架空輸電線路中復合絕緣橫擔的應用分析

張華

摘? 要：復合絕緣橫擔是一種新型輸電桿塔形式，與傳統(tǒng)輸電線路相比，不再利用鋼材作為主要材料，而是利用具備高絕緣性的復合材料制作而成，此種材料還具有強度高、重量輕、耐腐蝕、易維護及可設計性強等優(yōu)點，是新型復合材料在輸電線路中的創(chuàng)新性應用。通過對復合材料橫擔的應用現(xiàn)狀及技術特性的分析，對比分析鋼材及復合材料的性能差異，遵循經(jīng)濟性、節(jié)約性原則，以開發(fā)功能完善、性能多元的輸電線路為導向，展開復合絕緣橫擔的合理設計，旨在促進其在輸電線路工程中的推廣應用，并取得良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

關鍵詞：輸電線路；新材料；復合絕緣橫擔；創(chuàng)新性；復合材料

中圖分類號：TM75? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）10-0110-04

Abstract： Composite crossarm is a new form of transmission tower， compared with the traditional transmission line， no longer use steel as the main material， but the use of high insulation composite material made of， this material also has the advantages of high strength， light weight， corrosion resistance， easy maintenance and strong designability， is a new composite material in the transmission line innovative application. Based on the analysis of the application status and technical characteristics of the composite crossarm， the performance difference between steel and composite materials is compared and analyzed. Following the principle of economy and economy， and guided by the development of transmission lines with perfect functions and multiple performance， the rational design of composite insulated crossarm is carried out to promote its application in transmission line engineering. And achieved good social and economic benefits.

Keywords： transmission line; new material; composite insulation crossarm; innovative; composite

復合絕緣橫擔是傳統(tǒng)以鋼材為原料制作的輸電線路的升級版，此種桿塔采用復合材料制作而成，具有強度高、重量輕、耐腐蝕、易維護及可設計性強等優(yōu)點，是新型復合材料在輸電線路應用中的創(chuàng)新。其結構內層為硅橡膠傘裙，外側包裹一層復合材料，淘汰了傳統(tǒng)輸電桿塔常用的懸式緣絕橫擔，導線的連接結構替換為懸垂線夾，此種結構設計模式可降低輸電走廊寬度，并能使桿塔整體高度得到有效降低。

目前對于高壓或超高壓輸電線路，其橫擔結構尺寸、荷載和構件受力均較大，若整塔采用復合材料，節(jié)點構造設計和加工受到限制。若采用復合絕緣橫擔塔（即復合絕緣橫擔和鋼結構塔身），既可利用其絕緣特性，又可利用鋼結構塔身剛度大、承載力高、節(jié)點易構造等優(yōu)點，是目前復合材料在高壓輸電線路工程中應用的一種合理方式。綜合考慮鋼材和復合材料的優(yōu)缺點，用復合絕緣橫擔替代鋼制橫擔，更能發(fā)揮復合材料的優(yōu)勢，復合絕緣橫擔已成為復合材料應用于35～1 000 kV電壓等級線路橫擔的主要結構形式。

1? 國內應用現(xiàn)狀

目前，復合絕緣材料桿塔逐步應用于我國輸電桿塔工程之中，在低壓輸電線及高壓輸電線路中均有應用。復合絕緣橫擔的類型篩選、結構設計、加工制作相關技術不斷優(yōu)化，并積累了豐富的復合絕緣橫擔質量檢測、施工應用相關經(jīng)驗，此種新型輸電桿塔的利用，降低了資源耗損量，同時也減少了災害事故發(fā)生率，滿足了輸電領域的經(jīng)濟性、安全性應用要求。截至目前，復合絕緣材料桿塔已經(jīng)在近100項工程中得到應用。

2? 技術特性分析

2.1? 典型結構

復合絕緣橫擔主要采用絕緣子橫擔或配合絕緣拉桿結構型式。有直接采用1根絕緣子橫擔結構型式，有采用1根絕緣子橫擔并架設1根斜拉式絕緣子結構型式，有2根絕緣子橫擔架設1根斜拉式絕緣子結構型式，還有2根絕緣子橫擔架設2根斜拉式絕緣子結構型式。

2.2? 機械性能

復合材料具有比強度高、比模量大、抗疲勞性能及減震性能好等優(yōu)點。復合材料多年的研究及應用經(jīng)驗表明，復合材料的機械強度可超過普通碳素鋼的強度。

復合材料成型工藝靈活，其結構和性能具有很強的可設計性。其具有多方向受力能力強的特征，并且自身韌性大、剛度高，還具備一定的可塑性，能夠以最大限度接近預期目標，滿足工程性能要求。

