復(fù)合材料桿塔的應(yīng)用研究及展望

輸電線路復(fù)合材料桿塔的應(yīng)用研究及展望

曹小平 ¹   孫竹森 ²   陳新 ³    張卓 ³   胡良全 ¹

(1 北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司 ,2 國家電網(wǎng)公司 ,3 中國電力科學(xué)研究院）

摘 要 ：本文綜述了輸電線路復(fù)合材料桿塔的主要應(yīng)用特點與需求，對國內(nèi)外輸電線路復(fù)合材料桿塔的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了綜述分析，簡述了輸電線路復(fù)合材料桿塔的應(yīng)用成本分析及制約因素，介紹了輸電線路復(fù)合材料桿塔成型工藝狀況，提出了輸電線路復(fù)合材料桿塔應(yīng)解決的關(guān)鍵技術(shù)，對輸電線路復(fù)合材料桿塔的應(yīng)用前景進行了展望。

1. 引言

輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)，是電力架空線路設(shè)施中特殊的支撐結(jié)構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)性能直接影響著線路的安全性、經(jīng)濟性和運行可靠性。隨著我國電網(wǎng)的發(fā)展，輸電線路工程呈現(xiàn)出長距離、規(guī)�；�、大型化的發(fā)展趨勢。目前，輸電線路桿塔一般由鋼材和混凝土組成。特別是大量鋼結(jié)構(gòu)桿塔的使用，其對鋼材的需求量也在逐年上升，消耗了大量礦產(chǎn)資源，造成生態(tài)環(huán)境的污染。同時，大量采用鋼材作為鐵塔材料，也給桿塔的施工運輸、運行維護帶來了諸多困難。因此，采用新型環(huán)保復(fù)合材料代替鋼材成為輸電行業(yè)的一種發(fā)展趨勢。

利用復(fù)合材料的絕緣性，不僅易于解決輸電線路的污閃事故，提高線路安全運行水平，減小塔頭尺寸與走廊寬度；桿塔輕便，大幅度地降低桿塔的運輸和組裝成本；桿塔耐腐蝕、被盜可能性小的特點，可降低線路的維護成本；同時由于桿塔顏色可調(diào)，增強了線路的環(huán)境友好性。因此復(fù)合材料在一定程度上是建造輸電桿塔結(jié)構(gòu)的材料之一。

    由于復(fù)合材料桿塔的絕緣等級高（30KV/mm），可以大幅度的縮小輸電通道走廊寬度。圖1所示�？s小輸電通道走廊可節(jié)省寶貴土地資源，輸電通道資源緊缺是電網(wǎng)發(fā)展過程中的國際性的問題。

圖 1 應(yīng)用復(fù)合材料桿塔縮小走廊寬度

人均耕地面積小，廣東珠三角地區(qū)電力負荷密度過高，電網(wǎng)建設(shè)占地過多的矛盾尤其突出。到2030年西電東送采用交流500 kV送電方案需增加16回線路，走廊寬達960m，占地面積217萬畝；采用交流1000 kV送電方案走廊寬度為500m，占地面積110萬畝；而采用直流土800 kV送電，走廊寬度為300m，占地僅70萬畝。                                              

    隨著上海、北京等發(fā)展，已經(jīng)進入國際化大都市行列，城市美化、輸電線路絕緣等級提高，也使得復(fù)合材料桿塔有了新的應(yīng)用目標。在過去經(jīng)濟條件不許可下，城市配網(wǎng)線路中主要采用水泥桿，隨著使用時間延長，需要大量更換。

復(fù)合材料桿塔具有抗煙霧及酸雨、大風等自然災(zāi)害能力強等特點， 安裝后不需維護，國外的桿塔預(yù)測使用壽命長達80年。 應(yīng)用復(fù)合材料的耐腐蝕特性，對沿海地區(qū)的輸電線路的維護要求顯著降低。

2 國內(nèi)外復(fù)合材料桿塔的應(yīng)用現(xiàn)狀

復(fù)合材料電桿在 40 多年以前已有研究，由于工藝技術(shù)和樹脂配方問題導(dǎo)致抗老化性能差，壽命短，未能在實際工程線路中得到實際應(yīng)用。隨著樹脂和纖維材料性能的改進和制造技術(shù)的進步，復(fù)合材料電桿重新受到世界各國輸電行業(yè)的重視。采用拉擠或纏繞成型工藝進行生產(chǎn)，材料性能得到提高，成本也已大幅降低。纏繞型低成本電桿在美國已經(jīng)投入使用，并且拉擠結(jié)構(gòu)輸電塔也已研制成功。

