架空输电线路中复合绝缘横担的应用分析

张华

摘  要：复合绝缘横担是一种新型输电杆塔形式，与传统输电线路相比，不再利用钢材作为主要材料，而是利用具备高绝缘性的复合材料制作而成，此种材料还具有强度高、重量轻、耐腐蚀、易维护及可设计性强等优点，是新型复合材料在输电线路中的创新性应用。通过对复合材料横担的应用现状及技术特性的分析，对比分析钢材及复合材料的性能差异，遵循经济性、节约性原则，以开发功能完善、性能多元的输电线路为导向，展开复合绝缘横担的合理设计，旨在促进其在输电线路工程中的推广应用，并取得良好的社会效益和经济效益。

关键词：输电线路；新材料；复合绝缘横担；创新性；复合材料

中图分类号：TM75       文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）10-0110-04

Abstract： Composite crossarm is a new form of transmission tower， compared with the traditional transmission line， no longer use steel as the main material， but the use of high insulation composite material made of， this material also has the advantages of high strength， light weight， corrosion resistance， easy maintenance and strong designability， is a new composite material in the transmission line innovative application. Based on the analysis of the application status and technical characteristics of the composite crossarm， the performance difference between steel and composite materials is compared and analyzed. Following the principle of economy and economy， and guided by the development of transmission lines with perfect functions and multiple performance， the rational design of composite insulated crossarm is carried out to promote its application in transmission line engineering. And achieved good social and economic benefits.

Keywords： transmission line; new material; composite insulation crossarm; innovative; composite

复合绝缘横担是传统以钢材为原料制作的输电线路的升级版，此种杆塔采用复合材料制作而成，具有强度高、重量轻、耐腐蚀、易维护及可设计性强等优点，是新型复合材料在输电线路应用中的创新。其结构内层为硅橡胶伞裙，外侧包裹一层复合材料，淘汰了传统输电杆塔常用的悬式缘绝横担，导线的连接结构替换为悬垂线夹，此种结构设计模式可降低输电走廊宽度，并能使杆塔整体高度得到有效降低。

目前对于高压或超高压输电线路，其横担结构尺寸、荷载和构件受力均较大，若整塔采用复合材料，节点构造设计和加工受到限制。若采用复合绝缘横担塔（即复合绝缘横担和钢結构塔身），既可利用其绝缘特性，又可利用钢结构塔身刚度大、承载力高、节点易构造等优点，是目前复合材料在高压输电线路工程中应用的一种合理方式。综合考虑钢材和复合材料的优缺点，用复合绝缘横担替代钢制横担，更能发挥复合材料的优势，复合绝缘横担已成为复合材料应用于35～1 000 kV电压等级线路横担的主要结构形式。

1  国内应用现状

目前，复合绝缘材料杆塔逐步应用于我国输电杆塔工程之中，在低压输电线及高压输电线路中均有应用。复合绝缘横担的类型筛选、结构设计、加工制作相关技术不断优化，并积累了丰富的复合绝缘横担质量检测、施工应用相关经验，此种新型输电杆塔的利用，降低了资源耗损量，同时也减少了灾害事故发生率，满足了输电领域的经济性、安全性应用要求。截至目前，复合绝缘材料杆塔已经在近100项工程中得到应用。

2  技术特性分析

2.1  典型结构

复合绝缘横担主要采用绝缘子横担或配合绝缘拉杆结构型式。有直接采用1根绝缘子横担结构型式，有采用1根绝缘子横担并架设1根斜拉式绝缘子结构型式，有2根绝缘子横担架设1根斜拉式绝缘子结构型式，还有2根绝缘子横担架设2根斜拉式绝缘子结构型式。

2.2  机械性能

复合材料具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能及减震性能好等优点。复合材料多年的研究及应用经验表明，复合材料的机械强度可超过普通碳素钢的强度。

复合材料成型工艺灵活，其结构和性能具有很强的可设计性。其具有多方向受力能力强的特征，并且自身韧性大、刚度高，还具备一定的可塑性，能够以最大限度接近预期目标，满足工程性能要求。

力学真型试验设计参数见表1。

在满足110、220及500 kV力学真型试验设计参数的条件下，3个电压等级实验结果总结如下：

1）110 kV横担通过了7个工况100%设计荷载，其中0度大风工况超载至345%，横担未见异常。覆冰工况，横担位移180 mm；断导线工况，横担位移240 mm。

2）220 kV横担通过了3个极限工况100%设计荷载，横担未见异常。断导线工况，横担位移101 mm。

3）500 kV横担通过了4个极限工况100%设计荷载，其中断导线工况超载至150%，横担未见异常。断导线工况，横担位移54 mm。

综上，复合材料强度满足设计条件，但挠度较大，复合材料设计应以挠度控制为主。可通过结构设计来克服复合材料挠度大的缺点；采用三角稳定结构能够有效减小横担位移。

2.3  防雷

在不改变塔窗结构的条件下，采用复合绝缘横担后，雷电冲击绝缘间隙长度比常规铁塔明显增大；采用复合绝缘横担可以提升线路耐雷水平。表2为110、220及500 kV典型直线塔悬垂串长与复合绝缘横担设计长度。

