复合材料杆塔应用技术

复合材料杆塔应用技术

中 中 一、概述

纤维增强树脂基复合材料（简称复合材料）主要由纤维和基体材料按一定比例混合并经过一定工艺复合形成。复合材料杆塔是采用复合材料替代原有输电线路用钢材的输电杆塔型式，具有强度高、质量轻、耐腐蚀、可设计性强及绝缘性好等优异的综合性能，是新型复合材料在输电杆塔结构中的一次创新性应用。复合材料杆塔在输电线路中的应用，能够有效压缩线路走廊宽度、节约大量土地资源；提高沿海及重工业污染区输电杆塔耐腐蚀水平，延长杆塔使用寿命；降低特殊地区杆塔运输及施工难度，大幅提高电网建设效率，在一些特定工况条件下，正逐步成为传统输电杆塔的优选替代品。

复合材料杆塔由于其优良的综合性能已经在欧美地区得到成功应用。国内复合材料杆塔应用研究起步较晚，目前尚处在研发、应用和总结阶段。自2007年开始，国家电网公司基建部、建设部等部门牵头均开展了复合材料杆塔应用研究工作，该项技术已在国内多个省市数条线路中得到初步应用，为复合材料杆塔在我国输电线路中的推广应用奠定了基础。

二、技术原理

（1） 和输电铁塔相比，复合材料杆塔具有优异的电气绝缘特性，塔型设计中只需满足各种过电压情况对塔身的间隙要求以及相间过电压的间隙要求，能够有效减少导线与塔身的间隙，从而有效缩减线路走廊宽度，使输电线路更为紧凑，节约大量土地资源。

（2） 利用复合材料杆塔优异的耐酸、碱、盐及有机溶剂等介质腐蚀特性，能够有效提高沿海及重工业污染区杆塔抗腐蚀能力，延长其使用寿命。

（3） 利用复合材料高强轻质特性，通过合理的结构设计，在满足杆塔机械性能要求的条件下，可以大幅减轻杆塔质量，进而降低杆塔的运输和施工难度，提高电网的建设效率。

三、主要技术内容

复合材料杆塔应用技术涉及复合材料、结构力学、电气绝缘及防雷接地等众多专业。各项技术不仅涉及到复合材料杆塔的安全稳定性，而且直接关系到整个输电线路的安全运行。

（一）技术成果的主要内容

复合材料杆塔应用技术主要包括材料选型及设计、成型工艺、结构设计及电气设计等主要技术成果，兼顾了示范工程的创新与安全运行。

1. 材料选型及设计

输电杆塔用复合材料选型及设计主要涉及材料选用原则、材料性能参数的取值及各项检测方法的建立。输电杆塔用复合材料既要保证各个工况的机械性能及电气性能，又要兼顾复合材料的长期耐受性能。复合材料选型及设计应充分考核基本物理性能、力学性能、耐候特性、耐介质腐蚀特性及电气特性等。

结合复合材料的特性及杆塔的设计要求，初步选定纤维增强树脂基复合材料。纤维主要

选取绝缘性好、抗腐蚀性好、耐热性强及机械强度高等综合性能优异的玻璃纤维。树脂主要包括三类：① 化学稳定性好、电绝缘性佳、耐腐蚀性好、粘接性好、机械强度较高及成型工艺简单易控制的户外环氧树脂；② 耐腐蚀性好、机械强度高、延伸率大、粘结性能好、耐疲劳性能好、电性能佳、耐热老化及固化收缩率低的乙烯基酯树脂；③ 机械性能突出、化学稳定性好、耐老化性好及阻燃性好的聚氨酯。

2. 成型工艺

复合材料杆塔成型工艺的选取应综合考虑杆塔的结构型式、机械性能要求、成型工艺的难易程度及成型设备的前期投资费用等关键因数。

复合材料杆塔成型工艺可采用缠绕成型或拉挤成型工艺。缠绕成型工艺是将浸过树脂胶液的连续纤维或布带按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品。拉挤成型是将浸渍树脂胶液的连续纤维束、带或布等，在牵引力的作用下，通过成型模具、固化，连续生产长度不限的复合材料型材。