2.1 國外復(fù)合材料桿塔應(yīng)用研究概況

輸電線路復(fù)合材料桿塔由于其優(yōu)良的綜合性能已經(jīng)在歐美得到應(yīng)用，其中研究開發(fā)和應(yīng)用最為成熟的是美國。美國各大輸配電公司對復(fù)合材料桿塔表現(xiàn)出濃厚的興趣，各制造企業(yè)也積極研制開發(fā)出各種復(fù)合材料桿。美國的 Ebert Composites 公司、 Powertrusion Composites 公司、 Shakespear 公司、 North Pacific 公司和 CTC 公司等制品廠家都開發(fā)了自己的復(fù)合材料桿產(chǎn)品，并申請專利和得到了比較廣泛的應(yīng)用。如圖 2 ～圖 6 所示。

圖 2 Ebert Composites 公司的復(fù)合電桿      圖 3 CTC 公司研究設(shè)計的復(fù)合電桿示意圖

圖4 powertrusion公司研制的復(fù)合電桿        圖5 復(fù)合材料電桿的野外施工

加拿大的 RS 公司是一個先進復(fù)合材料的開發(fā)商，研究開發(fā)了獨特設(shè)計的復(fù)合材料桿塔（見圖 7 、圖 8 ），具有重量輕和安裝方便的特點，被南加州愛迪生公司的“未來電路”項目選中，該項目是美國最先進的近傍電力線路。采用的聚氨酯樹脂體系具有創(chuàng)新性，比常規(guī)不飽和聚酯樹脂加工的復(fù)合材料有更大的強度、耐沖擊力和較大比強度等優(yōu)勢。

圖6 Shakespear公司研制的復(fù)合電桿及橫擔

圖7 RS公司生產(chǎn)復(fù)合電桿           圖8 RS公司生產(chǎn)不同規(guī)格復(fù)合電桿

1996 年，美國公司和圣地亞哥煤氣電力公司（ SDGE ）和南加利福尼亞愛迪生公司（ SCE ）合作，針對南加利福尼亞海濱奧德比奇的一條 22 萬線路，開發(fā)了三基復(fù)合材料格構(gòu)式輸電塔，但是否真正通電運行有待考證。

荷蘭 Movares 工程咨詢公司 2005 年完成了荷蘭電網(wǎng)一條 1.5 公里 380/150kV 試驗線路的方案設(shè)計，該方案旨在利用復(fù)合材料桿塔的電氣絕緣性能以改善輸電線路電磁場對環(huán)境的影響。該項目曾一度受到歐盟重視。Exel Compsites 國際集團（分部主要在澳大利亞、奧地利、比利時、芬蘭、德國、英國）針對電網(wǎng)應(yīng)用實際情況研制了復(fù)合材料桿塔，集團成立了專門的部門進行市場運作。意大利 Topglass Composites 公司也生產(chǎn)了復(fù)合材料桿結(jié)構(gòu)，并且已經(jīng)實現(xiàn)了商品產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用于路燈。

圖9 美國220KV復(fù)合材料格構(gòu)式輸電塔   圖 10 南加州愛迪生公司建造的 115kV 復(fù)合輸電桿

從詹姆斯戴韋遜（ Shakespeare 公司研發(fā)部副主任）的綜述報道來看， 1954 年就有 復(fù)合材料 電桿制造，同時也進行了安裝使用，至今仍在服務(wù)中。在高度鹽霧腐蝕并經(jīng)常經(jīng)受颶風的夏威夷島上，已有使用了 40 多年的電桿，仍在繼續(xù)工作。

