復合材料桿塔的應用研究及展望

輸電線路復合材料桿塔的應用研究及展望

曹小平 ¹   孫竹森 ²   陳新 ³    張卓 ³   胡良全 ¹

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

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

1. 引言

輸電線路桿塔結構，是電力架空線路設施中特殊的支撐結構件，其結構性能直接影響著線路的安全性、經濟性和運行可靠性。隨著我國電網的發展，輸電線路工程呈現出長距離、規�；�、大型化的發展趨勢。目前，輸電線路桿塔一般由鋼材和混凝土組成。特別是大量鋼結構桿塔的使用，其對鋼材的需求量也在逐年上升，消耗了大量礦產資源，造成生態環境的污染。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，采用新型環保復合材料代替鋼材成為輸電行業的一種發展趨勢。

利用復合材料的絕緣性，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，增強了線路的環境友好性。因此復合材料在一定程度上是建造輸電桿塔結構的材料之一。

    由于復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省寶貴土地資源，輸電通道資源緊缺是電網發展過程中的國際性的問題。

圖 1 應用復合材料桿塔縮小走廊寬度

人均耕地面積小，廣東珠三角地區電力負荷密度過高，電網建設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、北京等發展，已經進入國際化大都市行列，城市美化、輸電線路絕緣等級提高，也使得復合材料桿塔有了新的應用目標。在過去經濟條件不許可下，城市配網線路中主要采用水泥桿，隨著使用時間延長，需要大量更換。

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

2 國內外復合材料桿塔的應用現狀

復合材料電桿在 40 多年以前已有研究，由于工藝技術和樹脂配方問題導致抗老化性能差，壽命短，未能在實際工程線路中得到實際應用。隨著樹脂和纖維材料性能的改進和制造技術的進步，復合材料電桿重新受到世界各國輸電行業的重視。采用拉擠或纏繞成型工藝進行生產，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投入使用，并且拉擠結構輸電塔也已研制成功。

2.1 國外復合材料桿塔應用研究概況

輸電線路復合材料桿塔由于其優良的綜合性能已經在歐美得到應用，其中研究開發和應用最為成熟的是美國。美國各大輸配電公司對復合材料桿塔表現出濃厚的興趣，各制造企業也積極研制開發出各種復合材料桿。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了自己的復合材料桿產品，并申請專利和得到了比較廣泛的應用。如圖 2 ～圖 6 所示。

圖 2 Ebert Composites 公司的復合電桿      圖 3 CTC 公司研究設計的復合電桿示意圖

圖4 powertrusion公司研制的復合電桿        圖5 復合材料電桿的野外施工

加拿大的 RS 公司是一個先進復合材料的開發商，研究開發了獨特設計的復合材料桿塔（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新性，比常規不飽和聚酯樹脂加工的復合材料有更大的強度、耐沖擊力和較大比強度等優勢。

圖6 Shakespear公司研制的復合電桿及橫擔

圖7 RS公司生產復合電桿           圖8 RS公司生產不同規格復合電桿

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，開發了三基復合材料格構式輸電塔，但是否真正通電運行有待考證。

荷蘭 Movares 工程咨詢公司 2005 年完成了荷蘭電網一條 1.5 公里 380/150kV 試驗線路的方案設計，該方案旨在利用復合材料桿塔的電氣絕緣性能以改善輸電線路電磁場對環境的影響。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）針對電網應用實際情況研制了復合材料桿塔，集團成立了專門的部門進行市場運作。意大利 Topglass Composites 公司也生產了復合材料桿結構，并且已經實現了商品產業化應用于路燈。

圖9 美國220KV復合材料格構式輸電塔   圖 10 南加州愛迪生公司建造的 115kV 復合輸電桿

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

美國在復合材料電桿方面的研究開發和應用最為成熟。 EbertComposites 公司 1996 年研制復合材料輸電桿塔，并在加利福尼亞奧蒙德比奇發電站安裝了三基試驗桿塔，試驗環境位于高鹽污染地區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，沒有發現明顯放電痕跡，也沒發現機械損傷和電氣損傷。 Shakespeare 玻纖產品公司 1993 年 ~1995 年相續研制成功復合材料配電桿及輸電桿，符合公用電工業的所有機械和電氣標準，首批架設的 5000 根用于美國山區的主配電協同，該地區冬季雪量可能超過 3m 厚，積雪期達 6 周，風速可達 33m /s 。