对于复合材料单杆结构型式，可优选缠绕工艺。这是因为纤维按预定要求排列的规整度和精度高，通过改变纤维排布方式、数量，可以实现等强度设计，能在较大程度上发挥增强纤维抗张性能优异的特点。另外，缠绕单杆结构合理，比强度和比模量高，质量比较稳定和生产效率较高。

对于复合材料横担结构型式，可优选拉挤工艺。这是因为拉挤工艺生产效率高，易于实现自动化；纤维含量一般为40%～80%，能够充分发挥增强材料的作用；性能稳定可靠，不需要或仅需要进行少量加工，长度可根据需要定长切割；杆件的纵向和横向强度可任意调整，以适应使用要求。

若考虑复合材料横担在强度、耐腐蚀老化、抗变形及抗剪等方面的特殊性能要求，结合杆件截面及连接方式，可选取缠绕成型工艺。

3. 结构设计

复合材料杆塔结构设计主要包括复合材料杆塔型式和节点连接技术。 （1） 复合材料杆塔型式。复合材料杆塔的型式主要分为复合横担、复合塔头和全复合杆塔三类。

1） 复合横担一般是指杆塔塔身部分采用角钢或钢管杆，横担采用复合材料，复合横担和绝缘子串共同承担绝缘性能。其主要特点是横担采用复合材料，横担上的复合材料构件承担部分的电气绝缘，导线悬挂于复合横担的远端（一般采用带绝缘子串的悬垂金具型式）。

2） 复合塔头一般指杆塔的塔头部分采用复合材料，塔头部分的复合材料构件的节点连接处采用金属材料（或全复合材料连接），其特点是整个杆塔塔头部分整体呈现绝缘状态。

3） 全复合杆塔是指杆塔的整体采用复合材料，整个杆塔不出现金属材料或仅出现在复合材料构件的连接处，其特点是整个杆塔呈现绝缘状态。

（2） 节点连接设计。节点连接是复合材料杆塔关键技术之一，其性能的优劣直接关系到复合杆塔的结构稳定性和长期安全性。复合材料杆塔的节点连接主要采用粘结和套接组合结构，并以螺栓后备。依据杆塔结构型式和节点连接部位拉剪、压剪及扭剪等破坏模式，复合材料杆塔节点连接可采用以下方式：

1） 铁塔（格构塔）用复合材料建议采用管材，杆件两端宜采用金属套筒压挤粘结，套筒长度宜为复合材料管径的1.5～2.0 倍。

2） 复合材料杆主杆的连接建议采用金属套筒加转接法兰的型式。根据杆型结构分别采用不同方式：格构式杆塔采用分体法兰连接方式，也可采用外包角材的连接方式，建议先粘接再用螺栓后备；环形等径杆和拔销杆宜采用套接方法，套接前应粘接；环形杆柱也可采用

法兰盘。

3） 横担与杆体的连接建议采用抱箍加转接法兰的方式进行连接。

4. 电气设计

（1） 绝缘配合设计。复合材料杆塔的绝缘配合设计，应使复合材料杆塔在工频电压、操作过电压、雷电过电压等各种条件下安全可靠地运行。复合材料杆塔的绝缘配合设计应充分考虑和利用复合材料的绝缘特性，使复合材料与绝缘子的绝缘配合达到需要的绝缘效果。复合材料杆塔采用绝缘子串时应保证一定的绝缘子串长，以充分保护复合材料免受电化腐蚀的影响。绝缘配合设计可采用爬电比距法，也可采用污耐压法选择合适的绝缘子型式和片数。