美國在復(fù)合材料電桿方面的研究開發(fā)和應(yīng)用最為成熟。 EbertComposites 公司 1996 年研制復(fù)合材料輸電桿塔，并在加利福尼亞奧蒙德比奇發(fā)電站安裝了三基試驗桿塔，試驗環(huán)境位于高鹽污染地區(qū)的南加利福尼亞海濱。運行資料表明，這些桿塔直至 2000 年都能保持穩(wěn)定的性能。觀察報告表明，投運最初 7 個月以后運行正常，沒有發(fā)現(xiàn)明顯放電痕跡，也沒發(fā)現(xiàn)機械損傷和電氣損傷。 Shakespeare 玻纖產(chǎn)品公司 1993 年 ~1995 年相續(xù)研制成功復(fù)合材料配電桿及輸電桿，符合公用電工業(yè)的所有機械和電氣標準，首批架設(shè)的 5000 根用于美國山區(qū)的主配電協(xié)同，該地區(qū)冬季雪量可能超過 3m 厚，積雪期達 6 周，風速可達 33m /s 。

圖 11  運行中的 69kV 交叉線路復(fù)合輸電桿       圖12 復(fù)合輸電桿的運輸?shù)跹b

圖 2.3 中展示的 FRP 桿最長可達 80 英尺 （ 27.84m），底部直徑為 24.38 英寸（ 619cm ），重量為 1350 磅 （ 611.5kg ）。適用于110kV 及以下電壓等級的輸電線路。另外，由于復(fù)合材料質(zhì)的輕質(zhì)特性，對于復(fù)雜的地形條件，其還可采用直升機運輸?shù)姆绞剿偷种付ㄋ�位�?/span>

除此之外，荷蘭 Movares 工程咨詢公司 2005 年完成了荷蘭電網(wǎng)一條 1.5 公里 380/150kV 試驗線路的方案設(shè)計，該方案旨在利用復(fù)合材料桿塔的電氣絕緣性能以改善輸電線路電磁場對環(huán)境的影響。該項目曾一度受到歐盟重視。 Exel Compsites 國際集團（分部主要在澳大利亞、奧地利、比利時、芬蘭、德國、英國）針對電網(wǎng)應(yīng)用實際情況研制了復(fù)合材料桿塔，集團成立了專門的部門進行市場運作。意大利 Topglass Composites 公司也生產(chǎn)了復(fù)合材料桿結(jié)構(gòu)，并且已經(jīng)實現(xiàn)了商品產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用于路燈。

隨著應(yīng)用范圍的加大，目前，美國已制定了相關(guān)的產(chǎn)品標準。歐美等國的成功經(jīng)驗證實了復(fù)合材料在輸電桿塔領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，同時也為其在我國的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2.2 國內(nèi)研究概況

南方電網(wǎng)的廣東電網(wǎng)公司于 2007 年針對復(fù)合桿塔的應(yīng)用研究進行了立項，項目選用了加拿大 RS 公司的復(fù)合桿塔，其力學(xué)真型試驗在中國電力科學(xué)研究院進行。同時，項目開展了包括電氣性能、機械性能、老化性能等關(guān)鍵性問題在內(nèi)的研究。

鞍山鐵塔開發(fā)研制中心與鞍山鐵塔廠合作，于 2006 年在遼寧省電力公司立項研制高強度復(fù)合材料桿塔。采用了兩段插接八邊形 20m 長桿，端部加載 3t 情況下，桿頂撓度為 2m 。常熟市鐵塔有限公司曾與加拿大 RS 公司洽談合作復(fù)合材料桿塔項目，但因為 RS 公司要求過高而未能達成一致意見。除此之外，國內(nèi)已有多家生產(chǎn)企業(yè)開始對復(fù)合桿塔的應(yīng)用進行探索研究。溫嶺市電力絕緣器材有限公司自 1995 年開始研究復(fù)合材料，研制成功了 220kV 及以下?lián)屝匏�（門形、帶拉線）、 110kV 復(fù)合材料橫擔和桿頭，其中搶修塔已經(jīng)進行了多項電氣和物理性能試驗，并在工程中得到應(yīng)用。

2009 年 6 月，國家電網(wǎng)公司基建部組織了 “ 復(fù)合材料桿塔項目啟動會 ” ，中國電力科學(xué)研究院、國網(wǎng)電力科學(xué)研究院與各省電力公司與設(shè)計院、材料廠家密切配合，選取了典型環(huán)境的試點工程，全面開展了復(fù)合材料桿塔的基本材料性能、老化性能（酸、堿、鹽、紫外老化特性等）、電性能、淋雨、防覆冰材料、真型結(jié)構(gòu)試驗與構(gòu)件連接技術(shù)試驗、防雷接地試驗等，并在部分試點工程線路上進行復(fù)合材料桿塔 / 復(fù)合材料絕緣橫擔構(gòu)件運行試驗，圖 1 3 ～圖16。

