復合材料電力桿塔研究進展

周開河，吳忠平，朱艷偉，王棟，錢錫穎，陳剛

(1. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315010；2. 寧波市送變電建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315010；3. 浙江省機器人與智能制造裝備技術(shù)重點實驗室，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所，寧波 315201)

0 引言

當今社會，電已經(jīng)是人們生活中必不可少的部分。電桿、桿塔就是架空輸電線路中支承導線、地線的塔形或桿形構(gòu)筑物，能使導線之間及其與大地之間保持一定距離，在傳輸電力的過程中起著關(guān)鍵作用。通常情況下，傳統(tǒng)電力桿塔按結(jié)構(gòu)材料的種類可分為木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋁合金結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)桿塔等；按結(jié)構(gòu)形式可分為自立塔和拉線塔等；按使用功能可分為承力塔、直線塔、換位塔和大跨越高塔等[1]。不同的桿塔具有不同的特點，適用范圍也不同。因此，根據(jù)實際輸電需求來設(shè)計電力桿塔十分重要。

國內(nèi)外廣泛應用的傳統(tǒng)輸電桿塔主要有木質(zhì)桿、鋼管桿、鐵塔等，隨著傳統(tǒng)桿塔的長期使用，其缺陷也逐漸暴露出來，主要包括：第一，傳統(tǒng)電力桿塔較重，偏遠地區(qū)的運輸與安裝成本較高，后期的運行維護也十分困難；第二，環(huán)境適應性較差，容易發(fā)生腐爛、銹蝕、開裂，從而導致各種安全隱患，降低使用壽命。針對這些問題，綜合性能優(yōu)異的復合材料提供了一種新的解決思路。

纖維增強樹脂基復合材料具有高比強度、高比模量、良好的耐腐蝕性、優(yōu)異的可設(shè)計性以及可整體成型等特點，目前已作為結(jié)構(gòu)材料被逐漸應用到電力領(lǐng)域。復合材料電力桿塔一般以環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂等為基體，以玻璃纖維、碳纖維等為增強材料，通過纏繞成型工藝或拉擠成型工藝制成，主要有以下優(yōu)點：第一，相比于木質(zhì)桿、鋼管桿、鐵塔等，復合材料桿塔的重量大大減小，顯著降低了運輸成本，提高了安裝速度；第二，復合材料桿塔耐酸、堿、鹽腐蝕性能良好，可有效抵御海水浸泡、鹽堿環(huán)境、重污染和酸性大氣等惡劣環(huán)境；第三，復合材料的電絕緣性能優(yōu)異，可有效規(guī)避雷擊風險，還可設(shè)計減少線路走廊寬度，提高土地資源利用率；此外，復合材料桿塔可以減少礦產(chǎn)資源的使用，有助于環(huán)境保護[11]。總之，復合材料電力桿塔綜合性能良好，具有十分廣闊的應用前景，進一步開發(fā)低成本、高性能的復合材料電力桿塔已成為未來的發(fā)展趨勢。

本文從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、應用前景等方面介紹了復合材料電力桿塔的研究現(xiàn)狀，并提出了目前研究存在的問題，對今后復合材料電力桿塔的設(shè)計與研發(fā)具有一定的指導意義。

1 復合材料電力桿塔材料選擇

復合材料是由兩種或兩種以上物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)組復合而成的一種多相新型材料。纖維增強樹脂基復合材料通常以環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂、不飽和聚酯樹脂等聚合物為基體相，以玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維等為增強相，是目前應用最廣、用量最大的復合材料。材料復合的形式多種多樣，如何從大量的材料中選擇合適的基體材料、增強材料以及各類助劑材料，并通過物理、化學、電氣、機械等性能測試研究，設(shè)計出最優(yōu)良的復合體系作為電力桿塔材料，是復合材料電力桿塔研究的重點問題之一。目前，復合材料電力桿塔常用的基體材料主要是環(huán)氧樹脂和聚氨酯樹脂，增強材料主要是無堿玻璃纖維。

環(huán)氧樹脂作為常用的基體材料，黏附力強，固化收縮率低，力學性能、絕緣性能、耐腐蝕性能優(yōu)異，一定程度上耐霉菌，價格低廉，但是其耐老化性能較弱，長期在室外經(jīng)受紫外線照射，會出現(xiàn)分層、開裂、色變等老化現(xiàn)象，縮短使用壽命。而由聚氨酯樹脂制備的復合材料電力桿塔具有優(yōu)異的耐紫外老化性能，能夠保證30年以上的使用壽命，可以很好的解決上述問題[12]。

