一种具有防撞功能的新型警示装置研究

郑理威，温带银，谭炯润，林灼灯，吕嘉亮

（广东电网有限责任公司江门供电局，广东江门 529000）

1 课题背景

随着电网规模的不断扩大和城市的快速发展，输电线路杆塔与道路有了越来越多的交汇点，这些交汇点处的输电线路往往涉及重要交叉跨越，一旦发生事故，极易造成严重的人员伤亡和财产损失。而由于交汇点处车流量较大，发生车辆碰撞输电线路杆塔的风险非常大，轻则导致车辆和杆塔损坏，重则发生倒塔停电和人员伤亡，严重威胁着人们群众的生命财产安全和电网的安全稳定运行。因此，在输电线路杆塔上采取防碰撞措施显得至关重要。

目前常采用的杆塔防碰撞警示手段主要有两种，一是在杆塔塔材或基础上粘贴红白相间的防撞贴纸，二是直接在杆塔塔材或基础上喷涂防撞标识。这两种方法都有着一定的局限性，不能适用于所有情况。红白相间的防撞贴纸作为一种简单易行的防撞措施，虽然可以有效降低车辆碰撞杆塔事故的发生率，但是在日晒雨淋等户外条件下，使用寿命会大大缩减，很快出现褪色、表皮部分脱落等现象，且防撞贴纸不易清洗，容易留下污渍，造成二次污染，影响杆塔美观。相较于防撞贴纸，在杆塔塔材或基础上喷涂防撞标识则要更加耐用，不易褪色、老化，使用寿命更长，可长久保持杆塔防撞标识的清晰，缺点是颜色较深，反光度不足，夜间警示范围小、效果差，此外喷涂操作工序复杂、费时费力，喷涂过程中产生的气溶胶可能会危害操作人员身体健康及造成环境污染。

为解决上述问题，研制一种新型的具有防撞功能的警示装置，结构简单，使用灵活，适用于各种形状、尺寸的输电线路杆塔塔材和基础，并且便于携带和安装、自洁能力强、反光性好、安全环保，在恶劣的自然条件下依然具有较长的使用寿命，起到良好的安全警示作用。

2 防撞警示装置在输电线路杆塔上的应用情况分析

由于输电线路杆塔及基础自身抗碰撞能力较差[1]，十分有必要为车辆通行道路附近的输电线路杆塔加装防撞警示装置。影响防撞警示装置效果的因素主要有结构设计和材料选择两个方面，结构的设计影响着装置安装的便利性、牢固程度，而材料的选择则影响着装置的警示距离、维护成本及使用寿命。

2.1 钢结构塔分类及特点

我国由于幅员辽阔，地形复杂，山地、丘陵、平原交错分布，架空输电线路多采用钢结构塔，这样可以减少土地占用，同时有利于提高杆塔的稳定性。钢结构塔按塔材种类可分为角钢塔和钢管塔两大类，角钢塔有着比较成熟的加工、运输、安装及运行等方面的经验，尤其适用于大跨越输电杆塔，其主斜材断面一般采用角钢组成的结构式断面，角钢之间通过缀条进行结合。角钢塔的优点是结构简单、重量轻、抗风能力强、运输安装方便，是目前电网中应用最为广泛的塔型（图1）。

图1 角钢塔

钢管塔断面在各方向受力均匀，在面积相同的情况下，回转半径更大。钢管构件截面中心对称，截面特性各向同性；材料均匀分布在周边，截面抗弯刚度大。对于输电铁塔的受拉杆件，当钢管与角钢的截面积相当时，钢管塔杆件不显现其优势。而对于输电铁塔的压弯构件，采用较小截面积且有较大回转半径的钢管可以充分均衡地发挥材料的力学性能，达到结构刚度和稳定要求，尤其对于结构几何尺寸较大、杆件较长的大荷载铁塔，钢管塔杆件稳定性能好的优势很明显。钢管截面可充分发挥材料强度，改善构件的截面刚度，降低长细比（图2）。与角钢塔相比，钢管塔能大大减少辅助杆材的数量，减小铁塔的挡风面积，使得铁塔质量减轻，同时钢管塔整体外形也比角钢塔美观。但钢管塔单根构件较重，在运输安装和镀锌时比较困难，另外钢管塔对钢材材质要求较高，在焊接时工作量较大，加工价格也高[2]。

