆冰等载荷突变工况下不容易断裂。同时利用复合材料的绝缘特性，可以大大降低线路悬垂绝缘子的长度，甚至完全取消悬垂绝缘子，从而降低线路因风摆产生的闪络舞动事故风险；利用复合横担外套硅橡胶的憎水性，可有效避免污闪、湿闪事故，减少覆冰，提高线路安全运行水平。

1.5 质量轻、节省运输成本

复合材料杆比混凝土杆、钢管杆质量轻，玻纤增强环氧树脂的密度仅为钢材的1/3。在运距稍远或者规划道路尚未形成的线路段，可以大幅降低运输成本和施工人员劳动强度。

1.6 美观、环境友好

复合材料的颜色可调、造型多样，可增强线路的环境友好性。让输电线路杆塔外观更贴近自然环境，对自然环境感观和因征地、风水等问题产生的纠纷，有一定的缓解作用。

2 复合材料杆杆型的选择

以城郊工程为例，城郊工程一般属于经济规划或发达地区，城市规划部门往往要求使用单杆配合城市建设，但道路已规划却尚未形成，钢管构件过重运输不便，房屋分布众多等都是客观存在的问题。

复合材料杆一般有3种组成型式，分别为:全复合型、塔头复合型、横担复合型。通过将以上3种设计方案与常规钢管杆进行初步对比，得出以下结论:

1)在相同设计条件下，复合材料杆由于其出色的绝缘性能，直线杆横担较常规钢管杆横担最大可缩短约1.9 m，转角杆可缩短1.2 m；由于悬垂绝缘子串缩短，铁塔呼高降低约1.5 m。

2)全复合材料杆主杆采用复合材料，主杆总重量较钢管杆减少20%，复合材料轻便，可有效降低杆塔运输和组装成本。

3)仅从单价上考虑，复合材料的单价高于钢材，使得复合材料杆本体成本与钢管杆基本持平，甚至略高，但结合考虑环境协调、人力、运输、安装等因素后，在城区线路其综合效益方面具有一定优势。

3 复合材料杆塔头间隙设计分析

以常用的双分裂导线220 kV输电线路为例，对直线杆和复合杆分别进行设计分析。

3.1 复合材料直线杆

复合直线杆的塔头设计，分为常规布置方案和对称布置方案2种。常规布置方案中导线横担按钢管杆三角形排列布置，中相导线挂于杆身一侧，较钢管杆横担长度减少1.9 m，最大程度上减少横担长度，节省线路走廊宽度。

对称布置方案中，上、下层导线横担左右两边等长对称，中相导线的两根子导线分挂在上横担两侧。与钢管杆相比，横担长度减少0.8 m，布置协调，受力平衡，整体感观较好。具体复合直线杆塔头型式及尺寸如图1所示。

图1 复合直线杆

3.2 复合材料转角杆

与复合直线杆的塔头设计类似，复合转角杆的塔头设计也分为常规布置方案和对称布置方案。2种方案的横担布置不同，常规布置地线支架长度不等长且只有一层导线横担；而对称布置方案是为配合直线杆对称方案设计。复合转角杆塔头型式及间隙尺寸如图2所示。

图2 复合转角杆

综上所述，2种塔头布置方式、塔头高度相同，横担长度较钢管杆均有不同程度的缩短，有效节省线路走廊。对称布置横担使全杆整体受力较优，且布置协调，整体感观好。如能够通过试验减少送电击穿距离，横担还可进一步缩短。

4 复合材料杆身受力分析

复合杆塔的正常使用由杆身应力和位移决定，杆身最大应力不得超过复合材料许用应力，正常运行工况杆身最大位移应小于等于规范允许位移(1.5%×杆高)〔3〕。

采用在输电线路分析中应用广泛应用的ANSYS软件，建立了由内层 (玻璃钢)、中层 (夹层)和外层 (玻璃钢)叠合形成的复合杆塔三维有限元实体模型。考虑复合材料的分层性及正交各向异性，选用SOLID46单元进行模拟。得到塔身位移和应力分布图，如图3所示。

图3 正常运行工况塔身位移云图

由图3可知杆身最大应力由验算覆冰工况控制(湖南地区为中冰区)，直线塔出现于横担与杆身连接处，因为相连部位接触面积小且截面突变，导致应力集中，应力值最大；转角塔出现于杆底端，因为底端弯矩大，受压侧应力最大；杆身最大位移出现在杆头位置。不同塔型杆身应力及位移量的比较见表1。

表1 不同塔杆身应力及位移量的比较

综上所述，复合杆塔主要受最大位移控制，因为复合材料拉压强度高，能轻松满足强度要求，但是复合材料侧向刚度小，水平位移大，是主要控制因素。在复合杆塔设计和研究中，需着重研究提高其侧向刚度问题。

