500 kV同塔双回复合横担杆塔研究

李 健，吕健双，柯 嘉，柏晓路，张 瑚

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院，湖北 武汉 430071)

0 引言

我国110 kV以上输电线路杆塔绝大多数采用全钢制结构，随着电网建设的发展，输电线路对钢材的需求也越来越大，不仅带来了较大的资源消耗，也对生态环境产生一定的影响。复合材料具有重量轻、强度大、耐腐蚀、耐高低温及绝缘性好等特点，随着复合材料技术及其制造工艺的发展，输电线路采用复合材料杆塔已成为可能。中国钢铁工业碳排放量居制造行业之首，在“碳达峰、碳中和”的目标指引下，复合材料杆塔的应用前景进一步凸显。

复合材料杆塔可分为三类：半绝缘结构式复合杆塔(塔头为复合材料、下横担以下的部位是钢铁材料)、非格构式全复合杆塔、复合横担输电杆塔。其中110～220 kV输电线路基本上采用前两种型式，对于更高电压等级，由于荷载较大，且接地设计难度较大，因此一般采用复合横担输电杆塔。

近年来，我国先后将复合材料应用于750 kV、±800 kV、1 000 kV输电线路杆塔，但由于这些高电压等级的线路受电磁环境、绝缘配合、串长等因素的限制，采用复合横担时也不能完全发挥复合材料的绝缘特性，使塔头尺寸充分减小。

500 kV双回复合横担杆塔建议横担采用复合材料、塔身仍采用钢材，既能充分利用复合材料的绝缘特性，同时又可充分利用角钢塔身强度高、刚度大的特点。本文针对500 kV双回复合横担杆塔的技术方案开展深入研究，以期充分发挥复合材料的绝缘特性，缩减塔头尺寸，降低杆塔高度，缩减线路走廊，提高输电线路自然传输功率。

1 电气设计

1.1 复合材料横担绝缘配置

对两种规格复合横担绝缘子(参数见表1所列)在亲水性及弱憎水性下人工污秽工频电压试验，结果见表2所列。

表1 试品复合横担绝缘子结构参数

表2 复合横担绝缘子人工污秽试验结果

根据试验结果，复合横担绝缘子污耐压特性与杆径、伞伸出、爬电距离以及绝缘长度有关。参照试品参数，推荐500 kV复合横担绝缘子伞间距为72 mm，大伞、小伞伸出范围分别为66～68 mm和49～51 mm。按照爬高比3.8～3.9，推荐爬电距离和绝缘长度16 800～18 000 mm和4 300～4 700 mm。500 kV复合横担绝缘子结构参数见表3所列。

表3 500 kV复合横担绝缘子结构参数

1.2 悬垂金具串设计

采用复合横担时，由于横担为绝缘体，理论上导线和横担之间可不采用悬垂绝缘子串，但对于采用分裂导线的高电压等级输电线路来说，由于导线张力差，在杆塔设计时还需要考虑因脱冰或子导线断线时产生的纵向不平衡张力。若取消悬垂绝缘子串，会因分裂导线纵向不平衡张力较大而需增大横担、塔身的构件规格，因而考虑需采用一定长度的金具串。

以档距均匀分布的连续7档耐张段为例，计算不同串长时不平衡张力及断线张力，结果见表4所列。

GB 50545—2010《110～750 kV架空输电线路设计规范》规定：10 mm及以下冰区平丘地形双分裂以上导线悬垂塔的断线不平衡张力按照最大使用张力的20%设计；不均匀覆冰不平衡张力差按照最大使用张力的10%设计。结合表4可以看出，金具串长度取1.5 m，断线张力和不平衡张力均满足规范要求。

表4 不平衡张力及断线张力计算结果

1.3 塔头设计

对于500 kV复合材料塔，铁塔荷载较大、横担长度较长，复合横担采用“拉压双杆”结构形式，横担下平面由于受压，采用支柱绝缘子结构；横担上平面斜拉材由于受轴向拉力，采用了斜拉绝缘子串，充分利用了复合材料抗拉性能优异的特点。对于横担下平面支柱绝缘子考虑了斜向布置和水平布置两种型式，如图1所示。

图1 下横担布置方案(单位：mm)

横担下平面水平布置节点构造简单，便于施工安装，斜向布置的复合横担杆塔结构紧凑，走廊宽度可缩减0.79 m，地线支架高缩减0.2 m，因此推荐横担下平面支柱绝缘子斜向布置。

由于杆塔布置较为紧凑，相间距离较小，需对不均匀覆冰情况下导线与导线或导线与地线间的静态接近电气间隙、不同期脱冰时静态和动态接近的电气间隙进行校核。图1方案导线层间距7 m，导地线塔头挂点间距5 m，各工况电气间隙均满足要求。