图2 钢管塔

2.2 防撞警示装置结构设计

根据不同的电压等级和地形地貌，不同杆塔所采用的钢材尺寸及基础类型不尽相同。因此，防撞警示装置要能灵活调节以适配不同的塔型、塔材或基础，这样才能提供大规模安装使用的便利性。除此之外，综合考虑防撞警示装置在运输过程中的便携性，采用折叠式的结构是一个很好的选择。具体来说，即利用有限元划分的思想将防撞警示装置整体划分为多个细度满足要求的防撞警示条，再通过铰链将其连接组合起来。通过折叠，防撞警示装置可以变的更具流动性，能根据具体的空间情况来折成不同的形状，以满足运输、搬运过程中的便携性要求或安装过程中与塔材、基础之间的贴合性要求。满足以上要求之后，还需在防撞警示装置收口处使用特制卡扣卡紧，以使装置能够有效闭合，保证装置安装的牢固程度。

3 技术方案

3.1 防撞警示装置的材料选择

影响防撞警示装置视认性的因素有很多，其中人、环境以及防撞警示装置本身起着较为关键的作用。人的因素主要涵盖驾驶人的年龄、视觉状况、心理状态、观测距离、驾驶车辆型号等；环境因素主要包括环境亮度、气候条件、道路路况等[3]；防撞警示装置因素主要包括警示标志面的光泽、清洁程度、反光性能等。在人的因素和环境因素无法控制的情况下，要想降低杆塔遭受车辆碰撞的概率则只能从防撞警示装置本身入手，通过选择耐污性能强、反光度高的材料来提高一定条件下防撞警示装置的视认性。

反光材料是指可将入射光线反射回入射介质的材料，也称为逆反射材料或回归反射材料。当入射光线在一定范围内入射到反光材料表面时，反射光线会集中在一个很小的范围内反射。反光材料广泛应用于交通、运输、消防等领域的标识。反光系数强度、耐磨损性、耐水洗性等是反光材料制品的重要性能指标[4]。反光材料分为玻璃微珠和微棱镜两种类型。玻璃微珠是较为传统的反光材料，最早使用时间可以追溯到本世纪20 年代，其原理是将玻璃微珠均匀的粘接在基材上，剪裁为不同的形状后贴于相应的设备、设施上，当有光线照射过来时，入射光线经过玻璃微珠折射后聚焦于底面，再通过玻璃微珠沿入射方向反射回去，即可呈现反光效果。相比玻璃微珠，70 年代初面世的微棱镜具有更好的光学性能和耐久性，二者之间的不同之处在于：①玻璃微珠参与反射光线的表面积只有约1/4，而微棱镜则有3 个面对入射光线进行折射后再反射，参与反射光线的表面积是玻璃微珠的3 倍左右；②玻璃微珠大小不等且分布不均匀，在基材上粘接后会留下较多的空隙，影响整体的反光效果，而微棱镜则能做到大小均一，可以通过机械压合不留空隙地分布在基材上，反光效果和耐久性都有很大提升。

微棱镜型反光材料包括3 类：乙烯基、丙烯酸和聚酯。乙烯基反光材料具有良好的耐磨性、可弯折，使用寿命一般为1～2年，比较适合头盔、服装、背包上使用。丙烯酸和聚酯反光材料均可全天候使用、耐磨、耐腐蚀、耐溶解，户外使用寿命可达3～5年，适用于各种交通标识、户外警示装置，此外聚酯反光材料还具有可折叠、抗挤压的特点。

3.2 防撞警示装置技术分析

基于以上分析，可以看出聚酯类的微棱镜反光材料最为契合所设计的防撞警示装置的要求。所设计的防撞警示装置，选用PVC 作为结构材料，表面以聚酯类的微棱镜反光材料制作警示标志，通过铰链组合成可折叠结构，可达到节省存储空间、便于运输、携带和安装、恶劣天气和夜间具备良好警示效果的目的。使用本装置时，安装人员无需事先对杆塔塔材或基础类型进行具体勘查或测量，只需携带足够尺寸的该装置，到达现场后再以装代量，经适当调节后即可完成安装。

4 应用成效

该装置已经于2020—2021 年在广东电网有限责任公司江门供电局输电管理一所110 kV 以上电压等级的输电线路杆塔中广泛应用，据统计分析，应用此装置后因车辆碰撞杆塔导致的外力破坏事故数量比上一年度减少了约72%，其中夜间及恶劣天气条件下的事故数量比上一年度减少约86%，有力保障了公共安全及电网的稳定运行。