复合材料在输变电工程中的应用

王建一

（国网山西供电工程承装有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

复合材料作为一种新型环保材料，具有轻质高强、电绝缘性能好、耐腐蚀、易维护等优点，越来越为工程界所重视，正逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域。在输电杆塔结构领域，复合材料也是建造杆塔结构的理想材料之一。国内外在35 kV、110 kV、220 kV 等线路工程的单杆结构中已有了一定程度的应用，但由于单杆结构承载力较低，限制了其应用领域。对于承载力较高的格构式复合材料塔，国内外研究较少。2012 年，国网山西供电工程承装有限公司参加了国家电网公司立项开展的750 kV 复合横担的应用研究，成功地进行了真型试验、安装和使用，并取得了“四个十”的较大经济效益。

1 目的和意义

随着电网建设的发展，西电东送、南北互供、水火互济、清洁能源的使用，电网建设蓬勃发展。目前我国110 kV 以上输电线路杆塔绝大部分采用全钢制结构，存在钢材质量重、易锈蚀或开裂等缺陷，玻璃或瓷绝缘子制造污染严重，使用中易自爆破损。复合材料杆塔用于输电线路具有耐污秽、维护成本低、不易损坏、憎水性能好、减少覆冰的优点，还可以减小塔头尺寸，减少走廊宽度，具有杆塔轻便、易加工成型的特点。同时，复合材料杆塔颜色可调、无毒害、报废后可再利用，增强了线路的“环境友好性”。

通过研究750 kV 复合横担新型塔，我国在该领域具有国际领先水平，将有效提升电网安全性能，大幅削减风摆闪络、覆冰倒塔等事故损失和维护费用，大幅降低工程造价的同时节约大量的土地资源，实现低碳经济发展。

2 复合横担

2.1 形式

通过经济比较，确定复合横担采用如图1 所示的几种形式。即由单根柱式复合绝缘子或由柱式绝缘子与线路悬式复合绝缘子共用组成的架空输电线路杆塔横担。具体工程根据实际情况进行优化设计，单回路交流杆塔三相导线宜采用三角形布置。

2.2 材料

a） 复合材料：特指无碱玻璃纤维增强树脂基复合材料（俗称玻璃钢）；

b） 钢材；

c） 结构用胶；

d） 绝缘配合及金具，不宜增加悬垂绝缘子来增加爬电距离。

图1 复合横担的形式

2.3 结构

结构分为实心和管型两种，构件之间的连接采用套管式钢节点，复合横担与塔身通过法兰连接，主要受力构件不宜采用偏心连接。

3 试验

3.1 结构性能试验

a） 静载试验：主要进行杆件稳定性能、节点连接性能、横担整体结构力学性能的试验。

b） 动载：部件疲劳性能试验。

3.2 电气性能试验

a） 雷电冲击干耐受电压试验；

b） 操作冲击湿耐受电压试验；

c） 人工污秽耐受电压试验；

d） 可见电晕电压及无线电干扰试验。

4 横担结构

a） 复合横担由压管、拉管、拉索及辅材4 种不同截面形式的绝缘子和横担头组成（见图2）。

b） 复合横担采用三角结构加斜拉杆的方式构成，每个横担由多段压管成A 字型排列组成三角结构，A 字型中间为一条辅材作为连梁。每段压管通过法兰连接而成。横担头由两个钢管呈一定角度焊接而成，与压管采用法兰连接。在横担头部和中间位置分别由两条拉索、拉管作为拉杆，与塔身相连（见图3）。

图2 横担结构图

图3 复合横担示意图

c） 外绝缘伞裙与护套采用整体注射高温成型工艺，硅橡胶在高温作用下能与内绝缘管及芯棒表面有机地黏接在一起，使硅橡胶与内绝缘管成为一体，保证了界面质量。绝缘拉索端部连接采用压接工艺，保证拉伸强度，压管端部金属件采用胶装工艺，保证压管的弯压性能，对内绝缘管内部进行处理并填充聚氨酯材料，保证内绝缘性能。

d） 复合横担为上字型布置（见图4），上、下横担直径、材料相同，但长度、质量不同，横担头长度也不同（上横担头长，下横担头短）。

图4 复合横担塔塔型

5 施工方法（以750 kV 线路工程说明）

5.1 工程概况

新疆与西北主网联网750 kV 第二通道工程新疆段第4 标段，起自J13，经哈密南变电站，止于雅满苏铁路处，线路路径长度约2×44 km，铁塔共191 基。本标段7 基铁塔设计采用复合横担，复合横担在750 kV 输电线路中属首次采用，与常规铁塔横担相比，对施工技术条件要求高，需在包装、运输、组装、起吊、安装等组塔施工环节中采取一系列特殊的施工措施，以确保安全顺利地完成复合横担的安装施工任务。

