新型复合横担在1 000 kV特高压输电铁塔的应用

李子扬，张思祥，张丽娟，张广龙，刘晓林

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

新型复合横担在1 000 kV特高压输电铁塔的应用

李子扬，张思祥，张丽娟，张广龙，刘晓林

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

受城乡规划及线路走廊制约，目前输电线路路径选择日益困难。利用复合材料的绝缘性能，采用复合材料横担取代传统的型钢横担，不但能够减小线路走廊宽度、降低走廊清理难度，同时还能降低塔高、节约塔材，从而取得良好的社会效益和经济效益。结合复合横担在1 000 kV特高压线路工程中的应用研究，在复合横担的电气方案、结构方案、经济性分析等诸多方面进行了初步的分析研究，给出了复合横担塔头布置方案、横担长度、横担夹角等研究结论。在走廊拆迁量较大的区域，通过比较，使用复合横担铁塔具有更明显的经济效益。

复合横担；特高压；1 000 kV输电铁塔；电气方案

Abstract:Restricted by urban and rural planning and line corridor，the path selection of transmission lines becomes more and more difficult nowadays.Replacing the traditional triangle steel cross arm with composite materials can not only reduce the line corridor width and decrease the difficulty of clearing the corridor，but also reduce the tower height and save the tower material.This would offer good social and economic benefits.Based on the application of composite cross arm in ultrahigh voltage line engineering，this paper makes wide-ranging preliminary analysis and research on the material properties of the composite cross arm，element design and economic analysis.The research conclusion is given about the layout of tower head，cross arm length，the angle of the cross arm，etc.for the composite cross arm.In the more demolition area of the line corridors，using composite cross arm tower has more obvious economic benefits through comparison.

Key words:composite cross arm；extra-high voltage；1 000 kV transmission tower；electrical solutions

0 引言

随着我国国民经济的高速发展，土地需求不断增加，土地资源日益稀缺。受城乡规划及线路走廊制约，目前输电线路路径选择日益困难，走廊清理难度不断增大。利用复合材料的绝缘性能，采用复合材料横担取代传统的型钢横担，不但能够减小线路走廊宽度、降低走廊清理难度，同时还能降低塔高、节约塔材，从而取得良好的社会效益和经济效益。

复合横担即为传统铁塔横担部分，由高性能纤维增强复合材料组成，代替传统的钢材结构，具有性能优越、工程造价较低等诸多优点。介绍复合横担在1 000 kV特高压线路工程中的应用，在塔头布置、电磁环境、悬垂串选择、节点设计、复合横担与塔身连接、结构承载力有限元分析、运行维护、经济性分析等诸多方面进行分析研究。

1 研究现状及应用分析

1.1 复合材料优势

复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它与一般材料的简单混合有本质区别，既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。通过材料结构设计，可以使原组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得更优越的性能。绝缘复合材料由作为基体的树脂和作为增强剂的纤维或其织物构成，树脂基体将纤维连接成一个整体而承受荷载。复合材料的力学性能主要受到纤维和树脂的物理性能以及加工成型工艺的影响。

复合材料具有质量轻、强度高、耐疲劳、耐腐蚀、易加工、易维护和电绝缘性能优异等优点，目前已在航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域广泛应用。在输电杆塔结构领域，复合材料也有了一定的发展和应用。

输电杆塔利用复合材料的绝缘性能，可实现结构材料和功能材料的高度统一，具有性能更优越、成本更经济、资源更节约、环境更友好等显著的优势。

1.2 研究现状

近年来，随着复合材料成本的进一步降低和工艺的不断进步，国内复合材料杆塔的研究日益增多并逐渐成熟。

复合杆塔研究的第一阶段是材料代换，即在不利用复合材料的绝缘特性的前提下，仅用其替代钢材来建造轻便、易维护的复合材料杆塔。2009年，依托宁东—山东±660 kV直流输电示范工程，探索并解决了复合材料杆塔结构方面的问题，成功地研制出国内首基格构式复合材料杆塔，形成了复合材料杆塔的结构设计成套方案，并在工程中进行了试点应用，目前运行安全可靠，取得了良好的效果。

复合杆塔研究的第二阶段是利用材料的绝缘特性，实现功能材料和结构材料的统一。该阶段的典型代表为复合横担。复合横担塔具有明显的技术优势：取消了悬垂绝缘子，不用考虑悬垂串的摆动间隙圆，从而杜绝风摆闪络事故；绝缘横担呈水平布置，鸟粪下落时不会造成鸟粪贯穿性的闪络通道，因此可以杜绝鸟粪闪络事故；水平布置的横担下雨时不易形成垂直的导电通道，提高雨闪电压；不会出现垂直布置的绝缘子从上至下的贯穿型冰凌，从而提升了同等覆冰条件下的冰闪电压。

