聚氨酯復合材料低撓度桿塔的研制及實驗驗證

張明龍，張延輝，鄭凌娟，王 健，劉 偉，李衍川，錢 健，陳輝龍

(1 國網福建省電力有限公司電力科學研究院,福建福州 350007；2 博羅元鵬新材料有限公司,廣東惠州 516100)

1 背景

近年來,由于沿海地區環境腐蝕嚴重、臺風和雷暴頻發,而在這些地區多數桿塔的使用年份較為久遠,這就使得傳統的塔桿在惡劣的天氣下易發生倒桿甚至斷桿的現象,同時這種惡劣的環境也會對輸電線路造成嚴重的影響[1]。而復合材料具有很好的耐腐蝕和高強度的特性,自2013 年國內第一條全復合材料電桿供電線路建成以來,復合材料電桿已經在全國多省份得到了大量的應用[2-3]。

雖然經過多年的發展,但是復合材料電桿在使用時還存在一些問題,這些問題也限制了復合材料電桿應用。盡管復合材料電桿斷裂彎矩足夠大、絕緣防雷和耐酸堿鹽腐蝕性能優良,能很好地保障供電安全,但是在載荷下的撓度值卻比水泥電桿大很多,大約是水泥電桿的4倍。這樣的特性使得傳統復合電桿不便用在線路的轉角和終端位置,用在這些位置時,電桿會出現明顯的彎曲現象,對緊線操作也會造成一定的影響[4],如圖1 所示。

圖1 傳統復合電桿的應用狀況Fig.1 Application of traditional composite poles

鑒于復合材料電桿具備的這些優點,使得復合材料電桿已經在供電線路中得到了廣泛的應用[5]。但是它撓度大的缺點也比較明顯,低撓度的復合材料電桿的研制具有一定的現實意義。

2 設計方案

基于以上問題,本論文提出了一種材料成本相當、具有更高強度、更低撓度的復合材料電桿設計,使其具有更廣泛的應用范圍。

常規的復合材料電桿參照水泥電桿的標準尺寸,以Q 級15m 復合電桿為例,傳統復合電桿是梢徑190mm、根徑350mm的錐形結構,此復合電桿在標準檢驗彎矩載荷下頂部撓度達到2m 左右。

我們增大復合電桿的設計直徑后,做成梢徑310mm、根徑510mm的復合電桿,其撓度值從2m 降低到0.9m,彎矩強度值增加了50%,而材料成本僅增加了5%。

3 設計及實驗

3.1 結構設計及材料

本復合材料電桿為樹脂基復合材料,其基體材料為聚氨酯樹脂,增強材料為玻璃纖維纏繞紗。在基體材料的選用上,本論文是使用脂肪族聚氨酯樹脂作為該電桿的表面樹脂,其拉伸強度為61MPa、彈性模量2.5GPa、斷裂伸長率為6%,再選取芳香族聚氨酯樹脂作為結構樹脂,其拉伸強度為65MPa、彈性模量2.6GPa、斷裂伸長率為4%,基體材料性能見表1。此外,復合材料電桿整體分為內結構層和外表層,表面層考慮了抗老化和防滑的功能,其基本結構如圖2 所示。

表1 基體材料的性能Table 1 Properties of matrix materials

圖2 復合材料電桿結構Fig.2 Structure of composite pole

3.2 結構的物理性能

按照國家標準分別對該復合材料電桿的結構進行了拉伸、壓縮和彎曲測試實驗,實驗過程如圖3 所示,試驗后觀察其變化狀況,得出了該結構的性能參數:該結構在軸向拉伸強度為400MPa 時,拉伸處變形較均勻；軸向壓縮強度在320MPa 時,無壓壞跡象；軸向彎曲強度在500MPa 時,彎曲程度不明顯,滿足預期的性能要求。

圖3 復合材料電桿的力學性能測試Fig.3 Test of mechanical properties of composite poles

3.3 結構的老化性能

按照標準對該復合材料電桿的結構進行了紫外光照老化測試實驗。實驗條件:燈管類型UVA-340；光照8h,(60±3)℃ BPT,0.89W/(m2?nm)@340nm；冷 凝4h,(50±3)℃ BPT；暴露時間1000h。實驗過程如圖4所示,試驗后觀察表觀和物理性能的變化狀況,得出了該結構紫外光老化性能指標:材料表面有黃變,沒有出現表面材料粉化的現象；軸向彎曲強度在520MPa 時,彎曲程度不明顯,滿足預期的性能要求。

圖4 復合材料電桿的老化性能測試Fig.4 Aging test of composite poles

3.4 電桿真型測試

為使設計能達到預期的效果,對復合電桿進行了真型測試和極限破壞測試,如圖5 所示。

圖5 復合材料電桿真型測試Fig.5 Test of true shape of composite poles

實驗前,先對該電桿的物理性能進行了測試:電桿的梢徑為351mm、根徑552mm、長度15.01m、平均厚度10.2mm、重量372kg。在實驗中,在塔桿頂端施加一個橫向載荷,測得該塔桿在標準檢驗彎矩下的撓度值為0.7m,并在極限破壞實驗中得出塔桿的斷裂彎矩值為483kN?m,性能數據見表2。

表2 復合電桿性能數據Table 2 Properties of composite pole

4 對比分析

新設計制作的復合電桿與傳統復合電桿、傳統水泥電桿的對比數據見表3,可以看出:

表3 不同材質電桿的性能對比Table 3 Property comparison of poles made of different materials

(1)傳統復合材料電桿與同等強度等級的水泥電桿相比,其重量是水泥電桿的1/5,斷裂彎矩值是水泥電桿的1.5 倍,但是撓度值是水泥電桿的4 倍。

(2)大直徑復合電桿1 與傳統復合電桿相比,重量僅增加了5%,但是撓度值卻降低了50%。斷裂彎矩值是水泥電桿的2 倍,具有更強的抵御臺風的能力。

(3)大直徑復合電桿2 與傳統復合電桿相比,重量僅增加了10%,但是撓度值是傳統復合電桿的1/3,基本與傳統水泥電桿的撓度值接近了。斷裂彎矩值是水泥電桿的2 倍,具有更強的抵御臺風的能力。

5 結論

(1)傳統復合電桿的撓度過大,在架空線路中很多地段不適用,不利于復合電桿在電力行業的推廣應用。

(2)大口徑的復合電桿,重量和材料成本僅僅提高5%,但是撓度大幅度降低,接近傳統水泥電桿的撓度值。強度富余很大,更適合于臺風和大覆冰的極限工況。

(3)選擇復合電桿直徑尺寸時,選擇比傳統水泥電桿的直徑大一個規格的尺寸比較合適。此時經濟性和適用性更好。