对复合材料电缆支架的应用研究

摘要：本文主要考虑利用复合材料抗腐蚀的特点， 以解决我国钢制电缆支架在沿海地区易腐蚀问题，以消除影响变电站安全运行的隐患。

关键词：复合材料；电缆支架；研究；性能指标；效益

中图分类号：TM247 文献标识码： A 文章编号：

一． 引言：

本研究项目以辽宁省的环境特点为背景，应用研究侧重于极端气温、沿海腐蚀地区及大荷载的情况，检测试验及荷载计算等依据国家标准及规程，检测试验地点为国家塑料制品监督检验中心。主要研究成果：

1. 复合材料电缆支架针对性检测试验

本项目对高分子复合材料电缆支架样品进行的针对性检测试验， 所做试验包括耐高低温试验、耐酸碱盐腐蚀度试验、荷载试验、荧光紫外线/冷凝试验及人工气候（氙灯）曝露试验、阻燃试验及绝缘性试验，各项技术参数符合工程设计的要求。

2. 复合材料电缆支架使用条件的研究

（1）工程环境温度及温度变化的影响

本项目提出对复合材料电缆支架的使用应考虑环境温度及变化对其机械强度及性能的

影响。通过产品耐高低温（人工模拟最高温度零上 70℃，最低温度零下 45℃）试验进行了

考核，试验表明，产品经受环境温度变化时，无外观及机械强度及性能的变化。产品并应经

受环境温度变化长时期考验。工程环境温度不应超出产品耐高低温试验的极端温度范围。

（2）工程使用环境及污秽程度的调研

本项目调研了辽宁省沿海地区及盐碱土质地区污秽程度分布情况， 提出污秽地区变电站工程设计应考虑钢电缆支架腐蚀及维护困难的问题，防腐蚀的重点是户外电缆沟的电缆支

架。并通过产品耐酸、碱、盐腐蚀度试验对产品耐腐蚀性进行了考核，试验表明：腐蚀度≤

0.05%。符合GB/T 2423.17《电工电子产品基本环境试验规程：盐雾试验方法》要求。

（3）工程设计对电缆支架荷载的要求

本项目提出了单个支架托臂端部承载的产品设计规定值、 施工时两水平支架托臂间允许的均布荷载值及施工维护中单个支架托臂允许的短暂上人的集中荷载值。 对工程设计具有指导意义。

根据《电力工程电缆设计规范》 （GB 50217-2007）第 6 节（电缆的支持与固定）条款6.2.4 的规定，电缆支架的强度，应满足电缆及其附件荷重和安装维护的受力要求，且应满足可能短暂上人时，计入 90kg 附加集中荷载。

按《建筑结构荷载规范》 （GB 50009-2001）3.2.5 条的规定，永久荷载的分项系数取 1.2

（由可变荷载效应控制的组合），可变荷载分项系数取1.4，结构重要性系数取1，荷载组合的设计值应小于等于支架产品的设计规定值。

支架产品的设计规定值指托臂的外端部承受的最大荷载时，托臂的挠度值≤5mm，托臂无变形、裂纹、断裂等现象。经过计算，当施工时两支架托臂允许的均布荷载为 75kg，及施工及维护中支架托臂允许的短暂上人集中荷载为 90kg 时，支架产品托臂外端部（竖直方向）承载的设计规定值应达到 171kg。

