年俊杰,韓玉堂,何海燕
(湯姆森電氣有限公司,寧夏 銀川 750200)
針對(duì)摘要中提到的問(wèn)題,本研究將著重論述一種輕質(zhì)化全絕緣220 kV 復(fù)合材料搶修塔,該塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎,整體為門型結(jié)構(gòu),通體采用輕質(zhì)復(fù)合材料制作,主要由絕緣主桿、復(fù)合絕緣橫擔(dān)、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(gòu)成[2],搶修塔每個(gè)部件都呈模塊化通用狀態(tài),同類型的部件能夠任意互換通用,也可通過(guò)增減絕緣主桿實(shí)現(xiàn)塔高的任意調(diào)節(jié),廣泛適用于各種地形、多種電壓等級(jí)的輸電線路應(yīng)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(xiàng)目研制的復(fù)合材料搶修塔塔架受力更優(yōu),重量更輕、組裝立塔也更便捷,在電力桿塔事故搶修過(guò)程中能夠發(fā)揮巨大作用,徹底擺脫傳統(tǒng)傻大笨粗的搶修設(shè)備,大幅提升搶修效率,縮短停電時(shí)間,對(duì)于保障中國(guó)電網(wǎng)高質(zhì)量運(yùn)行具有重要意義。
通過(guò)查閱相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),并廣泛調(diào)研西北各地供電公司的搶修需求,最終設(shè)計(jì)了一種門型雙桿塔架結(jié)構(gòu)[1],見(jiàn)圖1。結(jié)構(gòu)通用性強(qiáng),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(jié)構(gòu)部件包含:絕緣主桿、復(fù)合絕緣橫擔(dān)、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(zhì)化全絕緣220 kV 復(fù)合材料搶修塔門型結(jié)構(gòu)
絕緣主桿:采用高強(qiáng)度的玄武巖纖維浸潤(rùn)聚氨酯材料經(jīng)纏繞工藝制成,模塊化分段式結(jié)構(gòu),每段長(zhǎng)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(shè)置有4 個(gè)限位緊固裝置(盲孔螺絲),可以將絕緣主桿快速穩(wěn)定連接。
復(fù)合絕緣橫擔(dān):搶修塔塔頭配置有專用的空芯復(fù)合絕緣橫擔(dān),該部件為復(fù)合搶修塔的主絕緣及承力部件,橫擔(dān)為管狀空芯結(jié)構(gòu),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(nèi)填充有高密度的絕緣閉孔型發(fā)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(dǎo)線的機(jī)械性能及電氣強(qiáng)度的同時(shí),其重量?jī)H有傳統(tǒng)橫擔(dān)的1/2,搶修施工輕便快捷。
碳纖維橫撐:該部件是復(fù)合搶修塔的主體支撐部件,通體采用質(zhì)輕高強(qiáng)的碳纖維材料制作,相比傳統(tǒng)的鐵橫撐,重量?jī)H為1/5,強(qiáng)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(dǎo)搶修塔兩根絕緣主桿間的橫向受力,實(shí)現(xiàn)共同受力;其通體采用玄武巖纖維材料制作,抗拉強(qiáng)度為鋼材的10 倍以上,重量?jī)H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(qiáng)度高,而且其為導(dǎo)電材料,能夠很好的滿足接地卸雷的要求。
1.2.1 成型工藝研究
復(fù)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(xiàng)目組分別對(duì)這些工藝所生產(chǎn)的復(fù)合材料制品特性進(jìn)行調(diào)研分析,總結(jié)其優(yōu)缺點(diǎn)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(jīng)過(guò)浸膠、擠壓成型、加熱固化、定長(zhǎng)切割,連續(xù)生產(chǎn)長(zhǎng)度不限的復(fù)合材料線型制品的一種方法。這種工藝最適于生產(chǎn)各種斷面形狀的型材,如棒、管、實(shí)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(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高,成本低,精度高,制品理論上可以做無(wú)限長(zhǎng),而且縱向抗拉、抗壓強(qiáng)度高;其缺點(diǎn)是橫向強(qiáng)度低,抗彎特性較差。
(2) 纏繞成型:該工藝原理是將浸過(guò)樹(shù)脂膠液的連續(xù)纖維或布帶,按照一定規(guī)律纏繞到芯模上,然后在固化爐內(nèi)加熱固化,脫模成為復(fù)合材料制品的工藝過(guò)程。這種工藝可適用于等徑及錐形管件的成型,其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高,成本適中,制品的各項(xiàng)綜合性能較高,不存在明顯的短板;其缺點(diǎn)是制品的表面質(zhì)量較低。
