复合材料杆塔的设计研究

摘要：近年来，输电线路的不断建设，为国民经济的发展做出了重要贡献，但同时矛盾也不断显现。传统的钢制铁塔，其高度、宽度随电压等级的提高而不断增加，耗费大量土地资源、提高拆迁费用、增加电能损耗；且在应对灾害性天气时，钢制铁塔笨重不利于事故抢修。在国家电网公司对电网项目的“两型三新”要求下，该文通过工程实践对复合材料杆塔的设计进行了一定的研究和探讨，为今后线路杆塔从横担至塔身逐步复合化起到了“抛砖引玉”的作用。

关键词：输电线路 杆塔 复合材料

0引言

目前，作为我国电力大动脉的输电线路基本上都是沿用传统铁塔配合钢制横担悬挂绝缘子串的方式运行。随着电力工业的发展，输电线路的电压等级不断提高，为满足绝缘需求，传统横担必须配置很长的绝缘子串。在恶劣天气下，经常出线风偏闪络、雷电闪络、覆冰闪络、污秽闪络等事故，严重威胁电网的安全运行。同时由于串长增加、横担加长，导致杆塔高度、宽度也增加，不断提高拆迁费用，且耗费大量土地资源。此外，传统杆塔均为导电材料，由高压产生的电感应及对地短路等问题，使大量电能消耗损失。

为降低输电线路工程投资成本、节约土地资源，以及为消除多种闪络对电网安全运行造成的影响、最大程度减少电能损耗，国家电网公司高瞻远瞩，适时提出了研究复合材料杆塔的科学方案，以使其能尽早进入实际应用阶段。

为确保复合材料杆塔应用研究工作的顺利开展，根据国家电网公司关于开展复合材料杆塔应用研究工作的相关要求和江苏省电力公司“复合材料杆塔应用研究工作启动会议”精神，拟定选取连云港“220kV茅蔷线（7＃-17＃）改造”工程作为本次复合材料杆塔试点工程。该项目设计由江苏省电力设计院和连云港电力设计院共同研究完成，复合杆塔的生产由常熟铁塔厂和南通神马电力两公司分别完成。

通过该试点工程的实施，近期实现导线横担采用复合材料的目标，远期通过进一步研究，以实现完全采用复合材料制造杆塔的目标。

1 工程概况

本次选取的工程为220kV茅蔷2W15线（7＃-17＃）改造工程。原线路建设于1985年，采用混凝土电杆，导线为双分裂2×LGJQ-300/25型轻型钢芯铝绞线，地线为两根GJ-50型镀锌钢绞线，单回架设。该线路至今已运行20余年，混凝土电杆横向裂纹严重。根据任务书及初步设计审查意见，本次改造仍采用原导线，更换原地线，且对改造范围内的杆塔（含基础）和绝缘子、金具等进行更换，改造部分全部采用双回自立塔（单侧挂线）。

本次对220kV茅蔷2W15线7＃-17＃段沿原路径通道进行改造，本工程采用传统角钢塔共8基，采用复合材料杆塔2基（直线），线路路径长约3.08km；将原7＃-17＃段的两根GJ-50地线分别更换为24芯OPGW145光纤复合架空地线和JLB40-150分流地线。

本线路改造段均位于沿海城市连云港市西郊，沿线地区为平原,地势较平坦,地面高程一般在2.7-3.8米（1985国家高程基准），全线水、旱两用田约占85%,河网约占5%,其余占10%,沿线地区地表以下约1m范围内为耕植土,耕植土以下为约8米深的海淤泥，淤泥以下为可塑粘土，地下水埋深约1m。沿线设计基本地震动加速度值为0.10g，抗震设防烈度为7度。

2 复合杆塔设计情况

2.1 杆塔规划

参照常熟铁塔厂和南通神马电力两公司的绝缘横担制造工艺，本次规划设计2种杆型，设计条件如下：

表1 塔型规划条件一览表

该杆塔主杆及地线横担均采用传统钢制型式，导线横担采用新型复合材料（玻璃纤维增强树脂和硅橡胶等复合材料）制造。

2.2 气象条件

气象条件根据江苏省电力公司标准化设计及本线路所在地区的设计情况综合后选取，如下：

表2 输电线路设计气象条件

注：基本风速对地高度10m。冰密度0.9g/cm3.

2.3 导、地线条件

导线采用2×LGJ-400/35双分裂钢芯铝绞线，地线采用两根JLB40-150铝包钢绞线，杆塔荷载计算时导、地线的设计安全系数分别取6和6.8。

表3 导、地线型号及张力

表4 使用条件

表5 导、地线主要技术参数表

2.4 荷载情况

断线张力或双分裂导线的纵向不平衡张力（最大使用张力的百分数）：直线塔双分裂导线为25%，地线为100%。

除一般正常运行、断线、覆冰和安装工况外，明确以下组合：

直线塔可作锚线塔；

地线按两倍起吊荷载计算，导线按1.5倍起吊荷载计算；

双回路塔导线考虑一侧架线，另一侧不架线的工况，故双回路塔地线需一次架设完成。

表6 导线横担挂点荷载

X: 水平方向，即沿横担方向

Y：顺线路方向，即垂直横担方向

Z：垂直横担向下方向

2.5 塔头布置

220kV双地线双回路塔采用三层横担鼓形布置方式，每个回路的导线垂直排列。

水平偏移：根据《110～750kV架空输电线路设计规范》（国标报批稿），220kV线路在设计冰厚10mm地区上下层相临导线间或地线与相邻导线间的水平偏移为1.0m，设计冰厚5mm地区可根据运行经验较设计冰厚10mm地区适当减少，本次设计取0.5m。