2 结构设计

2.1 复合材料选择

纤维、树脂的物理性能和加工成型工艺对复合材料的力学性能影响最大。纤维是复合材料中的主要受力材料，芳纶纤维的强度和弹性模量均较高，但其不能很好地与树脂协调变形，因此不宜用于复合材料杆塔；E-玻璃纤维在工程中应用广泛，并且成本较低，因此重点考虑采用E-玻璃纤维。树脂基体的作用主要是将纤维粘接在一起形成构件，并使纤维受力均匀，环氧树脂的强度较高，延伸率好，能够很好地与玻璃纤维协同变形，因此推荐采用环氧树脂。拉挤型材中纤维主要沿轴向，且纤维含量高，有很好的受力性能。输电杆塔构件以轴向受力构件为主，主要受力方向为杆件轴向，这与拉挤型材的性能一致，因而拉挤成型工艺适用于输电杆塔结构。综上所述，推荐在复合材料塔中采用拉挤成型工艺的环氧/E-玻璃纤维型材。

2.2 构建选材计算

对于复合材料构件来说，强度较高，但其弹性模量较低。环氧/E-玻璃纤维型材理论临界长细比为35.7，远小于Q235钢的102，这类构件不会由于强度不足而破坏，而是当它受到轴向压力作用时，如给予一些侧向扰动就不能保持平衡，即丧失稳定而导致破坏。解决这一问题的最佳方式是在满足截面抗拉强度(面积)的同时，尽可能采用大惯性矩的截面型式，推荐采用圆形截面。

由于复合材料是正交各向异性材料(不同于钢材的各向同性)，目前国内普遍采用的铁塔设计程序无法进行复合材料横担设计，因此采用有限元分析软件对各工况下复合材料横担杆件的轴力进行分析。

复合材料受压构件(支柱绝缘子)破坏模式主要为稳定破坏，选材计算见表5所列。

表5 支柱绝缘子选材计算

复合材料受拉构件(斜拉绝缘子)破坏模式为强度破坏，选材计算见表6所列。

表6 斜拉绝缘子选材计算

2.3 节点设计

目前复合材料构件主要采用以下三种连接方法：1)预埋金属件接头、通过金属件接头相连；2)特殊措施打孔，再利用金属紧固件进行连接；3)螺栓连接后辅以高强度高韧性结构胶胶接。以上三种节点不适合大规模应用于输电杆塔结构中。借鉴这些连接方式的优缺点，并结合输电杆塔结构的具体特点，本文提出采用套管式节点。套管式节点生产过程为在复合材料型材成型后，利用胶结连接金属件，再通过金属件进行螺栓连接。对于角钢塔，由于塔身采用了角钢构件，横担端部的连接可以采用C形或十字形连接与塔身相连，如图2所示。

图2 套管式节点连接示意图(单位：mm)

3 技术经济分析

以国网500 kV通用设计5E1-SZ1(42 m呼高)为参照，复合材料横担杆塔的全高比传统角钢塔低8.3 m(两种杆塔结构布置及尺寸如图3所示)。根据上文，复合材料横担塔的悬垂串长为1.5 m，传统角钢塔的悬垂串长为5 m，为保证下横担导线对地距离相同，将38.5 m呼高复合材料横担杆塔与传统42 m呼高角钢塔经济性进行比较，结果见表7所列。

图3 角钢塔与复合横担杆塔示意图(单位：mm)

表7 复合材料横担杆塔和传统角钢塔的经济性比较

从本体造价来看，当复合材料横担价格为3万元/t时，与传统角钢塔相比，复合材料塔本体造价降低约9.6%，具有良好的经济效益。当复合材料横担价格高于4.5万元/t时，复合材料塔本体造价将高于角钢塔方案。

综合走廊费用分析，5E1系列常规型杆塔的SZ1型杆塔的走廊宽度为34 m，复合横担杆塔的走廊宽度为28 m。若使用常规直线塔的输电线路房屋拆迁量按200 m2/km，林木砍伐量按200棵/km考虑，房屋拆迁补偿费用按1 000元/m2，林木砍伐补偿费用按100元/棵树，则采用复合材料杆塔可使房屋拆迁和林木砍伐费用降低约3.89万元/km，将产生十分明显的经济效益和社会效益。

4 结语

本文针对500 kV双回复合横担杆塔技术方案开展了深入研究。500 kV双回复合横担杆塔建议横担采用复合材料、塔身采用钢材，横担材料选用采用拉挤成型工艺的环氧/E-玻璃纤维型材。推荐采用套管式节点，可提高承载力，便于现场组装。复合横担采用“拉压双杆”结构形式，横担下平面采用支柱绝缘子结构；横担上平面采用斜拉绝缘子串。考虑因脱冰或子导线断线时产生的纵向不平衡张力，金具串长度取1.5 m，断线张力和不平衡张力均满足规范要求。

500 kV双回复合横担杆塔在本体投资与走廊费用上相比常规角钢铁塔均有经济优势，发挥复合了材料的绝缘特性，具有良好的应用前景。