摘要：随着我国国民经济的高速发展，土地需求不断增加，土地资源日益稀缺。受城乡规划及线路走廊制约，目前输电线路走廊选择日益困难，走廊清理难度不断增大。有鉴于此，试验复合横担结构代替传统的钢横担结构，不仅能够减小线路走廊宽度、降低走廊清理难度，同时还能降低塔高、节约塔材，从而取得良好的社会效益和经济效益。本文对复合横担在台风多发地区的应用开展研究，对复合横担杆塔进行技术分析，、“紧缩型”杆塔优化设计。
1、复合横担应用背景
复合材料横担是采用复合材料代替原来输电线路中使用钢材的杆塔横担，充分利用复合材料绝缘性能好、强度高、重量轻、耐腐蚀性能优异、安装方便等诸多优点，是新型复合材料在输电线路中继复合绝缘子之后的又一创新性应用。与普通输电线路杆塔相比，具有以下主要特点：一是利用复合材料横担自身的绝缘特性，可有效缩减线路的走廊宽度，节约土地资源，降低输电线路建设成本；二是利用复合材料优异的耐腐蚀性能，可以降低沿海以及重工业地区输电杆塔的腐蚀程度，延迟输电线路使用寿命，降低输电维护成本；三是利用复合材料杆塔强度高和质量轻的特点，降低输电杆塔的建设和施工难度。
鉴于复合材料横担以上诸多优点，复合材料横担在强风地区的应用不仅能在根本上解决导线风偏和沿海地区金属横担、杆塔的腐蚀问题，同时也大幅缩小输电线路的走廊需求，有效地降低线路的建设难度和成本。本文对复合横担在台风多发地区的应用开展研究，对复合横担杆塔进行技术分析，完成配套金具串设计、“紧缩型”杆塔优化设计及ANSYS荷载校验。
2、国内外研究和应用现状
国外关于复合横担、复合杆塔的研究起步较早。上世纪60年代，日本开展了关于玻璃纤维增强塑料（FRP）材料用于输电线路横担的研究，希望解决风偏所引起的闪络问题，而在实际应用中确实取得了很好的效果。美国的Sharkspeare公司研制开发的复合材料杆塔，主要安装应用在高盐雾腐蚀并经常遭受飓风的夏威夷岛上，至今为止已经服役40多年，目前仍在继续工作。美国Ebert公司于1996年在加利福尼亚南海岸230kV线路中安装了3基全复合材料双回路试验杆塔，以抵御海岸地区腐蚀自然环境的严酷考验，已运行10多年。加拿大RS公司于20世纪90年代中期开始开发和应用复合材料电杆，应用于欧美地区并制定了复合材料输电杆塔的应用标准。
图2-1 美国格构式复合材料塔 图2-2 Manchester大学研制的400kV复合横担
国外关于复合横担的研究，经历了从低电压等级到高电压等级的发展过程，充分利用了复合材料比强度高、耐老化性能好等优点，主要解决了强风地区风偏和沿海地区金属横担、杆塔的腐蚀问题，并为旧线路的改造和扩容提供了新的解决方案。
国内关于复合横担的研究起步较晚，主要是利用复合材料杆塔的电绝缘特性、防腐蚀特性及轻质高强特性，进一步节约输电走廊和土地资源，提高杆塔防腐水平及降低杆塔的运输和施工难度。
目前复合材料杆塔应用研究成果已在国内多个省市线路中得到试点应用，有浙江舟山、北京西湖、福建平潭高山110千伏送电工程；江苏茅蔷、上海练塘220千伏线路工程；湖北±500千伏荆门换流站接地极工程；新疆至西北联网二通道750千伏线路工程等，可以看出，在近年来复合材料杆塔在国内的研发和应用取得了长足的进步。
图2-5 ±500kV荆门换流站复合变电构架 图2-6 220kV茅蔷线复合横担
3. 工程设计边界条件
本研究主要依托湛江沿海地区在建的500kV同塔双回线路工程，其工程主要设计条件如下：
（1）双回路，海拔高度按小于1000m考虑，平地；
（2）导线采用4×JL1/LHA1-535/240高导电率铝合金芯铝绞线，地线采用OPGW-120-12-1-4光缆，其物理参数如表3-1、3-2。
表3-1 导、地线性能参数表
表3-2 导、地线型号及张力
（3）设计基本风速为37m/s（50年一遇，10m高）；
（4）污区选择：本工程全线按e级污区配置绝缘；
（5）杆塔选择：本工程主要选择南网500kV杆塔标准设计5G2W8模块。
（6）比较样本：为提高复合横担杆塔的运行可靠性，本次避免在荷载较大的5G2W8-ZGV3、ZGV4、ZGV5类型杆塔使用。本研究推荐以荷载较小、使用频率较高的5G2W8-ZGV2塔型样本，开展复合横担杆塔的设计。
4 . 塔头间隙设计与塔头布置方案分析
4.1 空气间隙取值
1）本工程全线按e级污区考虑，复合横担绝缘子的选型，应满足线路在工频电压、操作过电压和雷电过电压等各种条件下安全可靠的运行。
（a）根据经验，500kV线路操作过电压对绝缘子选型不起控制作用。
（b）线路按e级污区配置，爬电比距最小值为43.3mm/kV（按系统最高工资相电压计算）。
复合横担塔：不悬挂绝缘子，复合横担材料为纤维增强塑料（FRP），外覆硅橡胶护套。产品最小爬电距离为550kV×43.3mm/kV÷
×1.1（设计裕度）=15125mm，