1.3 1 000 kV特高压线路应用分析

复合材料材料层面上的材料性能、连接技术和抗老化措施等将随着应用的增加而逐步优化，而复合材料杆塔的研究将从微观层面转换到宏观层面，即塔型的设计研究。设计出符合复合材料特性和各种电压等级特点的杆塔型式具有重要的意义。研究特高压复合横担新型塔，充分利用复合材料的性能优势，用复合横担替代传统钢制横担，从而开辟特高压输电杆塔的新模式。

2 复合横担电气方案

2.1 绝缘距离控制的组合绝缘子长度

横担的绝缘完全靠复合材料的绝缘特性，不加悬垂绝缘子，仅利用金具串将导线挂到复合横担上。根据电气要求，绝缘部分的长度不应小于9 m，由于在支柱绝缘子端部和中间均有金属节点，其长度预计为1.5 m左右，支柱绝缘子的长度约为10.5 m；考虑复合绝缘子两端连接板，长度应不小于11.0 m。

2.2 塔头布置方案

特高压输电线路的相间距离和层间距离是由电磁环境控制的，因此需在一定的条件下根据电磁环境确定最小塔头尺寸。

2.2.1 电磁环境

根据特高压单、双回路示范工程的研究结论，1 000 kV特高压线路的电磁环境由可听噪声控制，无线电干扰值均小于可听噪声值。

采用复合横担关键在于能够缩减线路走廊宽度，因此在同等情况下优先缩减导线相间距离。经计算，对于 8×JL1／G1A-630／45 导线方案，满足电磁环境要求的最小层间距离为18 m，最小的相间距离分别为下相24 m、中相23 m、上相22 m。

2.2.2 导线间及其与地线间距离

根据GB 50665—2011《1 000 kV架空输电线路设计规范》要求，如采用复合横担塔，悬垂串长度取2.5 m，线间距离可以取至15.9 m，小于电磁环境要求的最小距离22 m，即按电磁环境确定的最小相间距离满足设计规范的要求。

根据计算结果，为满足导地线间距，对复合横担直线塔，导地线之间的最小垂直距离不小于14 m。

2.2.3 塔头尺寸确定

电磁环境是控制塔头尺寸的主要因素，经计算，塔头布置方案为：导线最小垂直距离为18 m；导线最小的水平相间距离上、中、下相分别为22 m、23 m、24 m；导地线的最小垂直距离为14 m。

2.3 绝缘横担布置方案

2.3.1 复合横担型式选择

复合横担在铁塔上的应用目前主要有转动复合横担和固定复合横担。转动复合横担塔，即复合横担可以绕横担与塔身的连接点自由转动，当存在纵向不平衡张力时，由于组合绝缘子的转动，可降低铁塔的荷载，进而降低塔重，但复合横担转动后导线张力、弧垂以及构件内力均发生变化，受力分析情况极其复杂，一般只在只有左右两极导线或荷载较小的直流线路铁塔上使用。

相对于转动复合横担，固定复合横担塔受力明确，且通过了一系列工作电压污秽耐受、操作冲击耐受、雷电耐受等电气验证试验，该结构型式在国内外均具有丰富的运行经验。1 000 kV特高压交流线路杆塔的结构尺寸、荷载和构件受力均较大，考虑到1 000 kV交流特高压线路的重要性，根据安全可靠原则，推荐采用固定复合横担结构，如图1所示。

图1 复合横担

2.3.2 复合横担绝缘子倾角

对上下肢不同倾角条件下的线路荷载分配进行计算，如图2所示。

图2 复合绝缘子受力分析

下肢绝缘受力为

上肢绝缘受力为

式中：F0为导线荷重；β为下肢绝缘子上倾角；α为上肢绝缘子下倾角；θ为导线风偏角。

根据工程条件计算了下肢绝缘子上倾角β分别取 0°～25°时、上肢绝缘子倾角 α 分别取 20°～90°的两肢绝缘子拉、压荷载。

经过计算，下肢绝缘子上倾角β超过25°以后，会导致上肢绝缘子受压。上肢绝缘子下倾角α过小时，荷载将大大增加。

经过优选，从绝缘子受力角度考虑，下肢绝缘子上倾角β为15°左右，上肢绝缘子下倾角α为40°～60°时受力较好。

2.3.3 复合横担夹角

以上相横担为例，根据绝缘子倾角计算结果，下肢绝缘子的上倾角按15°考虑，横担宽度11 m（塔中心到导线挂点），则下肢绝缘子垂直线路方向的等效长度为11.388m，考虑到绝缘横担需承受不平衡张力，为提高下肢绝缘子的稳定性和可靠性，下肢绝缘子采用两个支柱绝缘子的布置方式，如图3和图4所示。

