复合材料电杆在山区配电网中的应用

陈 ，高崇胜，林 曦，胡广生，岳保良，陈海林

（1.云南电网公司曲靖供电局，云南 曲靖 655000；2.深圳博能电力开发设计院有限公司，广东 深圳 518054）

配电网是电网末端连接用户的终端设备，保证配电网的快速建设以及安全运行一直是电力部门的重要使命，但电网建设尤其在山区地形复杂、高差极大的情况下，运输安装检修十分困难，需要付出大量人力物力，而山区自然条件又十分严峻：雷击、雾闪、大风、重冰的侵袭，而事故抢修恢复送电又刻不容缓，所以本研究应用一种新材料杆塔，它质量小、强度高、能上高山、能跨峡谷以适应山区电力建设的需要，又弥补了传统铁塔、钢筋混凝土电杆体型笨重、运输困难、塔材腐蚀、杆身裂缝、跳闸率高等问题。

1 复合材料电杆

1.1 复合材料

复合材料是基体与加强体按一定比例构成的多相材料，以树脂为基体，以玻璃纤维为增强体，这种密度低、强度高的复合材料，俗称玻璃钢。20 世纪60年代随着复合材料技术进步，多种树脂高强度纤维问世，形成了多品种复合材料，由生活用品，建筑材料到航空航天领域都有发展［1］。国外运用于电力行业是美国在20世纪90年代于南加利福尼亚海滨建的三基复合材料杆塔，目的是检验防腐功能［2］。我国在2005年深圳供电局110kV 坑梓线上立三基复合材料直线塔，挂网试运行。

本项目杆塔是以聚氨酯为基体，加入玻纤及助剂、以一定比例合成，是一种新品种的复合材料。

1.2 复合材料电杆

将聚氨酯、玻纤、助剂，以20%～40%，56%～78%，2%～4%配比，玻璃纤维经浸渍、缠绕在模具上，通过机械加工、固化、脱模而成为复合材料电杆，它是电杆一族中新一代杆塔。

1.3 复合材料电杆特性

1.3.1 机械性能

复合材料与Q235钢材的机械性能比较见表1。由表1可见，除了弹性模量外，其他性能指标都比钢材优越，尤其是比强度（强度与密度的比值），比强度高说明在同等强度下，用材更节省［3］。

表1 复合材料与钢材机械性能比较

1.3.2 密度

复合材料的密度为1.81g/cm3，而Q235钢材为7.83g/cm3，一基复合杆塔高12m，φ190mm，质量250kg，而同规格混凝土杆质量1 400kg，复合材料杆比混凝土杆质量少3/4，这个特性在工程上意义很大，航空飞机可以由于减轻自重，节省燃油，加快飞行速度；电力杆塔可以大大降低运输所做功，减轻工人体力劳动，尤其在山区解决了钢筋混凝土杆搬运困难，给高原山区、村村通电带来希望。

1.3.3 电气性能

复合材料的电气性能见表2。表2 说明：复合材料杆有很高的绝缘性，且即便雨淋、受潮还保持有一定的绝缘性，可承受较高的雷电冲击放电电压，降低线路雷击跳闸率。

表2 复合材料电杆绝缘性能

1.3.4 化学性能

化学性能试验：把复合材料与钢材都放入酸碱溶液中，钢材有气泡和氧化，而复合材料则没有，说明复合材料抗腐蚀、耐氧化性强。

从以上4点可以看出，复合材料杆塔具备的优点正是传统铁塔、钢筋混凝土杆所缺少的。当前传统杆塔的腐蚀、生锈、混凝土脱落、钢筋外露锈蚀都使维修工作量增加，运行成本增高，而且近年来配电网的迅速发展，大导线、多回路，杆塔强度需要成倍增高的形势下，混凝土杆已不堪重荷，研究复合材料杆是很有必要的。

