新型超強(qiáng)度電桿在10kV配電網(wǎng)中的應(yīng)用

海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 黃 峻

隨著著社會(huì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，我國(guó)的配電線路桿塔從木質(zhì)電桿到混凝土電桿、再到鋼結(jié)構(gòu)鐵塔及鋼管桿，已經(jīng)發(fā)展了一百多年歷史，1924年我國(guó)生產(chǎn)出第1條方型實(shí)心混凝土電桿，1985年開(kāi)始使用混凝土架設(shè)配電線路，后來(lái)由于鋼筋與混凝土結(jié)合技術(shù)的發(fā)展，采用離心成型工藝制造，鋼筋混凝土錐形混凝土電線桿和等徑混凝土電線桿代替了大部分木桿，混凝土電桿堅(jiān)固耐用、耐溫差性能好、耐腐蝕性能好、、力學(xué)強(qiáng)度高、抗裂性能好，而且適用的木材逐步稀缺，混凝土電線桿外觀不僅光滑而且美觀，更便于城市美化[1]。

早期配電網(wǎng)架空線路主要是使用混凝土桿進(jìn)行架線，后續(xù)由于電網(wǎng)架設(shè)回路增加、線徑加粗、高低壓并存等減少重復(fù)線路架桿建設(shè)，開(kāi)始要求線路架桿彎矩不斷增大，而鋼管電桿和角鋼電塔在長(zhǎng)度與強(qiáng)度等方面有著很大的優(yōu)勢(shì)，并且它們的適用范圍比目前的傳統(tǒng)混凝土電桿要大的多，對(duì)傳統(tǒng)混凝土電線桿的應(yīng)用造成的沖擊比較大。因此，混凝土電線桿要發(fā)展必須要克服自身的缺點(diǎn)，提高混凝土電線桿的長(zhǎng)度和強(qiáng)度。

無(wú)機(jī)高性能纖維復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱(chēng)UCFC），采用最大堆積密度原理，由膠凝材料、級(jí)配骨料、混合纖維及增強(qiáng)劑配制而成，經(jīng)高溫養(yǎng)護(hù)后具有強(qiáng)度高、韌性好、抗沖擊好、耐久性好、體積穩(wěn)定、耐化學(xué)腐蝕、高耐磨、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，是一種力學(xué)性能介于鋼與混凝土之間的新型無(wú)機(jī)復(fù)合材料[2]。因此采用無(wú)機(jī)高性能纖維復(fù)合材料研發(fā)超強(qiáng)度電桿將產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 配電線路桿塔應(yīng)用現(xiàn)狀及輸電線路、配電線路的發(fā)展

目前，中低壓農(nóng)網(wǎng)升級(jí)改造中，中壓線路承力桿大部分采用鋼管電桿和角鐵電塔，具有基礎(chǔ)開(kāi)挖量大、基礎(chǔ)占地面積大，工程造價(jià)高等特點(diǎn)；低壓線路承力桿大部分采用鋼筋混凝土電線桿，但是存在拉線占地面積大、地形條件限制等問(wèn)題。

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，配電線路工程呈現(xiàn)出多回路、規(guī)模化、大導(dǎo)線的發(fā)展趨勢(shì)，傳統(tǒng)的普通混凝土桿達(dá)不到彎矩要求而逐步被減少，而鋼管桿和角鋼塔以較高的承載力在多回路及大導(dǎo)線的配電網(wǎng)中處于主流，因此對(duì)鋼材的需求量逐年上升，消耗大量的礦產(chǎn)資源，造成生態(tài)環(huán)境污染，并且這兩種桿塔的基礎(chǔ)均占地面積大、造價(jià)高、耐腐蝕性能較差、耐火性能較差，在沿海地區(qū)鹽類(lèi)及電化腐蝕環(huán)境中維護(hù)費(fèi)用高[3-5]。為適應(yīng)電力發(fā)展的需求，亟需開(kāi)發(fā)一種抗彎力矩等級(jí)高、耐久性好、耐腐蝕性能好、防火性能好、綜合造價(jià)低、使用壽命長(zhǎng)的新型電桿。

目前，我國(guó)逐步向超高壓、特高壓、大檔距、大線徑、多回路方向發(fā)展輸配電線路建設(shè)，常規(guī)混凝土電桿可以應(yīng)用在220kV 及以下的輸配電線路中。改革開(kāi)放前期，我國(guó)高壓輸電線路以10、35、66kV 輸電線路為主，這些等級(jí)的輸電線路對(duì)線路器材的要求相對(duì)較低，所以常規(guī)混凝土電桿可以滿(mǎn)足要求。如果線徑加粗、回路增加、增大檔距對(duì)混凝土電桿的要求就要提高，普通混凝土電桿的力學(xué)性能很難滿(mǎn)足線路安全運(yùn)行的要求。

隨著高強(qiáng)度、大彎矩新型無(wú)機(jī)復(fù)合材料電桿的出現(xiàn)、推廣及應(yīng)用，在未來(lái)相當(dāng)?shù)囊粋€(gè)時(shí)期內(nèi)，在35～220kV 架空輸電和10kV 配電線路上，以及城市電網(wǎng)建設(shè)中，混凝土電桿不但不會(huì)鋼結(jié)構(gòu)桿塔所淘汰，相反還會(huì)取代一部分鋼結(jié)構(gòu)桿塔[6]，主要原因如下：

