一種輕質化全絕緣220 kV 復合材料搶修塔

年俊杰，韓玉堂，何海燕

（湯姆森電氣有限公司，寧夏 銀川 750200）

引言

針對摘要中提到的問題，本研究將著重論述一種輕質化全絕緣220 kV 復合材料搶修塔，該塔結構設計新穎，整體為門型結構，通體采用輕質復合材料制作，主要由絕緣主桿、復合絕緣橫擔、斜拉絕緣子、碳纖維橫撐、絕緣拉桿、碳纖維地線掛梁等部件構成[2]，搶修塔每個部件都呈模塊化通用狀態，同類型的部件能夠任意互換通用，也可通過增減絕緣主桿實現塔高的任意調節，廣泛適用于各種地形、多種電壓等級的輸電線路應急搶修。相比目前電力公司在用的鋼管塔、水泥塔、鋁合金塔等各種搶修塔，本項目研制的復合材料搶修塔塔架受力更優，重量更輕、組裝立塔也更便捷，在電力桿塔事故搶修過程中能夠發揮巨大作用，徹底擺脫傳統傻大笨粗的搶修設備，大幅提升搶修效率，縮短停電時間，對于保障中國電網高質量運行具有重要意義。

1 研究內容

1.1 塔型結構研究

通過查閱相關技術標準，并廣泛調研西北各地供電公司的搶修需求，最終設計了一種門型雙桿塔架結構[1]，見圖1。結構通用性強，能夠滿足220 kV 線路18種極端工況條件下的受力要求[2]，主要結構部件包含：絕緣主桿、復合絕緣橫擔、斜拉絕緣子、碳纖維橫撐、絕緣拉桿、碳纖維地線掛梁，等等。

圖1 輕質化全絕緣220 kV 復合材料搶修塔門型結構

絕緣主桿：采用高強度的玄武巖纖維浸潤聚氨酯材料經纏繞工藝制成，模塊化分段式結構，每段長度為5 m，重量小于80 kg，段間采用插接的方式有效連接，在絕緣主桿插接處設置有4 個限位緊固裝置（盲孔螺絲），可以將絕緣主桿快速穩定連接。

復合絕緣橫擔：搶修塔塔頭配置有專用的空芯復合絕緣橫擔，該部件為復合搶修塔的主絕緣及承力部件，橫擔為管狀空芯結構，空芯管采用玄武巖纖維纏繞工藝成型，纖維呈橫縱雙向排列，管內填充有高密度的絕緣閉孔型發泡材料，管外注射包覆有硅橡膠絕緣傘套，在保證能夠支撐導線的機械性能及電氣強度的同時，其重量僅有傳統橫擔的1/2，搶修施工輕便快捷。

碳纖維橫撐：該部件是復合搶修塔的主體支撐部件，通體采用質輕高強的碳纖維材料制作，相比傳統的鐵橫撐，重量僅為1/5，強度是鐵橫撐的2 倍以上，基本可以保證搶修塔在各種極端的工況條件下都能夠屹立不倒。

絕緣拉桿：該部件為搶修塔兩塔身之間的橫向傳力部件，可以有效傳導搶修塔兩根絕緣主桿間的橫向受力，實現共同受力；其通體采用玄武巖纖維材料制作，抗拉強度為鋼材的10 倍以上，重量僅為鋼材的1/4。

碳纖維地線掛梁：該部件為地線的承載支架，通體采用碳纖維材料制作，不但重量輕、強度高，而且其為導電材料，能夠很好的滿足接地卸雷的要求。

1.2 成型工藝及復合材料配方研究

1.2.1 成型工藝研究

復合材料管材的成型工藝主要有拉擠成型、纏繞成型、卷管成型、模壓成型等等。項目組分別對這些工藝所生產的復合材料制品特性進行調研分析，總結其優缺點如下：

（1） 拉擠成型[3]：該成型工藝原理是將各種纖維粗紗或纖維織物在外力牽引(外力拉拔和擠壓模塑)下，經過浸膠、擠壓成型、加熱固化、定長切割，連續生產長度不限的復合材料線型制品的一種方法。這種工藝最適于生產各種斷面形狀的型材，如棒、管、實體型(工字形、槽形、方形型材)和空腹型材(門窗型材、葉片)等，其優點是生產效率高，成本低，精度高，制品理論上可以做無限長，而且縱向抗拉、抗壓強度高；其缺點是橫向強度低，抗彎特性較差。

（2） 纏繞成型：該工藝原理是將浸過樹脂膠液的連續纖維或布帶，按照一定規律纏繞到芯模上，然后在固化爐內加熱固化，脫模成為復合材料制品的工藝過程。這種工藝可適用于等徑及錐形管件的成型，其優點是生產效率高，成本適中，制品的各項綜合性能較高，不存在明顯的短板；其缺點是制品的表面質量較低。