2 复合电杆线路设计

本项目选择10kV 某微波站配电线路，所选线路地处某市的郊区，山地，海拔1 900～2 500m，属高原山区；沿线山高谷深，高差极大，无行人通道，运输困难；沿线冰陵积雪严重，每年都有冰害事故；雷电活动强烈，统计为90雷电日；沿线杂树茂密，发生过多次的导线碰树闪络。

2.1 杆塔设计

复合材料电杆设计初选：杆高12 m、1/75 锥度、环形断面拔稍杆、稍径190 mm、根径350 mm，与同类钢筋混凝土杆外形等同，这是考虑与混凝土杆标准设计等同杆型以便互相通用。电杆强度按绝缘钢芯铝线JKLGJ－50导线，档距120m、30m/s风速、冰厚10mm 设计，直线杆根部弯矩设计值为58 kN·m，经试验大风覆冰安装断线各项工况均满足要求，杆塔挠度也满足线路规程GB/T 50061—2010《66kV 及以下架空电力线路设计规范》0.5%H的要求［4］。（H是塔顶对地高度）

复合材料电杆横担设计为120mm×60mm×6 mm，呈薄壁矩形断面经拉挤而成，横担与主杆连接采用二个方案（见图1）：榫卯连接、抱箍连接。试样及整杆都经过试验，强度合格，创造了全复合材料杆塔整体形式。本工程6基直线杆用2 方案，1 基直线杆用1方案为试点。

2.2 线路配塔

本工程线路第51至66段原有混凝土杆16基，在满足对地距离6m，跨越树高距2m 情况下，用复合材料电杆，利用山谷地形，杆塔档距可放到118 m，复合材料杆只用了12基，比原线路节省4基杆塔，所以复合材料杆单基造价看似比混凝土杆高，但综合造价比还是低的。

2.3 防雷设计

2.3.1 山区雷电活动

原线路地处北纬25～26°间，是北回归线经过地带，所以雷电活动强烈［5］，因为省区南部气候受印度洋暖流影响，地形又被山脉阻档，冷暖气流交汇，特殊地理位置，每年3月至11月均有雷电，尤其以6、7、8月为甚。

图1 复合材料横担结构图

线路在山脚下，直上山顶微波站，沿线山峦叠嶂，坡徒谷深，这种微地形，在日照下，上升气流与山谷冷空气相遇正是雷云活动的通道［6］。经雷电定位系统测定该地区为90雷电日。据最新研究认为落雷密度与雷电日呈线性指数关系。线路所在地区每平方米每年落雷次数，根据GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》［7］，地面单位面积落雷次数，Td为雷电日数，线路百公里年落雷次数Ng＝γ×Td＝7.98次/（100km·a）。杆塔是高耸建筑物，改变着雷云与大地之间的电场分布，具有引雷作用，以普通电杆高度h（这里取10m）计算线路百公里年雷击次数：NL＝0.1Ng（28h0.6）＝92次/（100km·a），可见雷电活动的强烈。

2.3.2 原混凝土杆防雷指标

按原线路钢筋混凝土杆几何尺寸（尺寸单位为m），杆型见图2。

图2 杆型图

hA＝9.5 m；hC＝8.6 m；电晕几何耦合系数K0＝1.1×0.354

接地冲击电阻R＝30 Ω；针式绝缘子P－15T；U50%＝121kV

其中，hA为A 相导线对地高 度，hC为C相导 线对地高度。

建弧率η＝（4.5E0.75－14）×10－2＝0.6

跳闸率n＝NLPη＝47.2次/（100km·a）

按该地运行资料调查，2011～2013 三年记录，10kV 微波站线共发生17次线路跳闸，其中13起为雷击引起，5起是主线路雷击跳闸，8起是分支线雷击跳闸，雷击跳闸率为76.5%。计算的跳闸率：47.2次/（100km·a），归算到主线路5.31km 雷击年次数为2.5次，与调查本线5年3次跳闸记录基本相符，说明NL计算是可信的。