圖 11  運行中的 69kV 交叉線路復合輸電桿       圖12 復合輸電桿的運輸吊裝

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，由于復合材料質的輕質特性，對于復雜的地形條件，其還可采用直升機運輸的方式送抵指定塔位。

除此之外，荷蘭 Movares 工程咨詢公司 2005 年完成了荷蘭電網一條 1.5 公里 380/150kV 試驗線路的方案設計，該方案旨在利用復合材料桿塔的電氣絕緣性能以改善輸電線路電磁場對環境的影響。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）針對電網應用實際情況研制了復合材料桿塔，集團成立了專門的部門進行市場運作。意大利 Topglass Composites 公司也生產了復合材料桿結構，并且已經實現了商品產業化應用于路燈。

隨著應用范圍的加大，目前，美國已制定了相關的產品標準。歐美等國的成功經驗證實了復合材料在輸電桿塔領域應用的可行性，同時也為其在我國的應用奠定了基礎。

2.2 國內研究概況

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

鞍山鐵塔開發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，國內已有多家生產企業開始對復合桿塔的應用進行探索研究。溫嶺市電力絕緣器材有限公司自 1995 年開始研究復合材料，研制成功了 220kV 及以下搶修塔（門形、帶拉線）、 110kV 復合材料橫擔和桿頭，其中搶修塔已經進行了多項電氣和物理性能試驗，并在工程中得到應用。

2009 年 6 月，國家電網公司基建部組織了 “ 復合材料桿塔項目啟動會 ” ，中國電力科學研究院、國網電力科學研究院與各省電力公司與設計院、材料廠家密切配合，選取了典型環境的試點工程，全面開展了復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、真型結構試驗與構件連接技術試驗、防雷接地試驗等，并在部分試點工程線路上進行復合材料桿塔 / 復合材料絕緣橫擔構件運行試驗，圖 1 3 ～圖16。

圖 13 復合材料絕緣橫擔應用            圖 14 上段為復合材料結構的桿塔

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

通過國網試點工程的應用試驗，清楚地認識到， 輸電線路跨越距離長，長期處于各種復雜的自然環境和氣象條件下，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線的支撐結構，必須滿足必要的電氣性能要求。因此，將其應用于輸電桿塔中還存在以下瓶頸及制約，需要給予極大的關注：(1) 材料剛度/桿體撓度問題。 (2) 節點連接問題/防雷接地與疲勞、可靠性。 (3) 熱穩定性問題/自然老化問題。(5) 回收/環境問題。(6) 成本問題。國家電網公司擬進一步開展復合材料在輸電桿塔上的應用研究，解決應用瓶頸問題。

3   成型工藝研究狀況

目前，復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 纏繞成型復合桿塔生產過程         圖18 拉擠成型復合材料桿塔生產過程

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纏繞在軸上�？刂菩据S轉速和軸與絲嘴的相對運動速度可以調節到所需的纏繞角度，與軸向形成 7 度到將近 90 度范圍的纏繞角。纖維層數要根據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�？捎盟畨貉b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成型的一種成型加工法，連續增強纖維浸漬活性樹脂后通過熱型模，材型即確定，再根據需要按照一定長度進行切割。此工藝近幾年發展最快，主要發展方向是為港口、輸電、土木等基礎設施工程和高層建筑工程提供厚壁結構板型件。該工藝比較適合于復合材料橫擔和多邊形電桿的制造，機場籬及其他類似結構也采用拉擠工藝。拉擠工藝可加工具有等橫截面、徑向強度和剛度較高的結構件。美國 Elberta 公司正在設計、試制高壓輸電塔的大型拉擠成型結構件，塔高 25.58m ，重 2.59t ，全部用復合材料件裝配組成。   

4   應用展望

    分析復合材料的結構及優勢，其在輸電線路桿塔領域的應用，具有廣泛的需求背景和巨大的潛在市場容量。在材料技術、結構設計技術、試驗技術等取得突破的基礎上，在國家電網公司的試點工程應用的引領下，經過電力設計單位及復合材料制造單位的共同努力，輸電復合材料桿塔的應用前景廣闊，但是風險與利益共存。

  參考文獻

1. 夏開全等，復合材料在輸電桿塔中的研究與應用，高科技纖維與應用 2005 年 10 月第 5 期 .

2. 任宗棟等，復合材料在輸電桿塔中的應用研究，玻璃鋼 / 復合材料 年會 2010 年 09 月 , 北京 .

3. 曹小平等，輕質復合材料桿塔設計與研制，第七屆功能材料會議， 2010.10 月，長沙。