復合材料桿塔技術和應用現狀

任勃潭

摘要： 隨著社會市場經濟的發展，我國電力工業也得到了快速發展。在社會發展過程中，電力需求急劇增加的同時，對供電提出了更高的要求，既滿足了最基本的用電需求，又保證了供電的安全可靠。架空電力線路是電網建設過程中常見的供電方式。鐵塔是輸電線路敷設形式中最重要的組成部分。隨著各種技術的進步，輸電線路復合桿塔的研究越來越受到重視。本文主要對其進行了簡單的分析和研究。

關鍵詞： 輸配電線路；復合材料；桿塔應用實踐

1 復合材料桿塔的構成材料選擇及其特性

目前，絕緣桿塔主要由復合材料構成，而復合材料按基體材料可分為聚合物基復合材料、金屬基復合材料和陶瓷基復合材料。由于金屬基復合材料有良好的導電性，而研究復合桿塔的主要目的就是增大導線對地的絕緣距離，因此從導電性上來說，金屬基復合材料與傳統鐵質桿塔無異，不予考慮。陶瓷基復合材料主要用于耐高溫的場合，而且制造工藝復雜，目前也缺少耐高溫纖維，所以陶瓷基復合材料發展緩慢，生產成本也相對較高。聚合物基復合材料相對成熟，各方面特性也較優良，是生產復合材料桿塔的理想材料。實際上，國外相對成熟的復合材料桿塔均采用聚合物基復合材料。除了以上特點外，聚合物基復合材料桿塔還有以下獨特的優點（以玻璃纖維增強樹脂基復合材料為例）。（1）比強度、比模量高。玻璃纖維增強樹脂基復合材料的密度為1.5"--2.Og/cm3，只有普通碳鋼的1/4～1/5，比鋁合金還要輕1/3左右，而機械強度超過普通碳鋼的標準，比強度大大超過普通碳鋼。復合材料的高強度和高模量來源于增強纖維的高性能和低密度，玻璃纖維由于模量相對較低、密度較高，因此玻璃纖維樹脂基復合材料的比模量低于金屬材料。（2）耐疲勞性能好，安全性能高。金屬材料疲勞破壞時，無明顯預兆，突發性強；而復合材料疲勞破壞時，有明顯預兆。由于復合材料基體中大量的獨立纖維是力學上典型的靜不定體系，當少數纖維發生斷裂時，其失去部分載荷又會通過基體的傳遞而迅速分散到其它完好的纖維上，因此復合材料在短期內不會喪失承載能力。（3）瞬時耐高溫、耐燒灼性好。玻璃鋼的導熱系數只有金屬的1%。據相關數據分析，在丙烷火焰直接作用下，復合材料桿塔會以有限的火焰悶燒，而當丙烷火焰移開時就停止悶燒，火焰熄滅。涂有防火材料的復合桿塔能耐受兩次森林大火的襲擊而不失去其承載能力。（4）優異的絕緣性能和電磁性。玻璃纖維增強樹脂基復合材料是一種優良的電氣絕緣材料。復合材料桿塔能減小導線與塔身間隙，使輸電線路結構更為緊湊，減少線路走廊寬度。復合材料還不受電磁干擾，可改善塔基周圍的電磁環境。（5）耐化學腐蝕。復合材料具有優良的耐化學腐蝕性能。如玻璃纖維增強酚醛樹脂復合材料，在含氯原子的酸性環境中可長期使用，從而為酸堿腐蝕嚴重地區的桿塔提出了解決方案。（6）防污閃、濕閃。絕緣子和復合材料桿塔的配合，使污穢和潮濕環境下的爬電距離顯著增加，且桿塔可設計成自清潔能力較強的結構，減少污閃、濕閃事故的發生。（7）利于帶電作業。復合材料桿塔的絕緣距離較大，有利于帶電更換線路絕緣子等高空帶電作業，簡化帶電作業的操作步驟。（8）不生銹、防紫外線、防鳥害、環境適應性好。