力學真型試驗設計參數(shù)見表1。

在滿足110、220及500 kV力學真型試驗設計參數(shù)的條件下，3個電壓等級實驗結果總結如下：

1）110 kV橫擔通過了7個工況100%設計荷載，其中0度大風工況超載至345%，橫擔未見異常。覆冰工況，橫擔位移180 mm；斷導線工況，橫擔位移240 mm。

2）220 kV橫擔通過了3個極限工況100%設計荷載，橫擔未見異常。斷導線工況，橫擔位移101 mm。

3）500 kV橫擔通過了4個極限工況100%設計荷載，其中斷導線工況超載至150%，橫擔未見異常。斷導線工況，橫擔位移54 mm。

綜上，復合材料強度滿足設計條件，但撓度較大，復合材料設計應以撓度控制為主。可通過結構設計來克服復合材料撓度大的缺點；采用三角穩(wěn)定結構能夠有效減小橫擔位移。

2.3? 防雷

在不改變塔窗結構的條件下，采用復合絕緣橫擔后，雷電沖擊絕緣間隙長度比常規(guī)鐵塔明顯增大；采用復合絕緣橫擔可以提升線路耐雷水平。表2為110、220及500 kV典型直線塔懸垂串長與復合絕緣橫擔設計長度。

表2? 復合絕緣橫擔塔與常規(guī)鐵塔對比

采用復合絕緣橫擔后，雷電沖擊絕緣間隙長度比常規(guī)鐵塔明顯增大，復合絕緣材料桿塔的繞、反擊耐雷水平相比同電壓等級普通鐵塔均有提升。同時，由于復合絕緣橫擔具有很強的可設計性，可在多雷區(qū)可根據(jù)線路實際情況增大復合絕緣橫擔長度，進一步提升耐雷水平。

綜上，復合絕緣材料桿塔與普通鐵塔相比，有著優(yōu)越的防雷性能，在桿塔其他結構不變，僅將鋼制橫擔換成復合絕緣橫擔的條件下，復合絕緣橫擔塔有著更高的耐雷水平和更低的雷擊跳閘率。

2.4? 防風偏

復合絕緣橫擔是采用拉擠實心圓棒制成，表面壓接硅橡膠傘裙，承擔全部的絕緣性能。復合絕緣橫擔的使用完全取消懸式絕緣子串，端部僅通過線夾與導線相連，在風載作用下偏移量很小，從根本上解決了掛點處風偏的問題。按照架空輸電線路設計的相關規(guī)定，在滿足帶電部分與桿塔構件的最小間隙的條件下，以220 kV為例，復合絕緣橫擔與常規(guī)鐵塔橫擔導線掛點處間隙圓對比圖如圖1所示。

復合絕緣橫擔導線掛點處為同心圓，擺動極??；常規(guī)鐵塔橫擔導線掛點處為偏心圓，有較大的擺動空間（圖2）。與常規(guī)鐵塔相比，復合絕緣橫擔塔在輸電線路防風偏方面具有明顯優(yōu)勢。

相比傳統(tǒng)鐵塔，輸電線路采用復合絕緣橫擔在大風地區(qū)可大幅度提升輸電線路的穩(wěn)定可靠性。

2.5? 防覆冰

復合絕緣橫擔采用的是水平布置形式，與常規(guī)的垂直布置形式相比，不會出現(xiàn)絕緣子縱向穿越冰凌的現(xiàn)象，此種布置形式有利于提高冰閃電壓，在覆冰情況相同時，復合絕緣橫擔所產(chǎn)生的冰閃電壓要比垂直布置的桿塔更高。由于復合絕緣橫擔材料表面性能與PRTV防污閃材料相近，在實驗室對RPTV和鋼棒2種材料進行覆冰特性試驗（表3），通過對比黏附力、覆冰量、冰凌長度和水平/垂直放置脫落時間等測試結果，確定復合絕緣橫擔較常規(guī)鐵塔防覆冰性能更有優(yōu)勢。