2.3.3 复合材料杆防雷指标

本项目采用复合材料电杆、复合横担绝缘，原本可以取消绝缘子，但由于复合材料其耐电痕还低于合成绝缘子硅橡胶（耐电痕大于4级）的级别，其次还是考虑复合材料不宜处于高强电场中，以免在局部放电时产生电蚀痕，所以本项目直线杆还是保留了针式绝缘子。

由于线路为全复合材料杆塔，相对地绝缘强度很高，雷击通道将为相间闪络，计算雷击点最大过电压为UA。

式中：ZC为导线波阻，按我国标准建议取400Ω；Z0为雷电通道波阻，取为导线波阻一半；E0为按标准规定每米空气间隙的雷电冲击击穿强度，取700kV/m。

根据UA＝U50%＝840kV 可得耐雷水平：

雷击电流I＝8.4kA

超雷击电流概率P＝0.802

电位梯度E＝UL/S＝8.33kV/m

式中：UL为相电压，取10kV；S为空气间隙距离，取1.2m。

建弧率η＝（4.5E0.75－14）×10－2＝0.06

跳闸率n＝NLpη＝4.4次/（100km·a）

由于复合材料杆对地绝缘，因此感应雷过电压也不会对线路造成雷击。

2.3.4 两种电杆雷电性能比较

两种电杆雷电性能比较见表3。雷电冲击电压复合材料电杆比混凝土杆增强5.9倍，爬距：复合材料杆比混凝土杆增加了3.2倍，复合材料杆提高了雷电冲击强度，降低了工频电位梯度，免受污闪，大幅度降低线路雷击跳闸率，约降低原混凝土杆线路雷击跳闸率的91%。

表3 电杆防雷性能比较

3 复合材料电杆的施工

3.1 电杆运输

本项目山高谷深、坡陡林密，没有道路，行走十分艰难。虽有一条简易公路盘旋上山，但离线路路径很远。集料站设在东山脚下，距线路有5km 路程，沿线杆位杆塔只能人力运搬，平均运距550 m，全程线路首尾高差250m，呈30°坡，杆塔都是由山上往山下放，正是由于复合材料电杆轻，而且杆身弹性比混凝土杆好，所以汽车装卸运输，不用马架，不用起重机械，一般4人即可抬走。将2种电杆汽车装卸、运输吨公里及需用工日统计见表4。

复合材料杆比混凝土杆运量仅是混凝土杆的14%，而且单杆质量易于装卸运搬、技术简单，本工程用普工12人，分两组6h运完，折合9个工日，计算每t·km 平地为3.41工日，混凝土杆定额（PX－1）5.95工日［8］，复合材料杆运输工日是其57.4%，可见效率之高。本项目属初次运输没有经验，如果工程量再大一些，则会节省更多的运量工日。

表4 两种电杆运输量比较

3.2 电杆组立

杆塔组立：包括电杆排列、支架、立杆、扶正、拆装临时拉线、清理现场等工序工量。复合材料电杆由于比木杆还轻，所以山区立杆不需要汽车、吊车，连绞磨都可以不用。本工程因施工单位第1 次组立，普通工用8人，技术工10人（其中6人是到场观摩学习），作业时间从10：00到19：00，12基杆一天全部组立完毕，计算用工见表5。

表5 立杆每基工日比较

从以上表中可以得出，在人力立杆组塔中，复合材料电杆是混凝土电杆所用人工中普工的31%，技工的7%，并且节省大量机械及辅助材料。

4 线路运行维护

复合材料杆运行及维护，原则上应遵照地区供电局的《架空线路运行维护规程》执行，但复合材料杆具有防腐蚀、抗老化功能，周期巡视次数可比混凝土杆减少，建议：每季度1次，特殊巡视按需要而定。