导、地线配合：在气温15℃、无风工况下，档距中央导、地线之间距离S满足S≥0.012L（档距，m）＋1。

上、下导线横担长度3米，中相导线横担长度3.5米，地线横担长度3.5米。

上、中导线横担及中、下导线横担垂直间距5.5米，上导线横担与地线横担垂直间距2.5米。

塔头布置见图1。

2.6 间隙圆

绘制直线塔间隙圆图原则如下：

绘制间隙圆图时，绝缘子串长度按子导线垂直排列设计，不同塔型对应不同的悬垂绝缘子串长，具体串长见有关间隙圆图。采用重量较轻的合成绝缘子计算各工况下的摇摆角，分别按上、中、下导线和第一带电金具检查塔头的电气间隙。

悬垂串进行风偏计算时，根据《110～750kV架空输电线路设计规范》（国标报批稿），风压不均匀系数α随水平档距变化取值见表7。

表7 风压不均匀系数α随水平档距变化取值

绘制间隙圆时，按直线塔规划水平档距的80%取α值。

计算导线风偏角时，按不同塔型所选取的风压档距为基准分别计算上、中及下相的风压高度系数。

间隙圆图见图1。

图1塔头布置及间隙圆

2.7 联塔金具

直线塔导线横担按单挂点设计，联塔金具采用U-10型挂环，如图2。

2.8 绝缘配置

2.8.1 配置原则

依照《110～750kV架空输电线路设计规范》（国标报批稿）进行绝缘设计，使线路能在工频电图2复合横担用悬垂金具串

压、操作过电压和雷电过电压等各种情况下安全可靠地运行。本次防污设计按e1级污秽区（爬电比距≥32mm/kV，按标称额定电压计算，爬电距离不小于7040mm）设计。

根据绝缘横担的特点，本次绝缘配置采用复合材料的绝缘横担加合成绝缘子的设计方案。

根据常熟铁塔厂的制造工艺，复合材料绝缘横担截面为圆形，导线横担最小长度为3000mm，为了满足爬距7040mm的要求，合成绝缘子的爬电距离不小于4040mm。

根据神马电力公司的制造工艺，复合材料绝缘横担截面为圆形，外包硅橡胶伞裙，导线横担最小长度为3000mm，横担的爬电距离可以达到大于3000mm的数值，为了满足爬距7040mm的要求，合成绝缘子的爬电距离可以取不小于4040mm。

2.8.2 空气间隙

根据《110～750kV架空输电线路设计规范》（国标报批稿），为提高双回路塔防雷性能，本次设计中雷电过电压间隙按下表取值，空气间隙见下表。

表8 空气间隙表

注：规程规定一般不宜因考虑带电作业而增大塔头尺寸。

表9 雷电过电压下的空气间隙值选择表

注：上表中瓷绝缘子后括号内的数值表示单片瓷绝缘子的结构高度。

2.8.3 防雷保护角

220kV双地线双回路塔地线对边导线的保护角按不大于0°设计。

3 结论

目前，作为国家电网公司“两型三新”的示范工程――连云港220kV茅蔷线改造工程已经顺利竣工投运。该线路共采用了两基复合材料横担钢管杆，分别由常熟铁塔厂和南通神马电力公司按照不同的生产工艺制造完成。该线路成为国内首条应用了绝缘复合材料的高压线路，开创了电力材料应用新的里程碑。新型杆塔横担采用玻璃纤维增强树脂和硅橡胶等复合材料，具有优秀的防污、憎水等特性，而且重量较传统钢制横担大为减轻，从而使输电线路建设达到节省投资成本、节约土地资源、减少电能损耗等目的，并使得电力抢修更加快捷。

本次仅在杆塔横担上应用了复合材料，随着该试验线路的运行，将不断接受各种气象条件的实际检验，给设计和运行维护积累宝贵的经验。未来将逐步实现整基杆塔（包括导地线横担、杆身等）全部采用复合材料制造的目标。整基杆塔复合化后，其良好的绝缘性能可以进一步节约投资成本和土地资源，消除多种闪络危害，大大提高抢修效率；而且基本消除高压产生的电感应和对地短路等问题，输送电压损失大为降低，从而大大提高输电效能。当然，在杆塔全部复合化的过程中还存在一些技术问题需要解决，诸如复合杆塔避雷线接地的问题等，有待广大电力工作者共同研究和探讨。

参考文献：

[1] 张殿生等，电力工程高压送电线路设计手册（第二版）, 2002.

[2] 110～750kV架空输电线路设计规范（国标报批稿）

[3] DL/T 5130-2001，架空送电线路钢管杆设计技术规定

[4] Q/GDW-10-J427-2009，江苏省输变电工程标准化设计图集 220kV输电线路杆塔施工图（2009年版）

作者简介：

（1979－），男，湖北，助理工程师，主要从事输电线路设计。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。