鋼筋混凝土制品用原材料近幾年飛速發(fā)展，工藝不斷完善，選擇范圍越來(lái)越廣，開(kāi)發(fā)出高抗壓強(qiáng)度、高抗彎強(qiáng)度、高耐久性能的新型超高強(qiáng)混凝土配合比，大大提高了產(chǎn)品的耐久性和耐腐蝕性，提高產(chǎn)品的使用壽命。

隨著社會(huì)電力需求越來(lái)越大，對(duì)電網(wǎng)建設(shè)的要求越來(lái)越高，輸配電線路向大線徑、大檔距、多回路發(fā)展；由于原普通混凝土電線桿不能滿(mǎn)足10kV架空輸配電線路的設(shè)計(jì)要求，在保證線路設(shè)計(jì)的合理、安全的條件下，對(duì)混凝土電線桿性能提出更高的標(biāo)準(zhǔn)，減少采用鋼結(jié)構(gòu)塔替代而增加的投資。

隨著低碳、環(huán)保、高效、節(jié)能、降耗、資源共享等政策的提出，需要開(kāi)發(fā)能承受更大彎矩、土地占用面積較小的電線桿來(lái)取代開(kāi)裂彎距較小、土地占用面積較大、需要拉線來(lái)滿(mǎn)足線路使用的普通混凝土電線桿。

2 超強(qiáng)度電桿特點(diǎn)

UCFC 材料采用最大堆積密度原理，形成結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度，致密度高、無(wú)連通孔、提高耐久性能，并將纖維等效直徑納入U(xiǎn)CFC 材料顆粒堆積模型的研究，增強(qiáng)纖維與基體界面的粘結(jié)強(qiáng)度，采用級(jí)配組合纖維，提高結(jié)構(gòu)抗彎拉性能。超強(qiáng)度電桿采用該材料經(jīng)離心成型制備新型超強(qiáng)度電桿，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能。

2.1 力學(xué)性能

新型超強(qiáng)度電桿材料抗壓強(qiáng)度130～300MPa，為鋼材的60%左右；復(fù)合配筋抗彎強(qiáng)度80～120MPa，為鋼材的75%左右；彈性模量為45～60GPa，為鋼材的25%左右。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，新型超強(qiáng)度電桿具有完全取代鋼管桿同等結(jié)構(gòu)能力。新型超強(qiáng)度電桿材料與鋼材具體力學(xué)性能對(duì)比如表1所示。

表1 UCFC 材料與鋼材的力學(xué)性能對(duì)比

2.2 耐久性能

新型超強(qiáng)度電桿具有高的耐久性能，在極端酸堿鹽腐蝕環(huán)境下，質(zhì)量和強(qiáng)度幾乎無(wú)損失。而鋼管桿/角鋼塔在一般酸堿鹽腐蝕環(huán)境下，極易發(fā)生析氫腐蝕、吸氧腐蝕、電化學(xué)腐蝕等，其強(qiáng)度會(huì)顯著降低，新型超強(qiáng)度電桿比鋼管桿/角鋼塔具有更優(yōu)異的耐久性能。新型超強(qiáng)度電桿材料與鋼材具體耐久性能對(duì)比如表2所示。

表2 UCFC 材料與鋼材的耐久性能對(duì)比

2.3 物理性能

新型超強(qiáng)度電桿材料密重約為鋼材的30～33%；該材料絕緣性能好、耐火性能好、抗震吸波性能好，在安全防護(hù)方面比鋼材具有更優(yōu)異的物理性能。新型超強(qiáng)度電桿材料與鋼材具體物理性能對(duì)比如表3所示。

表3 CFC 材料與鋼材的物理性能對(duì)比

2.4 節(jié)能環(huán)保性能

同等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件下，新型超強(qiáng)度電桿制造過(guò)程比鋼管塔、角鋼塔減少碳排放和能耗50%以上。鋼管塔/角鋼塔大多采用鍍鋅工藝防腐，產(chǎn)生廢酸廢氣污染、土質(zhì)污染。在環(huán)保要求條件下，新型超強(qiáng)度電桿替代鋼管塔、角鋼塔，減少環(huán)境污染，具有良好的節(jié)能減排性能。同等承載力條件下新型超強(qiáng)度電桿材料與鋼材的節(jié)能、環(huán)保性能對(duì)比如表4所示。采用無(wú)機(jī)高性能纖維復(fù)合材料制備新型超強(qiáng)度電桿，在配電線路上應(yīng)用，基礎(chǔ)開(kāi)挖面積小，減少對(duì)環(huán)境破壞且施工方便，可以獲取更好的綜合性能。