绝缘配合设计时可采取有效措施提高复合材料部分的耐漏电起痕和电腐蚀的能力，满足绝缘配合设计要求，可采取以下两种措施：

1） 复合横担外侧悬挂悬垂绝缘子串，通过绝缘子串的本身爬电距离和结构高度降低复合横担带电侧的电压，从而降低漏电起痕和电腐蚀的概率；

2） 复合横担表面涂硅橡胶材料或喷涂RTV涂料，提高复合材料的耐漏电起痕和电腐蚀的能力，并结合横担外侧悬挂悬垂绝缘子串。

（2） 防雷和接地设计。复合材料杆塔可行的防雷接地引下方式主要包括三种。

1） 杆塔线路内侧竖直接地引下方式。在地线横担的中心引出一段长度D1的沿导线方向的接地引下线上金属横担，在此接地引下线上金属横担的末端竖直引下接地引下线，该接地引下线在下相导线下方一定距离D2通过另一接地引下线下金属横担联接到杆塔上，如图3?8?1所示。

2） 杆塔线路外侧竖直接地引下方式。在地线横担的某一边或两边延长线上架设一段接地引下线上金属横担，在此金属横担的末端竖直引下接地引下线，接地引下线与近侧导线的最小空气间隙距离为D，此接地引下线在下相导线下方一定距离通过对应的接地引下线下金属横担联接到杆塔上，如图3?8?2所示。

图3?8?1 沿线路方向内侧悬空垂直引下方式

3） 杆塔中心竖直接地引下方式。地线横担采用金属材料，在地线横担的中心引出接地引下线，接地引下线从复合材料杆塔的正中心穿过竖直引下，并在塔头的塔身部分增设闪络点，闪络点的位置在每一相导线的下方一定距离，最后接地引下线竖直引下接入大地，如果塔身下部分是钢管，接地引下线可直接联接在钢管上来接地，如图3?8?3所示。

图3?8?2 接地引线方式二 图3?8?3 接地引线方式三

（二）技术成果的评价

（1） 该项技术成果通过了2011年6月国家电网公司科技部组织的项目验收，并通过了国内6项示范工程的实践检验。

（2） 该项技术已经授权发明专利3项，授权实用新型专利3项，形成多项复合材料杆塔自主知识产权。

（3） 获奖情况

该项技术成果获得2012年度国家电网公司科技进步一等奖；2011年度中国电力科学研究院科技进步一等奖。

（4） 技术规范

该项技术成果形成两项技术规范，即《国家电网公司输电杆塔用纤维复合材料技术条件（试行）》和《国家电网公司10kV～220kV复合材料杆塔设计要求（试行）》。

（三）该项技术需进一步深化研究的工作建议

现阶段该项技术虽然取得了一定的技术成果，但复合材料杆塔在材料选型、杆塔设计和防雷接地等方面的工作仍需继续深化。

（1） 材料选型方面。复合材料电绝缘性能及腐蚀老化性能有待进一步提升，目前国内复合材料耐漏电起痕性能基本维持在2.5级水平，与国外高绝缘特性复合材料相比还有较大差距；复合材料的腐蚀老化特性与使用寿命之间的对应量化关系有待通过人工加速试验和工程进一步验证，在试验数据基础上准确绘制寿命评估曲线。

（2） 塔型设计方面。原有设计规程的突破还有待深入开展，针对复合材料的绝缘、防腐及高强轻质等特性，目前国内尚没有形成相对完善的复合材料杆塔塔型设计标准或规程规范，造成复合材料杆塔在设计时无参照依据，阻碍了复合材料杆塔的推广应用。

（3） 节点连接方面。复合材料杆塔节点连接设计是现阶段面临的主要技术难题之一，节点连接是复合材料成功应用于杆塔结构的关键，建议针对复合材料本身的力学特性及杆塔的设计要求，深入开展有效节点连接技术。

（4） 防雷接地方面。现阶段国内复合材料杆塔的试点工程电压等级在10～220kV，高电压等级的复合材料杆塔的防雷接地方式还需要进一步深入研究及工程验证。

（5） 工程应用方面。复合材料杆塔在缩减线路走廊、沿海防风耐腐、山区配网杆塔轻质化等特点和防雷型杆塔的重点示范工程有待进一步拓展，在此基础上进一步研究并总结设计、检测、运行维护和施工等多方面的经验和技术成果。