(3) 卷管成型:該工藝原理是采用卷管機(jī)上的熱輥,使預(yù)浸料軟化,熔化預(yù)浸料上面的樹(shù)脂膠粘劑,在一定張力下,在輥的旋轉(zhuǎn)操作過(guò)程中,利用輥和心軸之間的摩擦,將預(yù)浸料連續(xù)卷到管芯上,直至所要求的厚度,然后通過(guò)冷輥冷卻定型,從卷繞機(jī)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(fù)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(yōu)點(diǎn)是成型制品的各項(xiàng)綜合性能較高,不存在明顯的短板,且精度較高;缺點(diǎn)在于生產(chǎn)效率較低,且制造成本較高。
(4) 模壓成型[5]:該工藝是復(fù)合材料生產(chǎn)中最古老而又富有無(wú)限活力的一種成型方法,工藝的基本過(guò)程是將一定量的經(jīng)過(guò)預(yù)處理的模壓料放入預(yù)熱的壓模內(nèi),施加較高的壓力使模壓料充滿模腔,在預(yù)設(shè)的溫度條件下,模壓料在模腔內(nèi)充分固化,然后將制品從壓模內(nèi)取出,再進(jìn)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(fù)雜制品的成型,其優(yōu)點(diǎn)是成型制品的各項(xiàng)綜合性能較高,不存在明顯的短板,且精度較高;缺點(diǎn)在于不適用于大型管件的生產(chǎn),效率極低且模具制造成本昂貴。
項(xiàng)目組對(duì)上述4 種工藝生產(chǎn)的復(fù)合材料制品進(jìn)行了取樣測(cè)試,測(cè)試項(xiàng)目包括抗拉強(qiáng)度、抗拉模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、壓縮強(qiáng)度、壓縮模量、剪切強(qiáng)度和剪切模量等,通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)分析,確定使用纏繞及拉擠成型工藝分別進(jìn)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(jiàn)圖2 和圖3。
圖2 纏繞成型
圖3 拉擠成型
1.2.2 復(fù)合材料配方的研究
對(duì)玄武巖纖維、高強(qiáng)度玻璃纖維、碳纖維等不同種類的高性能纖維進(jìn)行研究,調(diào)整纖維表面的處理劑,并反復(fù)校驗(yàn)得出纖維與樹(shù)脂結(jié)合的最佳配比方案,充分發(fā)揮各種纖維的優(yōu)勢(shì)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(jiàn)圖4)和碳纖維(見(jiàn)圖5)進(jìn)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(xiàng)參數(shù)性能對(duì)比玄武巖纖維的發(fā)展及其應(yīng)用,見(jiàn)表1。
圖4 玄武巖纖維
圖5 碳纖維
表1 纖維性能參數(shù)對(duì)比[4]
研究一種輕質(zhì)化玄武巖空芯復(fù)合絕緣橫擔(dān),該絕緣橫擔(dān)主要由絕緣閉孔發(fā)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(gòu)成(見(jiàn)圖6),橫擔(dān)成型后具有重量輕、強(qiáng)度高、絕緣性好、免維護(hù)等特性,能夠滿足220 kV 電壓等級(jí)使用,相比傳統(tǒng)玻璃鋼復(fù)合絕緣橫擔(dān),其機(jī)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(fù)合絕緣橫擔(dān)
連接結(jié)構(gòu)是輕質(zhì)化全絕緣220 kV 復(fù)合材料搶修塔應(yīng)用的關(guān)鍵,連接后不但要有較高的強(qiáng)度及穩(wěn)定性,而且還必須拆裝方便、快捷,滿足線路應(yīng)急搶修的基本要求。通過(guò)各方面的研究論證,我們最終采用插接的方式對(duì)絕緣主桿進(jìn)行裝配連接,在兩段主桿插接結(jié)合處設(shè)置永久性的簡(jiǎn)易限位法蘭裝置(見(jiàn)圖7),保證主桿插接裝配時(shí)能夠輕松準(zhǔn)確的到達(dá)預(yù)設(shè)裝配位置,不會(huì)發(fā)生過(guò)插或插接不到位的情況,這種法蘭結(jié)構(gòu)不但能夠保證桿段的連接質(zhì)量,而且還有效提升了主桿的拆裝效率,完美契合應(yīng)急搶修工作的特殊要求。
圖7 限位法蘭裝置
本研究論述的輕質(zhì)化全絕緣220 kV 復(fù)合材料搶修塔,其主要?jiǎng)?chuàng)新特點(diǎn)在于新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝及新方法的應(yīng)用。通過(guò)探索研究,將近年來(lái)最炙手可熱的玄武巖纖維、碳纖維等高性能纖維材料與環(huán)保型聚氨酯材料充分復(fù)合,研制出了一系列重量輕、強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)的復(fù)合材料部件,并成功應(yīng)用到了電力搶修桿塔的結(jié)構(gòu)中,充分的發(fā)揮高性能纖維復(fù)合材料低密度、高強(qiáng)度、高模量的天然技術(shù)優(yōu)勢(shì),有效解決現(xiàn)有電力桿塔重量過(guò)重,運(yùn)輸、組裝、立塔不便的問(wèn)題。
輕質(zhì)化全絕緣220 kV 復(fù)合材料搶修塔的研發(fā)應(yīng)用,將會(huì)為未來(lái)中國(guó)特高壓輸電線路桿塔的絕緣化、輕質(zhì)化改造提供一定的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)支撐及參考價(jià)值,對(duì)于推動(dòng)中國(guó)大電網(wǎng)的發(fā)展建設(shè)具有重要意義。