FRP在杆塔改造中的应用

张 林，李 涛，黄尊志，李荣德，张 鑫

（国网山东省电力公司泰安供电公司，山东 泰安 271000）

·班组创新·

FRP在杆塔改造中的应用

张 林，李 涛，黄尊志，李荣德，张 鑫

（国网山东省电力公司泰安供电公司，山东 泰安 271000）

近年来因110 kV汶满I、II线通道环境变化，为防止线路遭受外力破坏，需要对其进行改造。针对杆塔对地距离不足且无法加高的问题，应用FRP复合绝缘材料对20号、21号塔进行改造，将角钢塔塔头更换为复合绝缘材料，导、地线直接挂在绝缘横担上，去掉悬垂绝缘子长度，提升导线对地安全距离，改造后的杆塔能有效提高线路安全运行水平。

输电线路；FRP（纤维增强复合塑料）；复合绝缘杆塔；杆塔改造

0 引言

输电线路由于所处地理位置的环境比较复杂，并且杆塔点多、线长、面广，同时长时间暴露在野外，一方面遭受恶劣自然天气的侵袭，另一方面受人为等外力破坏，也会造成线路跳闸，在一定程度上导致线路停电事故发生概率增大。近年来，随着经济的快速增长110 kV汶满I、II线的运行环境日益恶化，输电线路走廊内的房屋、树木、道路、城镇建设、采石挖矿、施工对线路的破坏大量增加。为防止线路遭受外力破坏，应用FRP（纤维增强复合塑料）对20号、21号塔进行改造。

1 改造背景

110 kV汶满I线与110 kV汶满II线同塔架设，于2005年10月投运，已运行近10年，原通道内为农田，近年来110 kV汶满I、II线19～23号杆塔所处地段修建湿地公园及公路，造成导线对公路间距离不符合规定的7.0 m安全距离。该线路从北向南被4条500 kV线路跨越，分别为：500 kV岱泰线、500 kV郓泰Ⅱ线、500 kV上泰Ⅰ、Ⅱ线，其中500 kV郓泰线与110 kV汶满Ⅰ、Ⅱ线交跨距离最近，经实际测量，交叉点的最小距离为7.4 m（500 kV郓泰线的导线对110 kV汶满线的架空地线）。因此20号、21号铁塔没有加高的空间，如图1所示。

图1 汶满线20号铁塔

多年来国内外对应用于输电线路的FRP开展了广泛的研究，复合绝缘杆塔已在输电工程中逐步应用［1］。与常规钢质杆塔相比，复合绝缘杆塔具有重量轻、强度高、耐腐蚀、温度适应性强、电绝缘性能好、可设计性好、维护性好、环境性能好等优点，因而通过合理的设计，充分利用复合材料的性能等优点，将复合材料技术应用到输电线路改造中既经济又高效［2］。

2 方案设计

110 kV汶满I线与110 kV汶满II线同塔架设，导线型号均为LGJ-240／30，两侧地线型号均为GJ-50，塔身架设ADSS光缆，20号、21号塔为MZ-12塔型。

改造前20号、21号杆塔间架空地线对500 kV导线距离7.4 m，按照规程要求改造后此距离应不超过6 m［3］。为提高对地距离，且满足规程要求，将20号、21号塔设计为FRP复合绝缘杆塔，如图2所示。

图2 设计方案

将导线直接挂在FRP复合杆塔绝缘横担上并提升导、地线高度，主杆根开不作调整，塔头部更换FRP复合材料，横担改为复合绝缘横担。

复合绝缘横担由玻璃纤环氧树脂芯棒、硅橡胶伞裙、前端连接金具、连接法兰组成。芯棒与金具连接采用胶装工艺，芯棒与伞裙采用整体一次成型注压工艺。芯棒机械强度高、抗张抗弯，强度比普通钢材高。伞裙具有良好的憎水性能，其整体结构保证了内绝缘不受潮［4-5］。