無堿玻璃纖維又稱E玻璃纖維，是指不含或含有極微量(小于1 wt%)堿金屬氧化物的玻璃纖維，具有質(zhì)量輕、強度高、良好的電絕緣性、優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、性價比高等優(yōu)點，是復合材料桿塔制備應用中最廣泛的玻璃纖維，常用的規(guī)格有1 100 tex、1 200 tex、2 400 tex以及4 800 tex等[13]。隨著復合材料電力桿塔性能要求的不斷提高，在保證絕緣性的基礎(chǔ)上，近年來研究人員開始在玻璃纖維鋪層中添加碳纖維鋪層來提高桿塔的剛度，并取得了一定成效。趙明珠等[14]基于有限元分析法，研究了有無碳纖維對玻璃纖維增強樹脂基復合材料桿塔性能的影響，發(fā)現(xiàn)在保證強度的前提下，加入碳纖維可以有效提高復合材料桿塔的剛度，桿塔的最大位移相對減小20%。如何通過優(yōu)化材料設(shè)計來提高復合材料剛度是今后復合材料桿塔的發(fā)展趨勢。

2 復合材料電力桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

復合材料桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計過程一般包括桿體設(shè)計、真型實驗、節(jié)點設(shè)計與優(yōu)化三個部分。

2.1 桿體設(shè)計

復合材料電力桿塔的桿體設(shè)計包括主桿和橫擔兩部分，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)強度、變形、經(jīng)濟成本等因素。

復合材料桿塔的主桿根據(jù)桿體形狀可以分為普通錐形桿、法蘭式錐形桿、等徑桿、臺階形桿[15]，如圖1所示。在不同的桿體結(jié)構(gòu)中，單桿錐度、底面直徑、截面形狀、局部加固等參數(shù)均有所差異，這也導致了不同結(jié)構(gòu)型式的桿塔具有不同的力學性能，因此，根據(jù)使用需求選擇合適的桿體結(jié)構(gòu)對復合材料桿塔至關(guān)重要。與截面為正多邊形的傳統(tǒng)電力桿塔不同，復合材料桿體的截面形狀大多都是圓環(huán)形，這就導致桿塔剛性較低。針對這個問題，研究人員提出了在桿身內(nèi)部加肋的改進辦法。龔靖等[16]利用ANSYS對等直徑、等壁厚的薄壁圓環(huán)、圓環(huán)星形肋、圓環(huán)三角形肋的力學性能進行對比分析，研究發(fā)現(xiàn)，圓環(huán)內(nèi)接三角形肋結(jié)構(gòu)的塔頂位移和根部最大應力均比傳統(tǒng)薄壁管、圓環(huán)內(nèi)接星形肋結(jié)構(gòu)小，是最優(yōu)選型(表1)。

圖1 不同桿型復合材料電力桿塔[15]

表1 不同截面結(jié)構(gòu)桿塔的力學性能[16]

復合材料電力桿塔的另一個重要組成部分是復合橫擔，主要分為單橫擔結(jié)構(gòu)、單橫擔加單拉桿結(jié)構(gòu)、雙橫擔V型排列結(jié)構(gòu)、三橫擔組合結(jié)構(gòu)、兩橫擔加兩拉桿組合結(jié)構(gòu)、單橫擔加三拉桿組合結(jié)構(gòu)等類型。不同的復合橫擔結(jié)構(gòu)所能承受的應力載荷(彎曲、壓縮應力載荷)以及適用的電壓等級(35 kV、66 kV、110 kV、220 kV等)不同，如單橫擔、單橫擔加單拉桿、雙橫擔V型排列結(jié)構(gòu)須承受彎曲應力載荷，三橫擔組合、兩橫擔加兩拉桿組合結(jié)構(gòu)則主要承受彎曲、壓縮應力載荷，單橫擔加三拉桿組合結(jié)構(gòu)由于采用單橫擔，所受壓縮應力較大[17]。因此，必須因地制宜，依據(jù)具體的使用需求選擇合適橫擔結(jié)構(gòu)，才能制備出承載效率高、穩(wěn)定性好的復合材料電力桿塔。