（3） 卷管成型：該工藝原理是采用卷管機上的熱輥，使預浸料軟化，熔化預浸料上面的樹脂膠粘劑，在一定張力下，在輥的旋轉操作過程中，利用輥和心軸之間的摩擦，將預浸料連續卷到管芯上，直至所要求的厚度，然后通過冷輥冷卻定型，從卷繞機取出，在固化爐中固化。管材固化后，去除芯模型，即可以得到復合材料纏繞管材。這種工藝可適用于等徑及錐形管件的成型，其優點是成型制品的各項綜合性能較高，不存在明顯的短板，且精度較高；缺點在于生產效率較低，且制造成本較高。

（4） 模壓成型[5]：該工藝是復合材料生產中最古老而又富有無限活力的一種成型方法，工藝的基本過程是將一定量的經過預處理的模壓料放入預熱的壓模內，施加較高的壓力使模壓料充滿模腔，在預設的溫度條件下，模壓料在模腔內充分固化，然后將制品從壓模內取出，再進行必要的輔助加工即得到最終制品。這種工藝主要適用于復雜制品的成型，其優點是成型制品的各項綜合性能較高，不存在明顯的短板，且精度較高；缺點在于不適用于大型管件的生產，效率極低且模具制造成本昂貴。

項目組對上述4 種工藝生產的復合材料制品進行了取樣測試，測試項目包括抗拉強度、抗拉模量、彎曲強度、彎曲模量、壓縮強度、壓縮模量、剪切強度和剪切模量等，通過對試驗數據的比對分析，確定使用纏繞及拉擠成型工藝分別進行搶修塔主桿和碳纖維橫撐的加工制作，具體的工藝原理見圖2 和圖3。

圖2 纏繞成型

圖3 拉擠成型

1.2.2 復合材料配方的研究

對玄武巖纖維、高強度玻璃纖維、碳纖維等不同種類的高性能纖維進行研究，調整纖維表面的處理劑，并反復校驗得出纖維與樹脂結合的最佳配比方案，充分發揮各種纖維的優勢特性，綜合考慮材料成本及性能因素，最終選擇使用玄武巖纖維（見圖4）和碳纖維（見圖5）進行搶修塔主要部件的加工成型，兩種纖維與玻璃纖維的各項參數性能對比玄武巖纖維的發展及其應用，見表1。

圖4 玄武巖纖維

圖5 碳纖維

表1 纖維性能參數對比[4]

1.3 玄武巖空芯復合絕緣橫擔研究

研究一種輕質化玄武巖空芯復合絕緣橫擔，該絕緣橫擔主要由絕緣閉孔發泡材料、玄武巖管芯、硅橡膠傘套、鋁合金掛線金具及法蘭連接金具等5 部分構成（見圖6），橫擔成型后具有重量輕、強度高、絕緣性好、免維護等特性，能夠滿足220 kV 電壓等級使用，相比傳統玻璃鋼復合絕緣橫擔，其機械及電氣性能均有顯著提升，安全性更好。

圖6 玄武巖空芯復合絕緣橫擔

1.4 連接結構研究

連接結構是輕質化全絕緣220 kV 復合材料搶修塔應用的關鍵，連接后不但要有較高的強度及穩定性，而且還必須拆裝方便、快捷，滿足線路應急搶修的基本要求。通過各方面的研究論證，我們最終采用插接的方式對絕緣主桿進行裝配連接，在兩段主桿插接結合處設置永久性的簡易限位法蘭裝置（見圖7），保證主桿插接裝配時能夠輕松準確的到達預設裝配位置，不會發生過插或插接不到位的情況，這種法蘭結構不但能夠保證桿段的連接質量，而且還有效提升了主桿的拆裝效率，完美契合應急搶修工作的特殊要求。

圖7 限位法蘭裝置

2 結論

本研究論述的輕質化全絕緣220 kV 復合材料搶修塔，其主要創新特點在于新材料、新結構、新工藝及新方法的應用。通過探索研究，將近年來最炙手可熱的玄武巖纖維、碳纖維等高性能纖維材料與環保型聚氨酯材料充分復合，研制出了一系列重量輕、強度高、使用壽命長的復合材料部件，并成功應用到了電力搶修桿塔的結構中，充分的發揮高性能纖維復合材料低密度、高強度、高模量的天然技術優勢，有效解決現有電力桿塔重量過重，運輸、組裝、立塔不便的問題。

輕質化全絕緣220 kV 復合材料搶修塔的研發應用，將會為未來中國特高壓輸電線路桿塔的絕緣化、輕質化改造提供一定的技術經驗支撐及參考價值，對于推動中國大電網的發展建設具有重要意義。