2 輸電線路復合材料桿塔關鍵技術細節

2.1 結構設計和優化

在桿塔結構設計及優化工作中，其重點內容是要能夠協調好經濟性、變形以及結構強度之間的關系，下面就主要針對此進行簡單分析研究。（1）選擇合適的材料設計強度在桿塔材料設計強度的選擇過程中，想要很好的滿足構件的強度要求，就需要依據材料的腐蝕老化試驗結果及基本力學性能，對實測值進行修正，并根據實際的工程設計要求，選擇材料的設計強度值為測試強度與0.6的乘積。（2）選擇桿塔外形在桿塔外形選擇及優化的過程中，應該充分的考慮其經濟性及變形，在桿體的選形過程中，可以應用ANSYS有限元程序應用SOLID46層狀單元來進行模擬，在優化的過程中，其控制因素主要有正常工況下的塔重最輕、材料強度、桿頂擾度等。（3）選擇加工工藝在桿塔加工的過程中，各種加工工藝都會對最終的加工質量產生影響，這就需要在綜合考慮各種影響因素的基礎上，選擇合適的加工工藝，在實際的加工過程中，纖維層的鋪設方向、玻璃鋼的加工工藝等都會對桿塔的承載力產生一定的影響，選取FH35塔的加工作為實例進行分析，其桿體結構劃分為四層，從上到下表現為：表面抗老化功能層、纖維纏繞外承載層、樹脂/石英砂剛度層、纖維纏繞內密封層，由于其上段桿體中的節點構造比較多，用量較少，其加工過程中應用的是全玻璃鋼纏繞方案，而其下段桿體則應用的是樹脂/石英砂顆粒夾層結構的改進工藝，應用該方案使得桿塔的整體造價顯著降低，在保證其正常運行的同時具有非常好的經濟性性能。

2.2 節點設計和優化

復合材料桿塔的節點設計主要包含：節點方案的選擇及優化兩部分的內容，在節點的選擇及優化的過程中，應該充分的考慮經濟性、加工制造的可行性、連接的可靠性等方面的內容，同時需要綜合的考慮套筒局部變形對膠層開裂的要求、桿塔擾度控制、抗扭強度、上下桿體變形的協調性等方面的要求，以FH35塔為例，對其各種節點構造方案進行簡單分析，金屬法蘭套筒、插接膠粘、管壁預埋金屬螺栓是其常用的幾種節點方案，對這幾種方案的安裝性、可加工性及可靠性進行綜合的考慮，最終選擇了金屬法蘭套筒粘結主桿，在此基礎上，輔以抗扭銷釘連接，這種節點設計方案，具有承載力高、安裝方便、加工方便、抗疲勞性強的優點。應用ANSYS有限元程序對該節點方案進行優化，優化結果表明，主桿與套筒之間的抗剪強度會隨著金屬套筒長度的增加而不斷的增加，但是當其長度值超過臨界值以后，相關的增加趨勢會逐漸趨于穩定，綜合的考慮各種因素，在FH35塔的節點設計工作中，將其套筒的高度確定為0.5米，應用這種設計方案，使得桿塔的節點在實際運行過程中，其應力能夠均勻分布，并且具有較好的強度值。

2.3 橫擔連接和優化

在復合材料桿塔的設計過程中，橫擔連接常用的一種連接結構是拉擠結構，的那是這種連接方式在實際的應用過程中，不具備環向的纏繞層，如果其長期的處于扭轉應力的作用下及疲勞彎曲的狀態下，是很容易導致出現單向纖維分層的，尤其是在其運行過程中受到雷擊作用時，其中的芯棒材料很容易被擊穿，裂紋容易沿著纖維方向開展，從而造成桿塔結構的失效，因此，本次研究中橫擔的連接應用單向拉擠芯材作為彎曲載荷的承載體與纖維交叉纏繞層承擔扭轉載荷的復合結構，這對于橫擔綜合承載能力的提升具有積極的作用。

3 復合材料在我國輸電相塔中的應用前景

輸電桿塔在架空線路工程中應用十分廣泛，市場需求潛力巨大。新時期，我國國民經濟發展迅速，各行各業對于電力的需求日益增加，電力供應問題日漸嚴峻。因此，為了有效解決我國電力能源配置優化問題，我國積極實行“西電東送”以及“全國聯網”戰略，并且積極推進城鄉電網改造等重大工程。對于這些規模浩大的電力工程，必須積極研究出成本低、性能好的輸電桿塔結構。由此可見，復合材料在輸電桿塔中的應用前景十分廣闊。

4 結束語

隨著經濟的發展及各項技術的進步，我國的電力行業取得了較大的發展與進步，復合材料桿塔由于具有諸多的優點，其在電力網絡中的應用范圍逐漸擴大，本文就主要對其特點及其中的一些關鍵技術進行了簡單分析，對于其運行性能的提升具有積極的作用。

參考文獻

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