圖 13 復(fù)合材料絕緣橫擔應(yīng)用            圖 14 上段為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的桿塔

圖 15 復(fù)合材料桿塔真型試驗        圖 16 直徑 1200mm 的復(fù)合材料電桿等待試驗

通過國網(wǎng)試點工程的應(yīng)用試驗，清楚地認識到， 輸電線路跨越距離長，長期處于各種復(fù)雜的自然環(huán)境和氣象條件下，輸電桿塔必須滿足強度、剛度、抗疲勞、耐久性等性能要求。同時，輸電桿塔作為輸電導(dǎo)線的支撐結(jié)構(gòu)，必須滿足必要的電氣性能要求。因此，將其應(yīng)用于輸電桿塔中還存在以下瓶頸及制約，需要給予極大的關(guān)注：(1) 材料剛度/桿體撓度問題。 (2) 節(jié)點連接問題/防雷接地與疲勞、可靠性。 (3) 熱穩(wěn)定性問題/自然老化問題。(5) 回收/環(huán)境問題。(6) 成本問題。國家電網(wǎng)公司擬進一步開展復(fù)合材料在輸電桿塔上的應(yīng)用研究，解決應(yīng)用瓶頸問題。

3   成型工藝研究狀況

目前，復(fù)合材料桿塔的制造主要有兩種方式，即拉擠成型和纏繞成型。

圖17 纏繞成型復(fù)合桿塔生產(chǎn)過程         圖18 拉擠成型復(fù)合材料桿塔生產(chǎn)過程

3.1 纖維纏繞工藝  

將浸過聚酯樹脂的玻纖粗紗按照指定線型連續(xù)纏繞在軸上。控制芯軸轉(zhuǎn)速和軸與絲嘴的相對運動速度可以調(diào)節(jié)到所需的纏繞角度，與軸向形成 7 度到將近 90 度范圍的纏繞角。纖維層數(shù)要根據(jù)電桿的等級性能的要求而定。纏繞完畢后加熱固化，固化完畢脫模。可用水壓裝置將管從芯軸上脫掉，然后后切割、打孔，安裝腳踏。  

3.2 拉擠成型  

拉擠成型使用拉擠成型機使纖維增強塑料連續(xù)成型的一種成型加工法，連續(xù)增強纖維浸漬活性樹脂后通過熱型模，材型即確定，再根據(jù)需要按照一定長度進行切割。此工藝近幾年發(fā)展最快，主要發(fā)展方向是為港口、輸電、土木等基礎(chǔ)設(shè)施工程和高層建筑工程提供厚壁結(jié)構(gòu)板型件。該工藝比較適合于復(fù)合材料橫擔和多邊形電桿的制造，機場籬及其他類似結(jié)構(gòu)也采用拉擠工藝。拉擠工藝可加工具有等橫截面、徑向強度和剛度較高的結(jié)構(gòu)件。美國 Elberta 公司正在設(shè)計、試制高壓輸電塔的大型拉擠成型結(jié)構(gòu)件，塔高 25.58m ，重 2.59t ，全部用復(fù)合材料件裝配組成。   

4   應(yīng)用展望

    分析復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢，其在輸電線路桿塔領(lǐng)域的應(yīng)用，具有廣泛的需求背景和巨大的潛在市場容量。在材料技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、試驗技術(shù)等取得突破的基礎(chǔ)上，在國家電網(wǎng)公司的試點工程應(yīng)用的引領(lǐng)下，經(jīng)過電力設(shè)計單位及復(fù)合材料制造單位的共同努力，輸電復(fù)合材料桿塔的應(yīng)用前景廣闊，但是風險與利益共存。

  參考文獻

1. 夏開全等，復(fù)合材料在輸電桿塔中的研究與應(yīng)用，高科技纖維與應(yīng)用 2005 年 10 月第 5 期 .

2. 任宗棟等，復(fù)合材料在輸電桿塔中的應(yīng)用研究，玻璃鋼 / 復(fù)合材料 年會 2010 年 09 月 , 北京 .

3. 曹小平等，輕質(zhì)復(fù)合材料桿塔設(shè)計與研制，第七屆功能材料會議， 2010.10 月，長沙。