表4 同等承載力條件下UCFC 材料與鋼材的節(jié)能、環(huán)保性能對(duì)比

3 新型超強(qiáng)度電桿應(yīng)用工程實(shí)例

沿海地區(qū)是被強(qiáng)臺(tái)風(fēng)頻繁侵襲地區(qū)，臺(tái)風(fēng)每年引起大量供電線路混凝土電桿斷桿、倒桿及斜桿事故，引發(fā)大面積停電，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。普通的大彎矩混凝土電線桿抗彎力矩等級(jí)較低無(wú)法滿(mǎn)足要求。目前高彎矩等級(jí)的桿主要采用鋼管桿和角鋼塔，鋼材用量大，耐久性差，在海南地區(qū)鹽類(lèi)及電化腐蝕環(huán)境中每隔5年左右需要進(jìn)行防腐蝕維護(hù)，維護(hù)費(fèi)用較高。因此，新型超強(qiáng)度電桿非常適合在沿海配電網(wǎng)架空線路工程中應(yīng)用。

2020年將新型超強(qiáng)度電桿在海南電網(wǎng)10kV 新建工程試點(diǎn)應(yīng)用，工程新建JKLYJ-10-240導(dǎo)線3.5公里，采用雙回架空，根據(jù)受力計(jì)算外荷載作用下雙回分支桿的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值362.38kN.m，外荷載作用下雙回終端桿的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值305.38kN.m，為外荷載作用下雙回轉(zhuǎn)角90°桿的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為406.55kN.m，按常規(guī)設(shè)計(jì)雙回轉(zhuǎn)角90°桿、雙回分支桿和雙回終端桿都就采用角鋼塔或鋼管桿，但在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中采用了抗彎力矩為450kN.m，12米桿高的φ350mm稍徑新型超強(qiáng)度電桿可達(dá)到鋼管桿和角鋼塔抗彎力矩，且后期不需要防腐蝕維護(hù)，減少維護(hù)成本，減少基礎(chǔ)占地面積30%以上。由此可見(jiàn)，新型超強(qiáng)度電桿取代鋼管桿/角鋼塔，在電力工程具有巨大的應(yīng)用前景。

3.1 造價(jià)對(duì)比

采用新型超強(qiáng)度電桿單基造價(jià)為5.1181萬(wàn)元，桿塔基礎(chǔ)采用灌注樁基礎(chǔ)，開(kāi)挖面積1.44m2；采用角鋼塔單基造價(jià)為9.212萬(wàn)元，桿塔基礎(chǔ)采用臺(tái)階基建，開(kāi)挖面積14.44m2、占地面積3.24m2；采用鋼管桿單基造價(jià)為6.3858萬(wàn)元。桿塔基礎(chǔ)采用灌注樁基建，開(kāi)挖面積1.96m2。上述分析，采用新型超強(qiáng)度電桿造價(jià)比鋼管桿節(jié)省1.2677萬(wàn)元，比角鋼塔造價(jià)節(jié)省4.0939萬(wàn)元，同時(shí)新型超強(qiáng)度電桿占地面積與鋼管桿節(jié)省36%，比角鋼塔節(jié)省1倍。

3.2 運(yùn)行維護(hù)對(duì)比

對(duì)桿塔同等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件下，鋼管桿/角鋼塔的設(shè)計(jì)使用壽命為30年，而新型超強(qiáng)度電桿的設(shè)計(jì)使用壽命為70年。在運(yùn)行過(guò)程中，鋼管桿、角鋼塔的防銹層或多或少會(huì)存在缺陷，尤其在電焊連接處會(huì)存在難以避免的缺陷；另外，在運(yùn)輸和安裝過(guò)程中不可避免地會(huì)破壞防銹層，加上防腐層本身在空氣中會(huì)不斷地被腐蝕，因此鋼管桿/角鋼塔需要頻繁地維護(hù)，需要大量的維護(hù)費(fèi)用。由于新型超強(qiáng)度電線桿本身耐腐蝕性能好，不需定期維護(hù)，節(jié)約大量維護(hù)費(fèi)用。

綜上，隨著我國(guó)電力需求及供應(yīng)的不斷發(fā)展，對(duì)配電線路的架設(shè)提出更高要求，開(kāi)發(fā)采用力學(xué)性能好、耐久性能好的新型超強(qiáng)度電桿，具有良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，應(yīng)用前景廣泛。其與傳統(tǒng)桿塔相比，具有優(yōu)異的性能：

新型超強(qiáng)度電桿抗彎力矩為普通混凝土電桿的2～3倍，可解決混凝土電桿因彎矩不夠?qū)е聴U開(kāi)裂問(wèn)題及減少混凝土電桿的拉線；新型超強(qiáng)度電桿可達(dá)到鋼管桿和角鋼塔抗彎力矩，具有完全取代鋼管桿和角鋼塔同等結(jié)構(gòu)能力，降低工程造價(jià)；新型超強(qiáng)度電桿具有良好的耐久性能好和耐腐蝕性能，不需要做防腐蝕處理，減少運(yùn)維費(fèi)用，提高產(chǎn)品使用壽命，大大降低全壽命周期綜合成本；新型超強(qiáng)度電桿開(kāi)挖基礎(chǔ)面積小，減小占地面積，安裝方便，提高施工效率；減少鋼材的使用，以及減少鋼材防腐工藝排放的廢酸廢氣對(duì)空氣、土壤的污染。