材料的鋪層角度對桿塔的結(jié)構(gòu)強度有顯著影響，在復合材料的鋪層設(shè)計中應當注意以下問題：第一，通過設(shè)計纖維鋪層角度，有效傳遞載荷，合理利用0 °、90 °、±45 °鋪層來承受縱向、橫向、剪切載荷；第二，對于可能承受垂直載荷的桿塔，應在最外層增設(shè)±45°鋪層或加一層玻璃布，提高抗沖擊性；第三，一般采用對稱鋪層，且相同角度的鋪層不宜過度集中，以免固化或受載后發(fā)生翹曲或分層[18]。

2.2 真型實驗

真型實驗是以實際結(jié)構(gòu)(實物)或者按實物完全復制的結(jié)構(gòu)為研究對象所進行的實驗，是檢測復合材料電力桿塔性能是否達標的重要測試技術(shù)，也是一種判斷桿塔設(shè)計方案是否可行的關(guān)鍵手段[19]。通常情況下，需要分別對桿塔的桿身和橫擔進行力學性能測試，對于桿身，可以將桿塔根部固定在一面實驗墻上，另外一端施加集中載荷，分別測試每個加載等級(2 000 N、4 000 N、6 000 N、8 000 N等)下端部位移和根部應變的情況。對于橫擔，可以選擇幾種橫擔受力較大的工況，如90 °大風、安裝、斷線等，在相應條件下進行分級加載實驗(將實驗載荷分為20%、40%、60%、80%、100%加載，超載后按10%增量施加)，觀察其破壞情況[20]。通過桿塔真型實驗，可以驗證復合材料電力桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的安全性與可靠性。

2.3 節(jié)點設(shè)計及優(yōu)化

復合材料桿塔連接節(jié)點是維持桿塔穩(wěn)定的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，主要包括桿身節(jié)點、桿身與橫擔節(jié)點、踏腳與基礎(chǔ)連接等。桿塔節(jié)點設(shè)計工作應綜合考慮連接的可靠性、加工的可行性及經(jīng)濟性、整體協(xié)調(diào)性、各種性能指標等要求，一般分為方案選擇和優(yōu)化兩步。下文以FH35復合材料桿塔的桿身節(jié)點設(shè)計及優(yōu)化為例進行介紹[21]。

一般情況下，桿身節(jié)點連接方案主要有3種，分別是管壁預埋金屬件、插接膠粘、金屬法蘭套筒連接(圖2)。每種方案各有優(yōu)缺點，需要根據(jù)實際情況選擇。管壁預埋金屬件方案：連接節(jié)點簡單，易現(xiàn)場組裝，但是主桿受拉一側(cè)的螺桿與復合材料管壁的粘結(jié)容易破壞，并且在復合材料薄壁圓管主桿上預埋金屬件容易導致接頭劈裂；插接膠粘方案：采用緊固螺栓，連接可靠度較高，但是由于這種結(jié)構(gòu)需要在工廠提前加工，不能現(xiàn)場拼裝，產(chǎn)品質(zhì)量無法保證，且穿孔結(jié)構(gòu)會破壞纖維連續(xù)性，從而導致桿體劈裂；金屬法蘭套筒結(jié)構(gòu)方案：采用法蘭連接，現(xiàn)場組裝十分方便，同時套筒的約束性可以有效控制桿體變形，避免疲勞失效。因此，F(xiàn)H35復合材料桿塔應選用金屬法蘭套筒結(jié)構(gòu)。

圖2 桿身節(jié)點連接方案[21]

確定節(jié)點連接方案后，采用ANSYS有限元程序?qū)﹂L0.35～0.65 m的套筒進行設(shè)計優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)套筒與主桿的抗剪強度與套筒長度有關(guān)，套筒長度增加，抗剪強度隨之增加，套筒高度超過0.5 m后，強度趨于平穩(wěn)。最終，考慮到經(jīng)濟成本等因素，F(xiàn)H35復合材料桿塔選用0.5 m高的套筒。

3 復合材料電力桿塔制造工藝

纖維增強樹脂基復合材料的成型工藝多種多樣，包括手糊成型、噴射成型、纏繞成型、模壓成型、拉擠成型、樹脂傳遞模塑成型、熱壓罐成型等。不同成型工藝制備的復合材料結(jié)構(gòu)和性能均有所差異，因此需要根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式、性能指標和用途來選擇合適的成型工藝。復合材料桿塔常用的成型工藝主要有拉擠成型工藝和纏繞成型工藝。