綜上，復合材料在防覆冰方面明顯優(yōu)于常規(guī)鐵塔材料，且由于其橫擔水平放置，進一步降低桿塔的冰閃概率。

2.6? 防污穢

復合絕緣橫擔外表面采用傘裙結構，其污穢性能與復合絕緣子污穢性能一致。由復合絕緣橫擔代替鐵塔橫擔，在塔窗結構不變的條件下，爬距明顯增大，耐污水平大幅提升。同時，復合絕緣橫擔具有很強的防污設計性。在復合絕緣橫擔絕緣結構高度不變時，可增大傘裙密度來提高爬距，從而提升耐污水平。

由于復合絕緣橫擔水平布置，因雨水沖刷，其積污量要遠低于傳統(tǒng)鐵塔中垂直布置的絕緣子，此種布置形式下污閃通道更窄，在污穢情況與垂直布置絕緣子形式一致時，所產(chǎn)生的污閃電壓將更高。另外，水平布置的橫擔下雨時不易形成垂直的導電通道，提高雨閃電壓。復合絕緣橫擔在運行中基本不需要清掃，可以保證在四級污穢區(qū)安全運行。

2.7? 經(jīng)濟性

受到復合絕緣橫擔塔結構形式的影響，輸電走廊的寬度可以有效壓縮，能夠降低工程拆遷成本，并可以減少拆遷阻礙，簡化拆遷過程，可以降低輸電線路工程施工對社會環(huán)境所造成的不利影響。與此同時，復合絕緣橫擔自身制作成本較低，能夠減少工程量指標，且在批量化生產(chǎn)模式下，成本還可進一步壓縮，利于工程造價的有效控制。

相較于傳統(tǒng)以鋼材料制成的輸電塔桿而言，復合絕緣橫擔的制作材料性能更佳，絕緣子造價更低，輸電走廊寬度也更窄且桿塔高度也更低，因此材料成本更加節(jié)約，能夠降低輸電線路的總體建設成本。不同線路中復合絕緣橫擔塔與角鋼塔主要參數(shù)對比分別見表4和表5。

表4? 110 kV單回線路復合絕緣橫擔塔與角鋼塔主要參數(shù)對比

表5? 220 kV雙回線路復合絕緣橫擔塔與角鋼塔主要參數(shù)對比

與角鋼塔相比，110 kV單回線路當中，復合絕緣橫擔的桿塔降低了3 m，輸電走廊寬度減少了1 m，同時復合絕緣橫擔塔材自重僅為7.3 t，比角鋼塔的8.4 t降低了1.1 t，但復合絕緣橫擔的本體造價增長了33.45%。

220 kV復合絕緣橫擔塔塔高降低10%，線路走廊減少10.3%，塔重減輕13%，但220 kV復合絕緣橫擔本體造價增長45.43%。

以上經(jīng)濟性分析并未考慮線路走廊拆遷費用與時間成本，在人口密集走廊緊張地區(qū)，拆遷成本甚至超過線路本體造價。因此，從綜合成本考慮，在特殊地區(qū)采用復合絕緣橫擔更有經(jīng)濟優(yōu)勢。

3? 結論

復合絕緣橫擔作為一種低碳、節(jié)能、環(huán)保，以及符合工藝美學的新型結構，代表了輸電桿塔結構的發(fā)展方向之一。在輸電線路應用復合絕緣橫擔， 能夠降低資源損耗、環(huán)境污染度較小，并能實現(xiàn)輸電線路工程中新型工藝技術及材料的合理應用，更加契合國家電網(wǎng)公司輸電線路建設的新要求，不僅能夠降低輸電線路敷設成本，后期運營成本也更低，同時還可保障輸電線路的應用功能。通過合理的設計，將復合絕緣橫擔在輸電線路工程上推廣應用，具有重要的社會意義和經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1] 徐曉彬，劉雪飛，馬國真，等.基于有限元的500 kV復合絕緣橫擔電場分布仿真分析[J].絕緣材料，2023，56（8）：94-99.

[2] 何昌林，沈帆，柯銳，等.復合絕緣橫擔在110 kV輸電線路改造工程中的應用研究[J].電瓷避雷器，2023（2）：157-163.

[3] 李培雄，夏海龍.±500 kV架空輸電線路上的復合絕緣技術[J].電子技術，2022，51（6）：204-205.

[4] 王力，韓立奎，趙書龍，等.35 kV輸電線路復合絕緣橫擔技術研究及應用[J].絕緣材料，2022，55（5）：76-80.

[5] 李俊游，周志文，侯子龍，等.復合絕緣橫擔技術在500 kV架空輸電線路上的應用[J].浙江電力，2020，39（10）：74-79.