3 设计荷载计算

杆塔型式为三联杆双回路型，水平档距Lh=140 m；垂直档距Ln=150 m；呼高h=11 m；杆高H=14.78 m。导线和地线参数如表1所示。年平均气温为5℃，气象条件定义如表2所示。

表1 导线和地线指标

表2 气象条件

3.1 导、地线最大张力和应力

导线和接地线最大张力和应力计算公式为

式中：Tmax为导线和地线最大张力；σmax为导线和地线最大应力；Ψ为可变荷载组合系数，取1.0；γO为结构重要性系数，取 1.0；γQi为荷载的分项系数，取1.4；Tp为拉断力；KC为导、地线的设计安全系数，导线KC=2.5、地线KC=3.0；系数0.7为稀有风速和覆冰气象条件时，导、地线弧垂最低点最大张力不超过拉断力的70%；S为导、地线截面面积。

由式（1）、（2）计算导、地线最大张力和应力：Tmax导= 29.05 kN；σmax导=105.25 MPa；Tmax地=13.85 kN；σmax地=279.3 MPa。

3.2 大风载荷

水平荷载和垂直荷载计算公式为

式中：WX为垂直于导线及地线方向的水平风荷载标准值；α为风压不均匀系数，取0.75；βC为风荷载调整系数，取1.0；μZ为风压高度变化系数，取0.88；μSC为导、地线的体型系数，取1.1；θ为风向与导线或地线方向之间的夹角；WO为基准风压标准值，WO=v2／16，Pa；d为导、地线直径；Lh为水平档距；n为导地线每相子导线根数，均为1；γG为导地线无冰垂直比载，取1.2。

由式（3）计算导、地线水平荷载为WX导=1.690 kN，WX地=0.858 kN。

由式（4）计算导、地线垂直荷载为G导=1.627 kN，G地=0.745 kN。

-5℃时，由式（1）、（2）计算导、地线张力和应力如下：T导=23.284 kN；σ导=84.38 MPa；T地=10.898 kN；σ地=220.21 MPa。

3.3 安装载荷

由式（3）计算导、地线水平荷载为WX导=0.188 kN，WX地=0.093 kN。

垂直荷载计算公式为

式中：GF为玻璃钢抢修钢塔附加重量，取1 960 N。

由式（5）计算导、地线垂直荷载为G导=5.214 kN，G地=2.969 kN。

-10℃时，由式（1）、（2）计算导、地线张力为T导= 25.147 kN，T地=11.887 kN。

3.4 低温载荷

由式（4）计算水平荷载为WX导=0，WX地=0。

低温垂直载荷与大风时垂直载荷相同，G导= 1.627 kN，G地=0.745 kN。

-20℃时，张力最大，由式（1）计算得：T导=Tmax导= 29.047 kN，T地=Tmax地=13.847 kN。

3.5 覆冰载荷

由式（3）计算导、地线水平荷载为WX导=0.188 kN，WX地=0.093 kN。

由式（4）计算导、地线垂直荷载为G导=3.224 kN，G地=1.715 kN。

由式 （1）计算-5℃时导、地线的张力为T导= 25.500 kN，T地=11.936 kN。

荷载图绘制如图3所示。

图3 荷载图

由荷载图计算合力，对比如表3所示。

表3 合力计算 kN

4 现场安装及效果

本工程施工难度较大，主要是在原铁塔的基础进行升高，由于绝缘横担需要与原塔对接试装，有可能出现连接问题，又因该处穿过4条500 kV线路，不光是感应电压高，拆除和安装时也极易超出安全距离。针对以上问题，提出以下措施。