3.1 拉擠成型

拉擠成型工藝是指在牽引設(shè)備的作用下，將浸漬樹脂后的纖維束、帶或布通過預成型模具排出多余樹脂和氣泡，再通過成型模具固化，連續(xù)不斷制造出復合材料制品的過程(圖3)。該工藝可以用來制備復合材料橫擔和等徑電桿。拉擠成型工藝具有以下優(yōu)點：第一，能夠?qū)崿F(xiàn)完全自動化，生產(chǎn)效率高，且無邊角廢料，省工、省料；第二，纖維含量可達到80%，能夠充分發(fā)揮纖維的增強作用，所得制品強度高；第三，復合材料產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，重復性好，無需后加工，并且長度可隨需求任意切割，無邊角料，省工，省料。但是這種工藝所制備的復合材料型材形狀單一，并且產(chǎn)品橫向強度較差，很大程度上限制了拉擠成型工藝的應用[22]。

圖3 拉擠成型工藝示意圖[22]

3.2 纏繞成型

與拉擠成型工藝相比，纏繞成型工藝既可以制備復合材料桿塔，也可以制備復合材料橫擔。這種工藝是指將浸漬樹脂膠液后的連續(xù)纖維或布帶，按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，達到一定厚度后，固化脫模制造出復合材料產(chǎn)品的工藝過程[23]，如圖4所示。根據(jù)纏繞成型過程中樹脂基體的物理化學狀態(tài)，纏繞成型可分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種。這種成型工藝可以通過力學設(shè)計纏繞規(guī)律，充分發(fā)揮纖維高拉伸強度的特點，制造出比強度高、可靠性好的電力桿塔，并且易于機械化、自動化，生產(chǎn)效率高，成本低廉，受到人們的廣泛關(guān)注。

圖4 纏繞成型工藝示意圖[23]

纏繞規(guī)律是纏繞成型工藝的重要組成部分，是用于描述纖維均勻、穩(wěn)定排布在芯模表面，以及芯模與導絲頭之間運動關(guān)系的規(guī)律，纏繞角、切點數(shù)、帶寬是研究纏繞規(guī)律的關(guān)鍵參數(shù)。研究表明，纏繞角很大程度上決定著復合材料桿塔的力學性能[24]。Urgessa等[25]基于ABAQUS研究了纏繞角對錐形電桿性能的影響，發(fā)現(xiàn)當纏繞角在0 °～60 °范圍內(nèi)，桿塔的最大應力隨著纏繞角的增加先增大后減小，在45 °時達到峰值，如圖5所示。傳統(tǒng)的纏繞成型工藝所制得產(chǎn)品軸向力學性能較差，彎矩較小，厚度大、直徑大。針對傳統(tǒng)纏繞成型工藝的不足，發(fā)展出專門用于電桿類產(chǎn)品的小角度纏繞工藝，這種工藝能實現(xiàn)0 °～12 °小角度的纏繞，在保證產(chǎn)品軸向性能的同時減小產(chǎn)品的厚度和直徑，提高彎矩[26]。

圖5 纖維纏繞角對最大應力的影響[25]

4 復合材料電力桿塔應用研究

4.1 復合材料電力桿塔服役性能研究

為保證復合材料電力桿塔投入使用后正常運行，必須依據(jù)國家標準，在前期全面開展桿塔性能測試，主要測試項目包括基本材料性能、電氣性能、老化性能和真型試驗等[8]。其中，基本材料性能測試包括拉伸強度及模量、壓縮強度及模量、彎曲強度及模量、剪切強度及模量、纖維體積含量、固化度、吸水性、阻燃性、熱膨脹性等試驗；電氣性能測試包括干/濕表面電阻率、干/濕體積電阻率、耐電痕化、滲透、水擴散、淋雨、污穢、抗覆冰、防雷接地等試驗；老化性能測試包括紫外老化、酸老化、堿老化、臭氧老化、濕熱老化等實驗；真型試驗則分主桿和橫擔兩部分進行。