5.2 基本规定

a） 施工前应依据设计文件进行施工技术设计，编写作业指导书，履行审批手续。

b） 整体吊装横担施工应该是在塔身主体完成，且螺栓紧固，达到规程规定的扭矩值，经检验确认后方可进行。

c） 复合横担元件的接收、储存、装卸、二次运输应配备必要的仓储设施、装卸和运输机具；宜放在室内，防潮、防鼠咬；如必须露天保管，应盖上防雨布；运输和搬运应在包装箱（筒） 完好的状态下进行，防止材料受损、变形，尤其不能使伞裙部位受力，防止与地面接触摩擦。

d） 不得用尖、刃、棱等刚性体碰伤硅橡胶伞裙。硅橡胶伞裙不得接触油、酸、碱类物质。

e） 接收的材料应有该批产品出厂质量检验合格证书；使用前应逐支进行外观检查，如发现伞裙受损、伞套开裂、端部密封损坏的情况不得使用。

f） 组装横担时，应有与地面隔离的措施；吊装时，吊点绳应绑扎在端部金属附件上，不得绑扎在伞裙上；与横担元件接触的绳索应用软布包裹的吊带。

g） 复合横担与塔身连接处、横担元件连接法兰及横担头等部位金属部件镀锌层不应锈蚀、脱落。

h） 均压环应安装到位，环面应与横担轴线垂直。

i） 横担安装固定牢固后，安装及运维人员能否在绝缘横担产品上行走，应依据产品说明书的相关规定确定。

j） 压杆上的护套竣工验收后方可拆除，其他横担元件上的护套组装后即可拆除。

5.3 安装工艺流程

安装工艺流程如图5 所示。

图5 复合横担施工工艺流程图

5.4 质量要求

a） 应符合设计和《110 kV～750 kV 架空输电线路施工及验收规范》（GB 50233—2014） 的要求，并按表1、表2 的项目进行检查验收。

表1 复合横担组装后检查项目及质量要求

表2 复合横担吊装后检查项目及质量要求

b） 在运输、安装过程中误被工人操作导致伞裙裙叶划伤，划伤面积不大于5 cm2或划伤长度不大于10 mm，不影响产品使用。若划伤面积或长度大于上述值，应通知厂商进行维修。

c） 螺栓的规格、等级及垫片安装符合设计图纸要求，穿向按照相关要求进行。

d） 施工完毕应检查横担水平误差、横担预拱值，其数值应满足设计要求。

e） 竣工验收后方可拆除压管上的护套。

5.5 安全及环保要求

a） 现场及起重机具的安全系数应符合《电力建设安全工作规程 第二部分：电力线路》（DL 5009.2—2013） 的规定及有关的安全规定。

b） 特种人员（起重工、指挥司索、登高人员等） 须持证上岗。

c） 施工前编制专项安全保证措施，对全员进行安全技术交底，并签字确认。

d） 进入现场的施工人员应正确佩带并使用安全防护用品。

e） 吊装所用的机具、安全用具必须检验合格后方可使用。所配工器具的型号、规格应满足相关规程要求，工作前应仔细检查工器具是否完好无损。

f） 材料的包装物应及时进行回收，保护环境。

6 复合材料在电气设备中的应用探讨

6.1 架构横梁采用复合材料

类似线路工程的复合横担，架构横梁采用复合材料制造，可省略绝缘子串，从而减小架构高度和架构间的距离，达到节省钢材和节约土地的目的。以1 000 kV 北岳站为例，1 000 kV 绝缘子串水平长度约10 m，垂直长度约12 m，500 kV绝缘子串水平长度约5 m，垂直长度约6 m，变电站南北324 m，可减小架构间距3×10+3×5=45 m，节约土地面积324×45=14 580 m2。

6.2 电气设备中的引管和套管等采用复合材料

目前，1 000 kV 主变套管等还需进口，一是价高，二是损坏后维修困难。运用复合材料来研发和制造，应是补齐我国特高压电气设备制造短板的选项之一。