图3 下肢绝缘子侧视图

图4 下肢绝缘子俯视图

上相塔身宽度按常规4.75 m考虑，支柱绝缘子结构高度为9.32 m，支柱绝缘子两端套筒和连接法兰按1.5 m考虑，则支柱绝缘子的绝缘长度为7.82 m，无法满足最小电弧距离不小于9 m的要求。如果延长支柱绝缘子的结构长度至11m，则走廊宽度需增至25.6 m，比电磁环境要求的最小走廊宽度增加3.6 m，如此肯定会增加线路走廊的拆迁量，进而降低复合横担的优势。因此需在不增加线路走廊宽度的前提下延长支柱绝缘子的长度，即增加支柱绝缘子的夹角，如图5和图6所示。

2.3.4 绝缘横担布置

复合横担铁塔的上、中、下相横担宽度取值分别为11 m、11.5 m和12 m，下肢绝缘子上倾角按15°考虑，上肢绝缘子下倾角在40°～60°之间。固定支柱绝缘子的塔身处需向两侧加长，原则是确保支柱绝缘子的结构高度不小于11 m。

图5 塔身增加支撑架后下肢支柱绝缘子俯视图

图6 塔身增加支撑架后效果图

3 复合横担结构方案

3.1 塔型选择及复合横担布置方案

对于复合横担塔，也采用常规钢管垂直排列的布置方式，由于其三相横担均独立于塔身，当采用复合横担时，实现相对简单，该布置方式既能满足承载力的要求，又能很好地与常规钢管塔协调。

表2的数据说明38%的英语四级分数大于等于500分的学生会在阅读附录后再查词，而英语四级分数小于500分的学生只有14%会去阅读词典附录。但在是否阅读词典使用说明这方面两组学生就不存在很大差别，只是英语四级分数大于等于500分的学生稍微多2个百分点。总之，绝大部分学生在查词之前并不阅读词典附录和词典使用说明，这一点说明学生在词典使用技巧方面仍存在着一定的欠缺。

为了充分利于复合材料特性，复合横担采用三角结构支撑加斜拉索的结构型式，如图6所示。

3.2 构件截面型式选择

复合材料型材的截面形式可根据需要设计成各种形状，主要有“L”型、“○”型和“□”型等，应根据不同的连接方式和受力状态对其截面型式进行合理选择。

对于受拉构件，由于复合绝缘子的截面型式为圆形，其截面面积是主要由受拉强度控制，仅需保证满足强度要求的面积即可。

对于受压构件，由于复合材料弹性模量较低，其整体稳定问题较钢构件突出，其截面积往往取决于稳定承载力，因此选择的截面应使其截面惯性矩尽可能大，以提高构件的稳定承载能力。综合比较各类截面，对于相同截面面积的各类截面型式，以圆环形截面的截面惯性矩最大，其整体稳定承载力也最高，环型构件制作也便捷，连接方便。因此对受压构件采用圆形截面的支柱绝缘子。

3.3 节点设计

3.3.1 构件连接节点

圆形闭口截面构件目前主要以胶接和预埋金属件接头为主。胶接一般在出厂前完成，现场胶接的质量得不到可靠保证，同时目前国产胶的承载力较低，难以满足复合横担的承载力要求，因此复合横担不采用胶接的连接方式；预埋金属件接头，承载力较高，连接方便，但工艺较为复杂，也难以在多规格材质的复合横担上应用。

在借鉴预埋金属件接头、螺栓连接和胶接等连接方法的基础上，又形成了一种新型节点连接方式——钢套管式节点，该节点生产过程为在复合材料型材成型后，利用胶结连接金属件，再通过金属件进行螺栓连接。提高了节点的承载能力且具有传力可靠和连接方便等优点。

3.3.2 复合横担与塔身连接节点

借鉴以往钢管塔结构设计经验，复合横担支柱绝缘子与塔身采用插板连接，如图7所示。

3.4 结构承载力有限元分析

3.4.1 内力及应力计算

图7 复合横担支柱绝缘子与塔身连接

图8 有限元模型

图9 复合横担杆件编号

通过分析计算，对于压管，主要的控制工况为断导线；对于拉索，主要的控制工况为覆冰；对于拉管，主要的控制工况为大风；对于辅材，主要的控制工况为锚线。按照GB 50017—2014《钢结构设计规范》给出的拉（压）弯组合最大应力计算公式得到各杆最大应力，如表1所示。表1中各杆件应力均未超过复合材料的允许值400 MPa。