（c）根据《广东电网输电线路悬式绝缘子选型导则》（2016版），为满足防雷要求，复合横担绝缘子的干弧距离不宜小于4340mm，爬电系数C.F.（爬电距离与电弧距离的比值）应不大于3.5。
结合复合横担塔的塔头间隙设计成果以及厂家设计资料，为满足防污、防雷的要求，复合横担的最小干弧距离为4600mm。
2）空气间隙
在相应风偏条件下，带电部分与杆塔不绝缘构件的最小间隙，应满足表4-1的数值。
表4-1 500kV双回路带电部分与杆塔不绝缘构件的最小间隙
4.2 塔头间隙及杆塔使用条件
（1）复合横担塔使用条件
本工程复合横担塔的试用主要目的是观察复合横担的运行情况，评估复合横担应用的可靠性，为未来推广应用积累运行经验。同时，由于本工程位于台风多发区的雷州半岛，为保障线路在遭受台风灾害后能快速恢复，因此建议此次5G2W8-2F2复合横担杆塔的使用条件及主材、基础设计与5G2W8-ZGV2杆塔保持一致，在复合横担塔头遭受破坏或存在安全隐患情况下能立即更换为常规塔头恢复送电。其使用条件详见下表。
表4-2 5G2W8-ZGV2塔设计条件
（2）悬垂串长度选择
由于取消绝缘子部分，复合横担塔的悬垂串长度L推荐采用2m～2.5m。
（3）导地线布置
根据《110kV～750kV架空输电线路设计规范》（GB 50545-2010）要求，导线最小垂直线间距离为10m，满足相关规程规范要求。
4.3 复合横担杆塔塔头形式选择
根据目前国内复合横担杆塔研究成果，复合横担塔头设计主要有“常规型”和“紧缩型”方案。“常规型”设计方案其复合横担与杆塔主材直接连接，结构形式与5G2W8-ZGV2相似，在结构受力、施工难易和投资上具有一定优势。“紧缩型”设计方案由于在主材上布置纵向支架，复合横担与纵向支架相连，该方式可进一步压缩路径走廊，节约用地。
4.3.1 常规型杆塔塔头布置方案
由于复合横担两端均为金属构件，在塔头设计时，复合横担需满足立面间隙圆、复合材料最小绝缘长度B和横担端部金属构件雷电间隙R等要求，具体如下图4-1、2所示。
图4-1 “紧缩型”双回路塔塔头布置图
图4-2“常规型”杆塔塔头尺寸控制条件示意图
上图中，A1为横担端部金属件长度，A2为横担根部金属件长度。
由上图可知，复合横担直线塔的塔头尺寸必须同时符合上述三项控制条件（立面间隙圆、复合材料最小绝缘长度B和横担端部金属构件雷电间隙R），方能满足电气使用要求。低海拔无冰区和高海拔轻冰区的R、B值如下表4-3所示。
表4-3 常规型塔头尺寸表 单位：m
由上图及上表可知，常规型杆塔的横担长度由“复合材料最小绝缘长度B”控制，低海拔无冰区时两边下横担导线水平间距19m，线路走廊较大。
4..3.2 紧缩型杆塔塔头布置方案
为最大限度减少线路走廊，本次研究提出采用“紧缩型布置”，即在横担所对应的塔身处、沿线路方向设置纵向支架，以求在满足“复合材料最小绝缘长度B”的前提下、尽可能减小边导线水平间距。紧缩型上字形塔塔头如下图4-3、4和表4-4所示。
图4-3 “紧缩型”双回路塔塔头布置图
图4-4 “紧缩型”杆塔塔头尺寸控制条件示意图
表4-4 紧缩型杆塔塔头尺寸表 单位：m
从上图及上表可知，通过设置纵向支架，紧缩型杆塔的横担长度由“横担端部金属构件雷电间隙R”控制，低海拔无冰区时两边下横担导线水平间距为15.6m。
通过设置纵向支架，在满足将“复合材料最小绝缘长度B”的前提下，可将复合横担部分向线路中心紧缩1.7m左右，故紧“缩型塔”塔可减小线路走廊约3.4m。
5 小结
国外关于复合横担、复合杆塔的研究起步较早，日本、美国及加拿大等国在上世纪60年代开展复合横担的研究，并在多个工程应用，同时制定相关标准。国内研究起步较晚，但近年来复合材料杆塔在国内的研发和应用取得了长足的进步，并在110kV、220kV、±500kV、750kV不同电压等级的输电线路上进行应用。
本研究主要依托湛江沿海地区在建的500kV同塔双回线路工程，该工程导线采用4×JL1/LHA1-535/240高导电率铝合金芯铝绞线，基本风速为37m/s（10m高，50年一遇），地形以平地为主。
通过“常规型复合横担直线塔”与“紧缩型复合横担直线塔”设计与分析，“紧缩型”较“常规型”路径走廊可减小线路走廊3.4m，因此推荐采用“紧缩型复合横担直线塔”。
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作者简介：杜颖（1982—），男，硕士，高级工程师，主要从事特高压和超高压输电线路的设计和研究工作。
论文作者:杜颖
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：杆塔论文; 复合材料论文; 线路论文; 走廊论文; 间隙论文; 工程论文; 绝缘子论文; 《电力设备》2018年第19期论文;