李國(guó)堯，況驕庭，錢(qián) 鋒

（浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州 310012）

智能變電站電纜、光纜，除少數(shù)直埋或局部穿管敷設(shè)于地下外，其余絕大部分都敷設(shè)于電纜支架上。傳統(tǒng)的金屬支架容易出現(xiàn)焊縫毛糙、銹蝕等問(wèn)題，電纜敷設(shè)時(shí)易損傷線纜外皮。隨著智能變電站建設(shè)工作的推進(jìn)，光纜的大量使用并逐步替代控制電纜，對(duì)電纜敷設(shè)工藝質(zhì)量要求不斷提高，為滿足運(yùn)行安全可靠、工藝質(zhì)量一流的要求，復(fù)合材料電纜支架以其優(yōu)良的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性得到廣泛應(yīng)用[1-2]。

1 傳統(tǒng)金屬電纜支架缺點(diǎn)

鋼電纜支架是電力系統(tǒng)中應(yīng)用歷史最長(zhǎng)的電纜支架，其強(qiáng)度高，能適用于各種場(chǎng)合，制作也比較簡(jiǎn)單方便[3-4]，但有以下缺點(diǎn)：

（1）鋼材用量大，資源消耗多。

（2）生產(chǎn)制造過(guò)程耗能大、工序多、周期長(zhǎng)，并且由于切割和焊接，角鋼支架上毛刺很難杜絕，給敷設(shè)電纜帶來(lái)隱患。

（3）在許多惡劣環(huán)境條件下，例如溝（隧）道、多雨潮濕或沿海鹽霧地區(qū)戶外等場(chǎng)合，使用角鋼電纜支架極易被銹蝕。

（4）現(xiàn)有條件下角鋼支架鍍鋅工藝給環(huán)境帶來(lái)非常大的壓力。

（5）傳統(tǒng)角鋼支架后期的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高，使用壽命也較短。

（6）為避免渦流損耗甚至是弧光放電，電力電纜特別是大電流回路電力電纜敷設(shè)不能采用。

（7）現(xiàn)場(chǎng)施工安裝需要大量的焊接操作，溝（隧）道內(nèi)支架整齊度難以保證，電纜敷設(shè)不美觀。

2 復(fù)合材料電纜支架

2.1 復(fù)合材料的種類

隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，質(zhì)量密度低、強(qiáng)度高、不易銹蝕的新型防火高分子復(fù)合材料越來(lái)越受到重視。復(fù)合材料是用2種或多種組分按一定方式組合而成的材料，常見(jiàn)電纜支架用復(fù)合材料有SMC（片狀膜塑料）復(fù)合材料、熱固性復(fù)合材料、塑包鋼材料[5]。

SMC復(fù)合材料主要由GF（專用紗）、UP（不飽和樹(shù)脂）、低收縮添加劑，MD（填料）及各種助劑組成。

熱固性FRP（纖維增強(qiáng)塑料）復(fù)合材料支架主要由起增強(qiáng)作用的無(wú)堿玻璃纖維和起粘結(jié)作用、傳遞載荷作用的樹(shù)脂組成。

鋼塑復(fù)合材料電纜支架結(jié)合鋼材和復(fù)合材料各自的優(yōu)點(diǎn)，在鋼材表面覆蓋一層復(fù)合材料成分。

2.2 智能變電站對(duì)復(fù)合材料電纜支架要求

（1）選用復(fù)合材料電纜支架時(shí)，應(yīng)考慮環(huán)境溫度及其變化對(duì)機(jī)械強(qiáng)度、性能的影響，產(chǎn)品耐高/低溫試驗(yàn)的極端溫度范圍應(yīng)滿足工程環(huán)境溫度條件。

（2）復(fù)合材料電纜支架需通過(guò)耐酸、堿、鹽腐蝕度試驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品耐腐蝕性進(jìn)行考核。

（3）根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》以及支架產(chǎn)品設(shè)計(jì)的規(guī)定，托臂外端部承受的最大荷載按照可能短暫上人90 kg附加集中載荷設(shè)計(jì)，托臂的撓度值5 mm時(shí)，托臂應(yīng)無(wú)變形、裂紋、斷裂等現(xiàn)象。復(fù)合材料的支架托臂承載能力為最初產(chǎn)生的永久性變形時(shí)的最大荷載除以1.5倍安全系數(shù)，極限承載能力（豎直方向）需170 kg。

（4）智能變電站設(shè)計(jì)對(duì)阻燃電纜的阻燃性要求，一般為氧指數(shù)30%。而對(duì)復(fù)合材料電纜支架（立柱和托臂）的阻燃性要求應(yīng)高于阻燃電纜，應(yīng)達(dá)到該類材料的最高阻燃等級(jí)V-0級(jí)，V-0級(jí)氧指數(shù)38%。

