新型超强度电杆在10kV配电网中的应用

海南电网有限责任公司 黄 峻

随着着社会的不断发展和进步，我国的配电线路杆塔从木质电杆到混凝土电杆、再到钢结构铁塔及钢管杆，已经发展了一百多年历史，1924年我国生产出第1条方型实心混凝土电杆，1985年开始使用混凝土架设配电线路，后来由于钢筋与混凝土结合技术的发展，采用离心成型工艺制造，钢筋混凝土锥形混凝土电线杆和等径混凝土电线杆代替了大部分木杆，混凝土电杆坚固耐用、耐温差性能好、耐腐蚀性能好、、力学强度高、抗裂性能好，而且适用的木材逐步稀缺，混凝土电线杆外观不仅光滑而且美观，更便于城市美化[1]。

早期配电网架空线路主要是使用混凝土杆进行架线，后续由于电网架设回路增加、线径加粗、高低压并存等减少重复线路架杆建设，开始要求线路架杆弯矩不断增大，而钢管电杆和角钢电塔在长度与强度等方面有着很大的优势，并且它们的适用范围比目前的传统混凝土电杆要大的多，对传统混凝土电线杆的应用造成的冲击比较大。因此，混凝土电线杆要发展必须要克服自身的缺点，提高混凝土电线杆的长度和强度。

无机高性能纤维复合材料（简称UCFC），采用最大堆积密度原理，由胶凝材料、级配骨料、混合纤维及增强剂配制而成，经高温养护后具有强度高、韧性好、抗冲击好、耐久性好、体积稳定、耐化学腐蚀、高耐磨、节能环保等特点，是一种力学性能介于钢与混凝土之间的新型无机复合材料[2]。因此采用无机高性能纤维复合材料研发超强度电杆将产生明显的经济效益和社会效益。

1 配电线路杆塔应用现状及输电线路、配电线路的发展

目前，中低压农网升级改造中，中压线路承力杆大部分采用钢管电杆和角铁电塔，具有基础开挖量大、基础占地面积大，工程造价高等特点；低压线路承力杆大部分采用钢筋混凝土电线杆，但是存在拉线占地面积大、地形条件限制等问题。

随着电网的发展，配电线路工程呈现出多回路、规模化、大导线的发展趋势，传统的普通混凝土杆达不到弯矩要求而逐步被减少，而钢管杆和角钢塔以较高的承载力在多回路及大导线的配电网中处于主流，因此对钢材的需求量逐年上升，消耗大量的矿产资源，造成生态环境污染，并且这两种杆塔的基础均占地面积大、造价高、耐腐蚀性能较差、耐火性能较差，在沿海地区盐类及电化腐蚀环境中维护费用高[3-5]。为适应电力发展的需求，亟需开发一种抗弯力矩等级高、耐久性好、耐腐蚀性能好、防火性能好、综合造价低、使用寿命长的新型电杆。

目前，我国逐步向超高压、特高压、大档距、大线径、多回路方向发展输配电线路建设，常规混凝土电杆可以应用在220kV 及以下的输配电线路中。改革开放前期，我国高压输电线路以10、35、66kV 输电线路为主，这些等级的输电线路对线路器材的要求相对较低，所以常规混凝土电杆可以满足要求。如果线径加粗、回路增加、增大档距对混凝土电杆的要求就要提高，普通混凝土电杆的力学性能很难满足线路安全运行的要求。

随着高强度、大弯矩新型无机复合材料电杆的出现、推广及应用，在未来相当的一个时期内，在35～220kV 架空输电和10kV 配电线路上，以及城市电网建设中，混凝土电杆不但不会钢结构杆塔所淘汰，相反还会取代一部分钢结构杆塔[6]，主要原因如下：

钢筋混凝土制品用原材料近几年飞速发展，工艺不断完善，选择范围越来越广，开发出高抗压强度、高抗弯强度、高耐久性能的新型超高强混凝土配合比，大大提高了产品的耐久性和耐腐蚀性，提高产品的使用寿命。

随着社会电力需求越来越大，对电网建设的要求越来越高，输配电线路向大线径、大档距、多回路发展；由于原普通混凝土电线杆不能满足10kV架空输配电线路的设计要求，在保证线路设计的合理、安全的条件下，对混凝土电线杆性能提出更高的标准，减少采用钢结构塔替代而增加的投资。

随着低碳、环保、高效、节能、降耗、资源共享等政策的提出，需要开发能承受更大弯矩、土地占用面积较小的电线杆来取代开裂弯距较小、土地占用面积较大、需要拉线来满足线路使用的普通混凝土电线杆。

2 超强度电杆特点

UCFC 材料采用最大堆积密度原理，形成结构抗压强度，致密度高、无连通孔、提高耐久性能，并将纤维等效直径纳入UCFC 材料颗粒堆积模型的研究，增强纤维与基体界面的粘结强度，采用级配组合纤维，提高结构抗弯拉性能。超强度电杆采用该材料经离心成型制备新型超强度电杆，具有优异的力学性能和耐久性能。

2.1 力学性能

新型超强度电杆材料抗压强度130～300MPa，为钢材的60%左右；复合配筋抗弯强度80～120MPa，为钢材的75%左右；弹性模量为45～60GPa，为钢材的25%左右。结构优化设计后，新型超强度电杆具有完全取代钢管杆同等结构能力。新型超强度电杆材料与钢材具体力学性能对比如表1所示。