1）严格遵守停电、验电、挂接地线制度，因交跨较多，应在工作地段加挂接地线。

2）分工明确，在放松导、地线和拆除原横担安装新横担时要设专人指挥，使用吊车时也要设专人随车指挥。

3）高空作业人员要使用全方位安全带。在杆塔上作业移位时不得失去安全带的保护，安全带要系在牢固的构件上。

4）使用吊车时，吊车要支点要用方木垫牢支腿。吊车吊臂伸缩时要设专人观察，对交跨导线的距离不得小于7 m。吊车司吊要有上岗证且有经验的人员担任。

图4 现场施工图

图5 改造后现场

由于维修工程只进行铁塔上端部件的更换，导、地线利用原有的维修方案采用导、地线不下落，地面体组装、使用吊车吊装铁塔，待新塔立起后，提升导、地线，如图4所示。耐张塔调整导地线弧垂，采用设置安全可靠的后备保护绳，逐相利用手扳葫芦采用松卸螺栓型耐张线夹的方式。复合横担按照图纸制造加工完成后在现场进行安装，安装时应注意：螺栓安装紧固时按照表4给出的标准值，否则会造成复合材料的变形或裂纹；在施工时如发生复合材料的变形、裂纹时应及时更换；复合材料的边沿应打磨成圆弧形，边沿和孔沿应将毛刺处理干净；螺栓应垫双垫片。

表4 常用螺栓紧固扭矩标准值 Nm

改造完成后线路如图5所示，绝缘配合方面单塔两根导线线间距离3.8 m，相邻两塔导线线间距离3.2 m，空气间隙1.4 m，大于带电作业安全距离；合成横担绝缘子泄漏比距大于2.75 cm／kV。防雷保护方面，边相保护角18°小于给定的22°；中相包络线高于绝缘子表面；导地线净空接近距离大于2.5 m。安全距离方面，110 kV汶满线20～21号塔对地距离8 m，500 kV郓泰线与110 kV汶满Ⅰ、Ⅱ线交跨交叉点的最小距离为7.5 m，符合规程要求。

5 结语

应用FRP复合绝缘材料很好地解决了110 kV汶满I、II线20号、21号杆塔对地距离不足且无法加高的问题。

在线路走廊宽度压缩了16%的前提下，杆塔雷电冲击绝缘强度为 1 494 kV，较铁塔提高了约1.14倍。

在接地电阻为20 Ω的条件下，杆塔的耐雷水平提高了94%，雷击闪络跳闸率降低了82%。

采用的防污和防雷电气结构设计，使110 kV双回线路格构式复合材料杆塔防污和防雷性能相对于同电压等级铁塔得到显著提升。

［1］张庆.输电线路复合横担杆塔及技术经济比较分析［J］.中国集体经济，2013（22）：86，92.

［2］唐应军.110 kV输电线路复合材料杆塔应用研究［J］.通讯世界，2014（21）：124-125，126.

［3］王小丽.复合绝缘横担在 220 kV架空输电线路中的应用［J］.电气应用，2013，32（1）：74-78.

［4］张冬海，张晖，张忠，等.纳米技术在高性能电力复合绝缘材料中的工程应用［J］.中国科学：化学，2013，43（6）：725-743.

［5］DL／T 741—2001 架空送电线路运行规程［S］.

Application of FRP in Tower Reconstruction

ZHANG Lin，LI Tao，HUANG Zunzhi，LI Rongde，ZHANG Xin
（State Grid Tai’an Power Supply Company，Tai’an 271000， China）

The No.20 and No.21 towers of Wenman transmission line are in need of renovation because of the change of the channel environment in recent years.For problems that the distance of towers to the ground is small and the height of towers can not be increased，FRP is used in the renovation.The angle steel tower head is replaced with FRP，the guide line and the ground line are directly link to the insulation cross arm，and the suspension insulator is removed，so the distance of the wire to ground is improved to a safe distance.The improved towers can effectively improve the safe operation of the line.

transmission line；FRP；composite pole；tower reconstruction

TM75

B

1007－9904（2017）01－0076－04

2016-06-28

张 林（1986），男 ，工程师，从事输电线路运行检修工作；

李 涛（1973），男，高级技师，从事输电线路运行检修工作。