由于复合材料的特性，设计考虑托臂承载能力按最初产生永久变形时的最大荷载除以

1.5 倍安全系数，此计算原则也可作为考核指标。经过计算，支架产品托臂外端部（竖直方

向）承载的极限值应达到 191kg。

为了便于生产，无论托臂长短，托臂的断面尺寸的设计取值相同，因此，考核支架产品

托臂的外端部承受的最大荷载是合理的。当托臂缩短时，均布荷载值增大，但均布荷载增大

的可能性随托臂缩短而减小，所以托臂承载是安全的。

对变电站而言，一般情况下，66kV 及以上电缆敷设均采用单独敷设方式，本项目研究

范围为低压电缆敷设。

（4）工程设计对电缆支架阻燃性的要求

对复合材料电缆支架的阻燃性考核，主要是对产品进行氧指数值测试。工程设计对阻燃

电缆阻燃性的要求，一般为氧指数百分数≥30。而对复合材料电缆支架（立柱和托臂）的阻

燃性的要求应高于阻燃电缆，应达到该类材料的最高阻燃等级 V-0 级。V-0 级氧指数百分数≥38。选用复合材料电缆支架时，应配合考虑电缆及电缆设施的防火设计。

（5）工程中电缆支架的安装及要求

应考虑工程中电缆支架的安装条件。砖砌电缆沟不适用于膨胀螺栓固定安装方式，膨胀

螺栓固定安装方式适用于混凝土电缆沟。

二、技术性能指标

产品的主要技术性能指标见下表 1。

表 1 产品的主要技术性能指标

序号项目 单 位立柱指标托臂指标

1密度 ㎏/m31.5 1.05

2拉伸强度 MPa ≥35≥77

3弯曲强度 MPa ≥70≥130

4缺口冲击强度 kJ/㎡ ≥5.8 ≥8.9

5氧指数﹪≥42≥40

6表面电阻率Ω1.5×1015 1.0×1011

7老化后冲击强度保留率﹪90.5 98

8热变形温度℃ 71 97

9

腐30%NaOH×24h% 0.010.02

蚀30%Hcl×24h% 0.040.03

度 30%Nacl×24h % 0.010.02

10承载力

托臂与立柱组装后（托臂长500mm） ，产品托臂

外端部（竖直方向）承载的设计规定值175kg。

主要技术性能指标符合工程设计的要求，具备机械性能稳定、耐腐蚀、阻燃性、绝缘性

及耐用等特点。从影响使用寿命的材料要素分析看，其材料在电子电气、家用电器、信息产

业、办公自动化装备及车辆制造业等领域已经获得了广泛的应用。复合材料电缆支架的使用

寿命能满足变电站产品全寿命使用周期的要求。

三、技术经济效益分析

（1）消除了运行后电缆支架腐蚀的隐患

依托工程站址距海岸线约2.0公里, 依照辽宁电网污区分布图站址区域属于e级非常重

度污染区域，等值盐密大于 0.25。如果户外电缆沟采用钢制电缆支架，在使用中存在易锈

蚀、设施维护费用高及使用寿命也较短等问题，对安全运行构成了隐患。虽然目前在防锈防

腐方面采用了热镀锌等技术处理，但仍不能从根本上解决锈蚀问题，特别是钢制支架焊接点

的腐蚀问题。本项目依托工程中所有的户外电缆沟道中的电缆支架均采用复合材料电缆支

架，解决了常规钢制电缆支架在沿海腐蚀地区变电站中使用的锈蚀问题，为创新设计提供了

一个范例。

（2）方便施工，施工周期缩短

组合式复合材料电缆支架的托臂和立柱通过插入的方式进行组合，安装时，只需在电缆

沟壁用电锤打孔，然后用组合膨胀螺栓固定立柱即可，安装时，重量轻，安装方便，托臂可

根据敷设电缆的要求按层插入，方便敷设电缆，如要更换，只需拔出托臂更换即可。复合材

料的电缆支架可以免接地。

（3）节省钢材资源

依托工程中，如果户外电缆沟采用钢制电缆支架，需消耗钢材大约 30 吨；采用复合材

料电缆支架后，可以节省钢材。可以避免钢材生产加工过程中对环境的污染，可以模具化、

规模化生产，节省生产和施工的时间。符合变电站“两性一化”的建设要求。

因此，通过复合材料电缆支架的研究应用，对推动变电站工程建设节省资源、节能减排

及工业化生产施工，都有积极意义。同时，将性价比好的产品引入到工程建设中，以保证工

程安全可靠运行、维护及施工方便，具有较好的经济效益及社会效益。

（4）全寿命周期成本 LCC 计算及分析

本项目采用全寿命周期成本 LCC 工程估算法进行计算分析。

LCC 计算模型为：LCC = IC + OC + FC + DC（式中 IC 为一次投资成本；OC 为运行成本； FC 为故障引起的中断供电损失成本；DC 为报废成本）

应用全寿命周期方法分析研究，虽然复合材料初投资成本比钢质材料成本高 17.5%左

右，但全寿命周期成本 LCC 计算结果节省 6%左右。可以实现安全可靠性、可维护性、节约环保性、可实施性、与全寿命周期成本协调统一，使变电站工程在未来几十年的运营中体现更安全、更经济及更合理。

四、成果评价

课题组依据国、内外复合材料理论及应用实践的研究，确定了采用高分子复合材料设计

制造电缆支架。针对电缆支架材料的机械性能、耐腐蚀性、阻燃性、绝缘性及耐用性等进行

了检测试验，各项技术参数符合工程设计的要求。

本项目依托营口南（南海）500kV 变电站新建工程，应用了复合材料电缆支架。复合材料电缆支架抗腐蚀性强，节能环保。在沿海盐雾腐蚀和严重化工污染地区具备推广价值。

课题成果提出了单个支架托臂端部承载的产品设计规定值、 施工时两水平支架托臂间允许的均布荷载值及施工维护中单个支架托臂允许的短暂上人的集中荷载值。 对工程设计具有指导意义。

五、存在的问题及建议

（1）沿海地区的若干公里内及盐碱土质地区，变电站电缆支架设计应考虑防腐蚀问题。

复合材料电缆支架的使用是解决方案之一。 变电站电缆支架防腐蚀的重点是户外沟的电缆支架。

（2）在总结研究成果和其它领域应用经验的基础上的集成创新，在电力行业电缆敷设

设计应用中制定出详细的订货方案。

（3）认真总结电缆支架的应用特征及施工经验，根据反馈的用户意见和生产制造技术

的进步，不断更新、补充和完善复合电缆支架的应用设计。

结语：

本文研究复合材料电缆支架应用的环境条件以及工程条件， 同时研究确认复合材料的成份、制造工艺及主要技术参数，对确定材料的相关性能进行检测试验，获取试验数据及结果，并对结果谋求改进和完善，提出研究成果及应用方案。从而规范变电站设计中复合材料电缆支架的应用。

参考文献：

1. 赵宁，周承刚、 复合材料电缆支架的应用（J）《科技之忧》，2012,10

作者简介：

曹俊琳（华北电力大学工程硕士）