表1 UCFC 材料与钢材的力学性能对比

2.2 耐久性能

新型超强度电杆具有高的耐久性能，在极端酸碱盐腐蚀环境下，质量和强度几乎无损失。而钢管杆/角钢塔在一般酸碱盐腐蚀环境下，极易发生析氢腐蚀、吸氧腐蚀、电化学腐蚀等，其强度会显著降低，新型超强度电杆比钢管杆/角钢塔具有更优异的耐久性能。新型超强度电杆材料与钢材具体耐久性能对比如表2所示。

表2 UCFC 材料与钢材的耐久性能对比

2.3 物理性能

新型超强度电杆材料密重约为钢材的30～33%；该材料绝缘性能好、耐火性能好、抗震吸波性能好，在安全防护方面比钢材具有更优异的物理性能。新型超强度电杆材料与钢材具体物理性能对比如表3所示。

表3 CFC 材料与钢材的物理性能对比

2.4 节能环保性能

同等结构设计条件下，新型超强度电杆制造过程比钢管塔、角钢塔减少碳排放和能耗50%以上。钢管塔/角钢塔大多采用镀锌工艺防腐，产生废酸废气污染、土质污染。在环保要求条件下，新型超强度电杆替代钢管塔、角钢塔，减少环境污染，具有良好的节能减排性能。同等承载力条件下新型超强度电杆材料与钢材的节能、环保性能对比如表4所示。采用无机高性能纤维复合材料制备新型超强度电杆，在配电线路上应用，基础开挖面积小，减少对环境破坏且施工方便，可以获取更好的综合性能。

表4 同等承载力条件下UCFC 材料与钢材的节能、环保性能对比

3 新型超强度电杆应用工程实例

沿海地区是被强台风频繁侵袭地区，台风每年引起大量供电线路混凝土电杆断杆、倒杆及斜杆事故，引发大面积停电，严重威胁电力系统的安全稳定运行。普通的大弯矩混凝土电线杆抗弯力矩等级较低无法满足要求。目前高弯矩等级的杆主要采用钢管杆和角钢塔，钢材用量大，耐久性差，在海南地区盐类及电化腐蚀环境中每隔5年左右需要进行防腐蚀维护，维护费用较高。因此，新型超强度电杆非常适合在沿海配电网架空线路工程中应用。

2020年将新型超强度电杆在海南电网10kV 新建工程试点应用，工程新建JKLYJ-10-240导线3.5公里，采用双回架空，根据受力计算外荷载作用下双回分支杆的弯矩标准值362.38kN.m，外荷载作用下双回终端杆的弯矩标准值305.38kN.m，为外荷载作用下双回转角90°杆的弯矩标准值为406.55kN.m，按常规设计双回转角90°杆、双回分支杆和双回终端杆都就采用角钢塔或钢管杆，但在本项目设计中采用了抗弯力矩为450kN.m，12米杆高的φ350mm稍径新型超强度电杆可达到钢管杆和角钢塔抗弯力矩，且后期不需要防腐蚀维护，减少维护成本，减少基础占地面积30%以上。由此可见，新型超强度电杆取代钢管杆/角钢塔，在电力工程具有巨大的应用前景。

3.1 造价对比

采用新型超强度电杆单基造价为5.1181万元，杆塔基础采用灌注桩基础，开挖面积1.44m2；采用角钢塔单基造价为9.212万元，杆塔基础采用台阶基建，开挖面积14.44m2、占地面积3.24m2；采用钢管杆单基造价为6.3858万元。杆塔基础采用灌注桩基建，开挖面积1.96m2。上述分析，采用新型超强度电杆造价比钢管杆节省1.2677万元，比角钢塔造价节省4.0939万元，同时新型超强度电杆占地面积与钢管杆节省36%，比角钢塔节省1倍。

3.2 运行维护对比

对杆塔同等结构设计条件下，钢管杆/角钢塔的设计使用寿命为30年，而新型超强度电杆的设计使用寿命为70年。在运行过程中，钢管杆、角钢塔的防锈层或多或少会存在缺陷，尤其在电焊连接处会存在难以避免的缺陷；另外，在运输和安装过程中不可避免地会破坏防锈层，加上防腐层本身在空气中会不断地被腐蚀，因此钢管杆/角钢塔需要频繁地维护，需要大量的维护费用。由于新型超强度电线杆本身耐腐蚀性能好，不需定期维护，节约大量维护费用。

综上，随着我国电力需求及供应的不断发展，对配电线路的架设提出更高要求，开发采用力学性能好、耐久性能好的新型超强度电杆，具有良好的经济社会效益，应用前景广泛。其与传统杆塔相比，具有优异的性能：

新型超强度电杆抗弯力矩为普通混凝土电杆的2～3倍，可解决混凝土电杆因弯矩不够导致杆开裂问题及减少混凝土电杆的拉线；新型超强度电杆可达到钢管杆和角钢塔抗弯力矩，具有完全取代钢管杆和角钢塔同等结构能力，降低工程造价；新型超强度电杆具有良好的耐久性能好和耐腐蚀性能，不需要做防腐蚀处理，减少运维费用，提高产品使用寿命，大大降低全寿命周期综合成本；新型超强度电杆开挖基础面积小，减小占地面积，安装方便，提高施工效率；减少钢材的使用，以及减少钢材防腐工艺排放的废酸废气对空气、土壤的污染。