智能变电站复合材料电缆支架的技术经济性研究

李国尧，况骄庭，钱 锋

（浙江省电力设计院，杭州 310012）

智能变电站电缆、光缆，除少数直埋或局部穿管敷设于地下外，其余绝大部分都敷设于电缆支架上。传统的金属支架容易出现焊缝毛糙、锈蚀等问题，电缆敷设时易损伤线缆外皮。随着智能变电站建设工作的推进，光缆的大量使用并逐步替代控制电缆，对电缆敷设工艺质量要求不断提高，为满足运行安全可靠、工艺质量一流的要求，复合材料电缆支架以其优良的技术经济特性得到广泛应用[1-2]。

1 传统金属电缆支架缺点

钢电缆支架是电力系统中应用历史最长的电缆支架，其强度高，能适用于各种场合，制作也比较简单方便[3-4]，但有以下缺点：

（1）钢材用量大，资源消耗多。

（2）生产制造过程耗能大、工序多、周期长，并且由于切割和焊接，角钢支架上毛刺很难杜绝，给敷设电缆带来隐患。

（3）在许多恶劣环境条件下，例如沟（隧）道、多雨潮湿或沿海盐雾地区户外等场合，使用角钢电缆支架极易被锈蚀。

（4）现有条件下角钢支架镀锌工艺给环境带来非常大的压力。

（5）传统角钢支架后期的运行维护费用高，使用寿命也较短。

（6）为避免涡流损耗甚至是弧光放电，电力电缆特别是大电流回路电力电缆敷设不能采用。

（7）现场施工安装需要大量的焊接操作，沟（隧）道内支架整齐度难以保证，电缆敷设不美观。

2 复合材料电缆支架

2.1 复合材料的种类

随着材料科学的进步，质量密度低、强度高、不易锈蚀的新型防火高分子复合材料越来越受到重视。复合材料是用2种或多种组分按一定方式组合而成的材料，常见电缆支架用复合材料有SMC（片状膜塑料）复合材料、热固性复合材料、塑包钢材料[5]。

SMC复合材料主要由GF（专用纱）、UP（不饱和树脂）、低收缩添加剂，MD（填料）及各种助剂组成。

热固性FRP（纤维增强塑料）复合材料支架主要由起增强作用的无碱玻璃纤维和起粘结作用、传递载荷作用的树脂组成。

钢塑复合材料电缆支架结合钢材和复合材料各自的优点，在钢材表面覆盖一层复合材料成分。

2.2 智能变电站对复合材料电缆支架要求

（1）选用复合材料电缆支架时，应考虑环境温度及其变化对机械强度、性能的影响，产品耐高/低温试验的极端温度范围应满足工程环境温度条件。

（2）复合材料电缆支架需通过耐酸、碱、盐腐蚀度试验，对产品耐腐蚀性进行考核。

（3）根据《电力工程电缆设计规范》、《建筑结构荷载规范》以及支架产品设计的规定，托臂外端部承受的最大荷载按照可能短暂上人90 kg附加集中载荷设计，托臂的挠度值5 mm时，托臂应无变形、裂纹、断裂等现象。复合材料的支架托臂承载能力为最初产生的永久性变形时的最大荷载除以1.5倍安全系数，极限承载能力（竖直方向）需170 kg。

（4）智能变电站设计对阻燃电缆的阻燃性要求，一般为氧指数30%。而对复合材料电缆支架（立柱和托臂）的阻燃性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38%。

（5）复合电缆支架宜采用膨胀螺栓固定安装方式。

3 复合材料电缆支架技术经济比较

复合材料与金属材料相比，具有耐腐蚀、机械强度高、阻燃特性好、电绝缘性能优良、不导磁、无涡流、施工安装便利、寿命长，免维护等的优点，二者技术性能对比见表1。

复合材料通过改变组分材料品种、比例以及结构设计可替代钢材，改善机械性能。复合材料可通过配方设计实现难燃、低烟、无卤、无毒。由表1可知，复合材料支架综合性能优于钢支架。

表1 电缆支架技术性能对比

统一按照图1规格进行不同材料电缆支架的单副支架费用比较见表2。

图1 某电缆支架规格

由表2的分析可得，按30年寿命周期费用计算，复合材料支架的费用最低，有较好的经济性。按国家电网公司通用设计考虑，某500 kV智能变电站应用新型复合材料电缆支架，全寿命周期30年内按钢制支架更换1次考虑，费用节省162.9元×1 700副＝27.7万元。

表2 电缆支架经济分析对比 元

4 复合材料电缆支架性能试验分析

对某公司提供工程应用的复合材料和金属材料电缆支架样品（批量产品中随机抽样），根据有关技术标准，委托检测机构对4种电缆支架的主要性能做了检测。前3种（SMC，热固性FRP，塑包钢）属于复合材料，U型钢属于金属材料，支架外形见图2。

（1）正向承载能力试验：电缆支架呈正常安装状态，在支架最远端正向施加载荷，直至支架局部或整体发生破坏或较大变形时停止试验，计算电缆支架相对于支撑根部点的弯矩。

（2）侧向承载能力试验：电缆支架呈正常安装状态，在支架最远端侧向施加载荷，直至支架局部或整体发生破坏或较大变形时停止试验，计算电缆支架相对于支撑根部点的弯矩。

（3）耐高低温循环测试：电缆支架交替置于-20℃和80℃的环境中，历时5天，试验之后重复试验上述2个试验。

试验结果汇总见表3、表4，综合考虑技术和经济两方面，对比可见复合材料电缆支架性能优于金属材料电缆支架。在上述3种复合材料电缆支架中，SMC材料的性能较优。

图2 电缆支架外形图

表3 常规试验

表4 耐高低温循环试验

5 结语

在满足电缆敷设要求下，配置电缆支架需坚持结构合理，费用经济、外形美观的设计理念。从技术和经济两方面比较分析，得出复合材料电缆支架性能更优的结论。复合材料电缆支架技术先进、外表光洁，机械比强度和比模量大，耐腐蚀、绝缘性能优良、全寿命周期综合效益高，特别适用于东部沿海等污秽地区、腐蚀性环境场所以及工艺质量外观要求较高的智能变电站工程应用，其良好的工艺外观以及安装便利性为提高电缆敷设工艺质量提供了保证。

[1]GB 50217-2007电力工程电缆设计规范[S].北京：中国计划出版社，2008.

[2]浙江省电力公司基建部.变电工程标准化工艺设计[M].北京：中国电力出版社，2010.

[3]张树华，顾钧扬.复合材料电缆支架[J].广东电力，2001，14（6）：33-36.

[4]史任卿，郑恩国.高强度复合材料电力电缆支架技术性能研究[J].供用电，2011（2）：61-64.

[5]李聪华.复合材料电缆支架在地铁中的开发及应用[J].电气化铁道，2005（1）：45-47.