巡视内容当注意杆头电气部分，对复合材料电杆、复合材料横担无维护工量，仅适当考虑电杆附件的检修，而原混凝土杆据该供电分局报告，每月巡视1次，每年为12次，特别巡视3次，冬季覆冰巡视6次，近3年维修工作量见表6。复合材料杆维护情况简单可以考虑免维修，当然实际还待运行总结。

表6 2011～2013年10kV 微波站线维护工作量

5 技术经济指标

复合材料电杆全寿命周期，国外资料为80年［2］，我们保守估计为45年，混凝土杆按现行折旧年限为15年，考虑实际运行情况暂以25年计。混凝土杆每公里建筑安装费364 394 元/km，本工程复合材料杆每公里建筑安装费385 361 元/km（2014年价格），按全寿命周期成本计算混凝土杆每公里年建筑安装费为14 572元/（km·年），而复合材料杆每公里年建筑安装费为8 563 元/（km·年），比较见表7。

表7 复合材料杆与混凝土杆全寿命周期成本比较元/（km·年）

复合材料电杆比混凝土杆每km 全寿命周期成本要低47.4%。

6 结论

a.复合材料电杆因其质量轻、比强度高，所以在山区配电网建设中能解决运输困难、运费高的难题，本项目运输量仅为混凝土杆的14%，尤其在提高杆塔的人力装卸运搬效率上，粗算效率加快至少在1倍以上。

b.复合材料电杆，因其绝缘性好、自洁力强，用在山区配电运行中，能解决传统配电网线路抗雷电性能低、雷击污闪跳闸率高的问题，本项目复合材料直线杆用复合材料横担，抗雷电冲击放电电压比混凝土杆高5.2倍，爬电距离增加3.2倍，大大减少杆塔雷击跳闸率，约为原线路的90%。

c.复合材料电杆强度高，可以放大档距，节省杆塔，就本项目而言，比原线路杆塔数量节省4基，同时也节省了基础、绝缘子、金具等，所以复合材料杆不能以单基论价，其经济性表现在线路综合造价上面。本项目线路长度短，杆塔少，两种杆塔的造价复合材料杆稍高约5.1%，如果距离长，杆塔数量多，两种杆塔的每公里造价基本持平。

d.复合材料电杆抗辐射、耐腐蚀，可以减少维护工量，降低检修周期，减少运行成本，以本项目而言，复合材料电杆的全寿命周期成本（元/km 年）仅仅是混凝土杆成本的47.4%，粗算等于多建一条同等线路。

e.在预算定额的对比上，本项目仅仅是对施工运输立杆实际工量作了测定与记录，本项目所提供人力运输定额，约是混凝土杆工日的57.4%，可与木杆运输定额相当，当然这只能算是复合材料杆预算定额的一个原始数据。

f.复合材料电杆不足之处是表皮光滑、容易被尖锐铁具石块划伤、弹性模量比钢铁低、运行挠度比混凝土杆大。

［1］ 矫桂琼，贾普荣.复合材料力学［M］.西安：西北工业大学出版社，2008：1－8.

［2］ 夏开全.复合材料在输电线路杆塔中的研究与应用［J］.高科技纤维与应用，2005，30（15）：19－23.

［3］ 邓世聪，刘庭，李汉明，等.110kV 架空输电线路复合材料杆塔的材料电气和机械特性试验［J］.南方电网技术，2011，3（5）：36－40.

［4］ GB/T 50061—2010，66kV 及以下架空电力线路设计规范［S］.

［5］ 杨保珍.关于云南省输电线路采用综合防雷装置的历史回顾及运行分析［C］.送电线路防雷接地技术文集，北京：出版者不详，2001：57－58.

［6］ 杜正东.高压架空输电线路防雷研究［C］.2007年全国架空输电线路技术交流研讨会交流文集，北京：出版者不详，2007：257－297.

［7］ GB/T 50064—2014，交流电气装置的过电压和绝缘子配合设计规范［S］.

［8］ 定额站.20kV 及以下配电网工程预算定额（第三册）架空线路工程［M］.北京：中国电力出版社，2009：3，62.