4.2 國內(nèi)外復合材料電力桿塔應用研究現(xiàn)狀

目前，復合材料電力桿塔已經(jīng)在歐美一些國家得到推廣應用[27]，許多公司都自主研發(fā)出復合材料桿塔產(chǎn)品，如Ebert Composites、Powertrusion Composites、Shakespear、CTC、Strongwell、RS、EPL公司等。早在1993年，Shakespear 公司就研發(fā)出復合材料輸電桿并應用于冬季雪量可能超過3 m厚，積雪期達6周，風速可達33 m/s的美國山區(qū)，首批電桿的成功應用推動了復合材料桿塔在電力行業(yè)的發(fā)展。1996年，美國Ebert公司在南加利福尼亞海濱一處220 kV線路上試驗了三基復合材料格構(gòu)式電力桿塔，運行記錄表明，這些桿塔在2000年仍保持穩(wěn)定[28]。2005年，荷蘭的Movares公司利用復合材料桿塔良好絕緣性的特點，研發(fā)出一條1.5 km長的380/150 kV試驗線路，有效改善了輸電線路電磁場對周圍環(huán)境的影響[29]。近年，Exel Compsites 國際集團也成立了專門的部門，針對實際應用研制出了復合材料桿塔。意大利 Topglass Composites公司成功將復合材料桿塔商業(yè)化并應用于路燈桿。目前，美國作為當下技術(shù)最成熟的國家已制定了相關(guān)產(chǎn)品標準，為國內(nèi)復合材料桿塔的應用奠定了基石。

我國早在1995年，溫嶺市電力絕緣器材有限公司就已經(jīng)研制出220 kV及以下的搶修塔、110 kV復合材料橫擔等，但由于我國復合材料性能及制造工藝水平的限制，導致桿塔部分電氣性能不達標，未能得到推廣應用。2006年，鞍山鐵塔開發(fā)研制中心與鞍山鐵塔廠合作研制了高強度復合材料桿塔，產(chǎn)品采用了兩段插接長桿，在端部30 kN的加載作用下，頂端撓度為2 m。2007年，廣東電網(wǎng)公司選用RS公司的復合材料桿塔，解決桿塔材料電氣性能、機械性能、老化性能等關(guān)鍵問題。直到2009年6與1日，國家電網(wǎng)公司召開了“復合材料桿塔項目啟動會”，使其在輸電領(lǐng)域的應用迎來新一輪發(fā)展[30]。國家電網(wǎng)牽頭，中國電力科學研究院、國網(wǎng)電力科學研究院等單位配合，啟動典型環(huán)境的試點工程，針對我國研究有所欠缺的復合材料桿塔試驗問題，全面開展研究并在部分試點線路運行。各項實驗數(shù)據(jù)表明，復合材料桿塔在材料剛度、節(jié)點連接、耐自然老化、回收利用等方面仍然存在一些問題需要解決。2012年，武漢南瑞公司成功自主研發(fā)出“220 kV及以下電力輸送用新型復合材料桿塔”[31]，經(jīng)中國電力企業(yè)聯(lián)合會鑒定，此產(chǎn)品綜合性能已達到國際先進水平。2013年，西北電力設(shè)計研究院完成了750 kV高壓級復合橫擔塔真型試驗及電氣特性實驗，并投入了使用。隨著我國復合材料桿塔技術(shù)的不斷提高，行業(yè)也逐漸朝著標準化方向發(fā)展，至2017年，北京玻璃鋼復合材料有限公司和全球互聯(lián)網(wǎng)研究院共同制定了中國復合材料學會團體標準《纖維纏繞復合材料電桿》，進一步完善了復合材料桿塔行業(yè)標準[32]。

復合材料桿塔的成功推廣，不僅能夠有效解決傳統(tǒng)桿塔質(zhì)量大、易腐蝕、維護困難等問題，還能節(jié)約土地資源，降低綜合成本，延長使用壽命，具有重要的應用價值。

5 展望

隨著人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活用電的與日俱增，輸電線路工程日漸呈現(xiàn)長距離、規(guī)?；?、大型化的特點，傳統(tǒng)桿塔的缺陷也不斷暴露出來，綜合性能優(yōu)異的復合材料桿塔具有巨大的潛在市場，已成為輸電線路桿塔領(lǐng)域未來發(fā)展的必然趨勢。

受到材料剛度、節(jié)點連接技術(shù)、經(jīng)濟成本等因素的制約，復合材料桿塔的應用仍然存在一些問題。因此，今后復合材料桿塔將朝著提高材料性能、設(shè)計新型桿塔結(jié)構(gòu)、豐富節(jié)點構(gòu)造等方向發(fā)展，以充分發(fā)揮復合材料在輸電領(lǐng)域的優(yōu)勢。同時應從材料設(shè)計、生產(chǎn)工藝、附屬設(shè)施等方面入手，降低經(jīng)濟成本，進一步推動復合材料電力桿塔的產(chǎn)業(yè)化與大規(guī)模應用。