表1 复合横担杆件最大应力 MPa

3.4.2 位移计算

按照各工况100%载荷对模型进行加载，计算出不同工况下的位移，位移较大的工况如图10、图11所示。

图10 90°方向大风工况位移云图

图11 长期效应组合工况位移云图

通过对各种工况计算，最大位移工况为90°方向大风工况，横担z向位移为346.5 mm，仅为杆塔全高的3.4‰；而长期效应组合（无冰、5 m／s风速及年平均气温）作用下，横担最大位移为47.5 mm，为计算高度的0.47‰，位移满足规范规定的小于高度3‰的要求，可见复合横担形变满足工程应用要求。

3.4.3 结论

复合横担各杆在不同工况下最大应力均满足强度要求，复合横担具有较高的结构强度储备能力；不同工况下最大位移满足小于高度3‰的要求。

计算结果表明该复合横担塔结构设计计算正确，节点构造合理，整体强度、刚度能满足工程要求，进一步体现了复合材料的优点，可通过改变工艺提高其强度以满足工程设计要求。

4 复合横担运行维护方案

当需要对复合横担部位进行检修或发生事故时，若仅受耐久性的影响，可考虑更换相同的复合横担，在这种情况下，为了避免下放导线，可考虑用地线支架起吊导线。将导线临时起吊到地线挂点上，即地线挂点需考虑导线的起吊工况。计算表明，在这种情况下，计算塔重仅增加约2.4%左右，对复合材料横担塔的造价影响不大。

5 1 000 kV复合横担塔的经济性分析

5.1 单基杆塔经济性分析

呼高降低9 m。由于取消了悬垂绝缘子串，在相同的使用情况下，复合横担塔的呼高比钢管塔降低9 m，有效减小了导线风荷载的作用效应。

塔头风荷载减小。复合横担塔正面由于仅采用了2根支柱绝缘子和1根斜拉复合绝缘子，其挡风面积较常规铁塔大幅减小，塔头风荷载相应减小。

复合横担塔横担及地线支架长度减小，导、地线纵向荷载对塔身的扭矩减小，塔身斜材规格降低。

结合实际1 000 kV特高压交流线路工程常用的铁塔型式，以3型直线塔为例，将复合横担塔和常规钢管塔的经济性进行了对比分析，考虑了材料费、运输费、安装费等本体投资，复合横担塔较常规塔的单基塔重降低约10%，单基造价降低约6%，具有显著的经济效益。

5.2 路径走廊紧张地段经济性分析

在山东环网1 000 kV特高压线路工程中，线路在大棚和房屋密集区走线约2 km，经综合比较，采用复合横担塔较常规塔的走廊宽度减小约18%，可大幅减少走廊拆迁量，在走廊紧张地段效益更加明显。

6 结语

复合材料由于具有轻质高强、耐腐蚀、易加工、可设计性强和绝缘性能好等优点，是建造输电杆塔结构的理想材料之一，目前已具有750 kV复合横担塔试点应用的经验。通过对复合材料性能、构件设计、电气设计和结构设计等方面进行研究，结果表明复合横担塔用于特高压输电线路技术可行，具有较大的经济优势和社会效益。

从电气和结构两个专业角度，通过相关计算和分析，并进行了有限元仿真计算，对复合横担塔的塔头布置、电磁环境、悬垂串选择、节点设计、复合横担与塔身连接、结构承载力有限元分析、运行维护、经济性等诸多方面提出建议值或参考值，为后续工程的实际应用提供参考。

［1］国家电力公司东北电力设计院.电力工程高压送电线路设计手册（第二版）［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［2］中华人民共和国住房和城乡建设部.1 000 kV架空输电线路设计规范：GB 50665—2011［S］.北京：中国计划出版社，2011.

［3］国家能源局.架空输电线路杆塔结构设计技术规定：DL／T 5154—2012［S］.北京：中国计划出版社，2012.

［4］左玉玺，薛更新，孙强，等.750 kV输电线路复合横担设计研究［J］.电网与清洁能源，2013，29（1）：1-8.

［5］杨熙，喻新强，尚勇，等.750 kV输电线路复合横担均压特性［J］.电网技术，2013，37（6）：1 625-1 631.

［6］胡超，冯衡，徐彬.750kV输电线路复合材料横担塔的适用性研究［J］.电力勘测设计，2016（1）：65-71.

［7］施荣，郁杰，朱勇，等.750 kV输电塔复合横担选型及承载力研究［J］.电网与清洁能源，2013，29（9）：23-26，44.

Application of the New Composite Cross Arm Load in 1 000 kV Transmission Tower

LI Ziyang，ZHANG Sixiang，ZHANG Lijuan，ZHANG Guanglong，LIU Xiaolin
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan 250013，China）

TM753

A

1007－9904（2017）09－0052－06

2017-05-08

李子扬（1984），男，工程师，从事高压输电线路设计工作。