5 经济技术比较

以下对直线、转角杆采用不同材料和不同布置进行技术经济效果比较，同时拟采用承台式基础，依据相关规范〔5〕进行测算，见表2，3。

表2 直线杆经济指标比较

表3 转角杆经济指标比较

由表1，2结果可知，采用对称布置复合材料直线杆，走廊宽度可缩小1.6 m，采用对称布置复合材料转角杆，走廊宽度可缩小2.2 m。虽然从本体材料价格上看，复合材料杆比钢管高，但是采用复合杆，减少了跨房及减少的走廊青苗补偿面积。另外，如果采用合适的外观设计，比如外贴树皮的型式，改善输电电杆外观形象，也可减少当地居民对高空输电线路建设的抵触，对顺利推进工程建设，按期完成工程进度，具有积极作用。

6 尚需开展的工作

6.1 复合材料杆塔的结构设计

复合材料在弯曲荷载作用下变形较大，特别是在覆冰情况下，杆塔过大的变形将影响输电线的电气安全距离。因此，应在复合材料设计过程中首先解决杆塔的结构刚度问题。针对复合材料本身模量较低的问题，参照现有金属杆塔、混凝土杆等成熟杆塔，开展新型高刚度结构设计关键技术研究，提高杆塔的结构刚度，达到输电线路对杆塔的刚度要求。

6.2 耐候性、高电压等级用材料体系设计

对不同电压等级、环境下所采用的树脂体系开展研究，从复合材料高电压老化机理、复合材料绝缘性能方面着手，制定复合材料结构的有效防护措施。

6.3 高刚度复合材料结构设计与制造技术

复合材料的界面能否优良的结合是该项技术关键之一，良好的界面结合能有效的均匀传递应力，使产品整体受力，从而达到优良的机械性能。

6.4 高效的节点连接及整体组装技术

高效的节点连接是复合材料杆塔能否推广应用的关键技术之一，通过系统地研究复合材料的构件性能、疲劳性能、节点性能，设计高效的连接形式，并制定相应的设计规范，形成复合材料杆塔节点连接及整体组装的成套解决方案。

6.5 复合材料杆塔低成本制造技术

复合材料杆塔相对于混凝土电杆、钢管杆而言，其成本高是显而易见的，同时输电线路的覆盖面之广，大量应用高成本的玻璃钢是不现实的，因此复合材料杆塔的结构与材料优化设计、低成本化快速制造技术成为复合材料杆塔应用的关键。

6.6 复合材料杆塔防雷技术研究

复合材料杆塔的巨大优势就是大大增加了导线相地之间的绝缘距离，对于雷电活动频繁的地区或者电压等级较高需要全线架设避雷线的线路来说，如果将位于杆塔顶端的避雷线接地，相当于将绝缘杆塔断路，杆塔的绝缘优势就大打折扣，因此需要合理解决接地方案。

6.7 复合材料输电杆塔性能评价技术

复合材料输电杆塔与传统的水泥杆、金属杆塔不同，属于全新的材料领域，通过示范工程的复合材料杆塔进行全尺寸真型试验，验证其结构性能和安全可靠性，为复合材料杆塔的工程应用提供实证依据。同时，制定和完善复合材料输电杆塔设计、制造、性能评价、安装、运行等一系列相关技术导则，为其长期健康发展提供支撑。

7 结论

复合材料具有环保、美观、轻质、高强度、耐受性好等独特的材料性能。结合复合材料的材料性质，通过把握复合材料在输电线路中应用的主要关键点，对220 kV电力输电线路中复合材料杆杆型的选择、塔头间隙设计、杆身受力分析、经济性比较方面进行研究。可以预见，在220 kV输电线路中采用更为环保的复合材料替代传统钢材，将是输电线路与城市环境完美结合的典范，必将推动输电线路向资源节约、环境友好的方向更好的发展。

〔1〕GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空输电线路设计规范 〔S〕.北京:中国计划出版社，2010.

〔2〕DL/T 5440—2009重覆冰架空输电线路设计技术规程 〔S〕.北京:中国电力出版社，2009.

〔3〕DL/T 5154—2002架空送电线路杆塔结构设计技术规定 〔S〕.北京:中国电力出版社，2003.

〔4〕GB 50017—2003钢结构设计规范 〔S〕.北京:中国计划出版社，2003.

〔5〕DL/T 5219—2005架空送电线路基础设计技术规定 〔S〕.北京:中国电力出版社，2005.

Application and design of composite materials in 220 kV power transmission line tower

CHEN Lu，LIU Qing-feng，DENG Wei，XU Ming-ming
(China Energy Engineering Group Co.Ltd，Hunan Electric Power Design Institute，Changsha 410007，China)

Composite materials have the advantages of environmental protection，beauty，low weight，high strength and high tolerance，etc.A new method is proposed that traditional composite steel can be substituted by composite material in transmission line tower.The key points of practical application of composite materials of the transmission line tower are analyzed，and the selection of tower type，the design analysis of tower head gap，the stress analysis of tower body and the economical efficiency are studied detailedly in this paper.

composite rods；electric power；transmission lines；tower

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.01.007

TM75

B

1008-0198(2015)01-0025-04

陈路(1982)，男，瑶族，湖南怀化人，大学本科，工程师，从事电力电网线路结构设计工作。

2014-07-15 改回日期:2014-12-26