新型输电杆塔的设计研究

张恩铭，龚 靖，曹 帅

(东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林132012)

输电线路是将输电导线用绝缘子固定在直立地面的杆塔上，以传输电能的线路。输电杆塔作为最重要的线路承载结构，因为长期暴露于野外，面对强风，覆冰以及腐蚀老化，容易出现诸多隐患。所以，杆塔本身的材料和结构直接影响到整个线路的输电性能，同时也涉及到电力行业的经济效益和运营成本。传统杆塔如木质杆塔易腐蚀，混凝土杆塔自重高，安装较困难，开裂现象较严重，使用寿命短等缺点。

随着复合材料的技术日益成熟，一种具有高强度纤维材料复合树脂基(FRP)已经在输油管道、混凝土结构补强等多方面应用。由于材料本身轻质高强、密度不及碳素钢的四分之一，拉伸强度堪比高级合金钢。某些FRP的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400MPa以上。同时因为其耐腐蚀，适应各种酸、碱性大气气候、电气性能好、绝缘程度高等优点，比较适合作输电杆塔。本文将从有机材料特点、杆塔结构模型、运行档距调整和经济效益研究四方面对FRP输电杆进行综合分析。

1 有机材料

复合化学材料组成被分为两种，有机材料和无机材料。无机复合材料是从矿物中提取而有机复合材料是从有机体中提取的。汽油和煤储藏了大量的有机化合物。有机分子包含了很多小原子，这些小原子又因排列不同而组成更为复杂的分子。其中在有机化合物中的一个重要问题是找出分子中的原子是如何排列的，进而确定复合物的结构。

我们可以用许多方法打破复合材料中的分子，或者使它们重新排列，成为新的分子，也有许多方法将一些原子加入这些分子里面，或者使新的原子和老的原子相组合。复合材料是将高强度的材料嵌入到强度差一些的材料里加工而成，通常是给有机材料增加一些强度和刚度以帮助支撑结构构架、分子矩阵阵列、或用树脂修补因加固而产生的空隙，也可增加粘结性以平衡相互作用，同时也可以防止环境降解，进而提供特定的形状结构。

随着这些材料的使用量的增加，纤维增强聚合物复合材料(FRP)应用将更加广泛。尽管这种增强型复合材料已经成功的在主要结构构件中进行应用，但是因其使用还是属于初级阶段，缺乏具体的设计规范和必要的信息。纤维增强复合杆(FRP)常用于构件中作为结构支撑骨架，它是由典型的聚酯和玻璃纤维增强物加固复合而成，因为热固型材料易碎所以必须用玻璃纤维给予结构强度加固。玻璃纤维可以减少收缩性，增加韧性，改善耐磨性，给予了尺寸稳定性等性能。

FRP具体是由两种材料组合而成，即聚酯纤维和玻璃纤维。FRP复合物拥有了优越的属性但并不能进行单独分离使用。玻璃纤维的加固效果要远高于聚酯纤维，构成了承载外力的主要元素。尽管钢结构构架已经有上述的优点，但是FRP仍然是现在最好的材料。

2 电杆结构模型

FRP材料最大的缺点是弹性模量低，它的弹性模量比木材大两倍，但仅是钢的十分之一，因此在产品结构中常感到刚性不足，相对容易变形。其可以做成薄壳结构、夹层结构，也可通过高模量纤维或者做加强筋等形式来弥补。

2.1 电杆的加强筋模型

为了提高电杆的刚度，使得其不易变形，如图1所示了两种不同截面加筋方式的实体结构，(a)为星型加强筋，(b)为三角形加强筋。

2.2 电杆的结构

由于FRP的自身刚度限制，又因为FRP材料本身为一种复合材料，具有一定的脆性，所以不能像铁塔一样制成空间桁架架构。因此，对FRP电杆的研究应主要集中在低电压输电电杆方面，图2与图3是“上”字型的输电杆的结构模型。

图1 两种类型加强筋电杆模型

由图3可以清楚地看到，由于FRP杆塔本身优良的电气性能，绝缘度好，所以可以减少甚至省略掉绝缘子串，只需要茶台式绝缘子连接导线即可。这样又大大的减少了输电杆的荷载并降低了电杆的高度。由于杆塔本身绝缘，杆塔本身需要设计成中间空心，将地线顺着杆塔内部牵到大地。

2.3 新型结构

因为这种新型材质的杆本身刚度稍差，为了提高该杆的电压等级，在内部加筋的同时，保证一定电气距离降低横担长度对杆塔高度的比，亦缩短横担的长度。图4为FRP杆塔的专用设计，横担比同电压等级的“上”字型电杆缩短至1300 mm，这样不仅提高了整体的稳定性也有利于降低线路走廊的占用。

图5是节点连接模型，利用弧形模块，将横担与电杆用以螺栓进行三角形连接加固，再利用软件进行仿真分析，校验螺栓的加固位置。

3 杆塔允许的档距和弧垂

本研究的目的是为复合材料进行实用型架空输电线路设计，该研究主要是选取最优档距。依据110 kV架空输电线路标准规程，研究包括以下几个方面:

(1)弧垂和张力的计算从50 m到135 m不等。

(2)杆塔的加载情况是通过110 kV架空输电线路规程为不同档距进行加载的计算。

(3)根据加载计算后的结果以确定杆塔的形状。

(4)对选定的杆塔结果设计采用FRP材料。

(5)这项研究是基于使用ACSR mm2150/25导体和应用的线路标准规格。最大的弧垂计算档距是从50 m到135 m选取，而最小值在为不同档距计算是通过对杆塔的尺寸计算和杆塔形状的来设计来制定。表1总结了杆塔尺寸范围从50 m～135 m的设计规格。

表1 杆塔尺寸范围

图6为模拟单位长度的FRP杆重，由图可以看出在最少消耗FRP材料中有两个档距。这些档距是从85 m到100 m。考虑到其它建造项目的花费，应考虑档距在100 m内设计较为合适。

4 经济价值的比较

任何的新型材料在技术结构上都可证明是可行的，但经济价值决定了它是否可以进行实际应用。FRP具有上述良好的性质(绝缘好，抗拉强度高，无需任何的维护保养)，但其建造成本却超过于传统的钢材，如果从杆塔的使用寿命和维护成本上进行整体考虑，FRP杆是比较适合的。

表2 经济效益对比表

如表2所指出的对不同材质电杆的各项经济指标分析，FRP杆的使用寿命是传统电杆的近3倍，后期维护费用极低，综合来看FRP杆的年均成本最低，经济效益相对较好。

5 结 语

FRP杆在美国已经广泛应用，同时在日本，加拿大，和欧洲的部分国家已有研究。正是由于它轻质高强，绝缘好，耐腐蚀，经济效益好等优点使得其将来在电力行业会倍受青睐，特别是上述为FRP特制的结构模型，可以大幅度的降低线路走廊的宽度，因而可以为整个输电线路降低成本。FRP的发展迅速，在未来的一段时间内，将有很大可能取代混凝土电杆，跨进了城市周边低电压输电的新时代。

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