表2  复合绝缘横担塔与常规铁塔对比

采用复合绝缘横担后，雷电冲击绝缘间隙长度比常规铁塔明显增大，复合绝缘材料杆塔的绕、反击耐雷水平相比同电压等级普通铁塔均有提升。同时，由于复合绝缘横担具有很强的可设计性，可在多雷区可根据线路实际情况增大复合绝缘横担长度，进一步提升耐雷水平。

综上，复合绝缘材料杆塔与普通铁塔相比，有着优越的防雷性能，在杆塔其他结构不变，仅将钢制横担换成复合绝缘横担的条件下，复合绝缘横担塔有着更高的耐雷水平和更低的雷击跳闸率。

2.4  防风偏

复合绝缘横担是采用拉挤实心圆棒制成，表面压接硅橡胶伞裙，承担全部的绝缘性能。复合绝缘横担的使用完全取消悬式绝缘子串，端部仅通过线夹与导线相连，在风载作用下偏移量很小，从根本上解决了挂点处风偏的问题。按照架空输电线路设计的相关规定，在满足带电部分与杆塔构件的最小间隙的条件下，以220 kV为例，复合绝缘横担与常规铁塔横担导线挂点处间隙圆对比图如图1所示。

复合绝缘横担导线挂点处为同心圆，摆动极小；常规铁塔横担导线挂点处为偏心圆，有较大的摆动空间（图2）。与常规铁塔相比，复合绝缘横担塔在输电线路防风偏方面具有明显优势。

相比传统铁塔，输电线路采用复合绝缘横担在大风地区可大幅度提升输电线路的稳定可靠性。

2.5  防覆冰

复合绝缘横担采用的是水平布置形式，与常规的垂直布置形式相比，不会出现绝缘子纵向穿越冰凌的现象，此种布置形式有利于提高冰闪电压，在覆冰情况相同时，复合绝缘横担所产生的冰闪电压要比垂直布置的杆塔更高。由于复合绝缘横担材料表面性能与PRTV防污闪材料相近，在實验室对RPTV和钢棒2种材料进行覆冰特性试验（表3），通过对比黏附力、覆冰量、冰凌长度和水平/垂直放置脱落时间等测试结果，确定复合绝缘横担较常规铁塔防覆冰性能更有优势。

综上，复合材料在防覆冰方面明显优于常规铁塔材料，且由于其横担水平放置，进一步降低杆塔的冰闪概率。

2.6  防污秽

复合绝缘横担外表面采用伞裙结构，其污秽性能与复合绝缘子污秽性能一致。由复合绝缘横担代替铁塔横担，在塔窗结构不变的条件下，爬距明显增大，耐污水平大幅提升。同时，复合绝缘横担具有很强的防污设计性。在复合绝缘横担绝缘结构高度不变时，可增大伞裙密度来提高爬距，从而提升耐污水平。

由于复合绝缘横担水平布置，因雨水冲刷，其积污量要远低于传统铁塔中垂直布置的绝缘子，此种布置形式下污闪通道更窄，在污秽情况与垂直布置绝缘子形式一致时，所产生的污闪电压将更高。另外，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。复合绝缘横担在运行中基本不需要清扫，可以保证在四级污秽区安全运行。

2.7  经济性

受到复合绝缘横担塔结构形式的影响，输电走廊的宽度可以有效压缩，能够降低工程拆迁成本，并可以减少拆迁阻碍，简化拆迁过程，可以降低输电线路工程施工对社会环境所造成的不利影响。与此同时，复合绝缘横担自身制作成本较低，能够减少工程量指标，且在批量化生产模式下，成本还可进一步压缩，利于工程造价的有效控制。

相较于传统以钢材料制成的输电塔杆而言，复合绝缘横担的制作材料性能更佳，绝缘子造价更低，输电走廊宽度也更窄且杆塔高度也更低，因此材料成本更加节约，能够降低输电线路的总体建设成本。不同线路中复合绝缘横担塔与角钢塔主要参数对比分别见表4和表5。

表4  110 kV单回线路复合绝缘横担塔与角钢塔主要参数对比

表5  220 kV双回线路复合绝缘横担塔与角钢塔主要参数对比

与角钢塔相比，110 kV单回线路当中，复合绝缘横担的杆塔降低了3 m，输电走廊宽度减少了1 m，同时复合绝缘横担塔材自重仅为7.3 t，比角钢塔的8.4 t降低了1.1 t，但复合绝缘横担的本体造价增长了33.45%。

220 kV复合绝缘横担塔塔高降低10%，线路走廊减少10.3%，塔重减轻13%，但220 kV复合绝缘横担本体造价增长45.43%。

以上经济性分析并未考虑线路走廊拆迁费用与时间成本，在人口密集走廊紧张地区，拆迁成本甚至超过线路本体造价。因此，从综合成本考虑，在特殊地区采用复合绝缘横担更有经济优势。

3  结论

复合绝缘横担作为一种低碳、节能、环保，以及符合工艺美学的新型结构，代表了输电杆塔结构的发展方向之一。在输电线路应用复合绝缘横担， 能够降低资源损耗、环境污染度较小，并能实现输电线路工程中新型工艺技术及材料的合理应用，更加契合国家电网公司输电线路建设的新要求，不仅能够降低输电线路敷设成本，后期运营成本也更低，同时还可保障输电线路的应用功能。通过合理的设计，将复合绝缘横担在输电线路工程上推广应用，具有重要的社会意义和经济效益。

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