（5）復(fù)合電纜支架宜采用膨脹螺栓固定安裝方式。

3 復(fù)合材料電纜支架技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

復(fù)合材料與金屬材料相比，具有耐腐蝕、機(jī)械強(qiáng)度高、阻燃特性好、電絕緣性能優(yōu)良、不導(dǎo)磁、無(wú)渦流、施工安裝便利、壽命長(zhǎng)，免維護(hù)等的優(yōu)點(diǎn)，二者技術(shù)性能對(duì)比見(jiàn)表1。

復(fù)合材料通過(guò)改變組分材料品種、比例以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可替代鋼材，改善機(jī)械性能。復(fù)合材料可通過(guò)配方設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)難燃、低煙、無(wú)鹵、無(wú)毒。由表1可知，復(fù)合材料支架綜合性能優(yōu)于鋼支架。

表1 電纜支架技術(shù)性能對(duì)比

統(tǒng)一按照?qǐng)D1規(guī)格進(jìn)行不同材料電纜支架的單副支架費(fèi)用比較見(jiàn)表2。

圖1 某電纜支架規(guī)格

由表2的分析可得，按30年壽命周期費(fèi)用計(jì)算，復(fù)合材料支架的費(fèi)用最低，有較好的經(jīng)濟(jì)性。按國(guó)家電網(wǎng)公司通用設(shè)計(jì)考慮，某500 kV智能變電站應(yīng)用新型復(fù)合材料電纜支架，全壽命周期30年內(nèi)按鋼制支架更換1次考慮，費(fèi)用節(jié)省162.9元×1 700副＝27.7萬(wàn)元。

表2 電纜支架經(jīng)濟(jì)分析對(duì)比 元

4 復(fù)合材料電纜支架性能試驗(yàn)分析

對(duì)某公司提供工程應(yīng)用的復(fù)合材料和金屬材料電纜支架樣品（批量產(chǎn)品中隨機(jī)抽樣），根據(jù)有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，委托檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)4種電纜支架的主要性能做了檢測(cè)。前3種（SMC，熱固性FRP，塑包鋼）屬于復(fù)合材料，U型鋼屬于金屬材料，支架外形見(jiàn)圖2。

（1）正向承載能力試驗(yàn)：電纜支架呈正常安裝狀態(tài)，在支架最遠(yuǎn)端正向施加載荷，直至支架局部或整體發(fā)生破壞或較大變形時(shí)停止試驗(yàn)，計(jì)算電纜支架相對(duì)于支撐根部點(diǎn)的彎矩。

（2）側(cè)向承載能力試驗(yàn)：電纜支架呈正常安裝狀態(tài)，在支架最遠(yuǎn)端側(cè)向施加載荷，直至支架局部或整體發(fā)生破壞或較大變形時(shí)停止試驗(yàn)，計(jì)算電纜支架相對(duì)于支撐根部點(diǎn)的彎矩。

（3）耐高低溫循環(huán)測(cè)試：電纜支架交替置于-20℃和80℃的環(huán)境中，歷時(shí)5天，試驗(yàn)之后重復(fù)試驗(yàn)上述2個(gè)試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表3、表4，綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面，對(duì)比可見(jiàn)復(fù)合材料電纜支架性能優(yōu)于金屬材料電纜支架。在上述3種復(fù)合材料電纜支架中，SMC材料的性能較優(yōu)。

圖2 電纜支架外形圖

表3 常規(guī)試驗(yàn)

表4 耐高低溫循環(huán)試驗(yàn)

5 結(jié)語(yǔ)

在滿足電纜敷設(shè)要求下，配置電纜支架需堅(jiān)持結(jié)構(gòu)合理，費(fèi)用經(jīng)濟(jì)、外形美觀的設(shè)計(jì)理念。從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面比較分析，得出復(fù)合材料電纜支架性能更優(yōu)的結(jié)論。復(fù)合材料電纜支架技術(shù)先進(jìn)、外表光潔，機(jī)械比強(qiáng)度和比模量大，耐腐蝕、絕緣性能優(yōu)良、全壽命周期綜合效益高，特別適用于東部沿海等污穢地區(qū)、腐蝕性環(huán)境場(chǎng)所以及工藝質(zhì)量外觀要求較高的智能變電站工程應(yīng)用，其良好的工藝外觀以及安裝便利性為提高電纜敷設(shè)工藝質(zhì)量提供了保證。

[1]GB 50217-2007電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2008.

[2]浙江省電力公司基建部.變電工程標(biāo)準(zhǔn)化工藝設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[3]張樹(shù)華，顧鈞揚(yáng).復(fù)合材料電纜支架[J].廣東電力，2001，14（6）：33-36.

[4]史任卿，鄭恩國(guó).高強(qiáng)度復(fù)合材料電力電纜支架技術(shù)性能研究[J].供用電，2011（2）：61-64.

[5]李聰華.復(fù)合材料電纜支架在地鐵中的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[J].電氣化鐵道，2005（1）：45-47.