复合材料杆塔的应用研究及展望

输电线路复合材料杆塔的应用研究及展望

曹小平 ¹   孙竹森 ²   陈新 ³    张卓 ³   胡良全 ¹

(1 北京玻钢院复合材料有限公司 ,2 国家电网公司 ,3 中国电力科学研究院）

摘 要 ：本文综述了输电线路复合材料杆塔的主要应用特点与需求，对国内外输电线路复合材料杆塔的应用现状进行了综述分析，简述了输电线路复合材料杆塔的应用成本分析及制约因素，介绍了输电线路复合材料杆塔成型工艺状况，提出了输电线路复合材料杆塔应解决的关键技术，对输电线路复合材料杆塔的应用前景进行了展望。

1. 引言

输电线路杆塔结构，是电力架空线路设施中特殊的支撑结构件，其结构性能直接影响着线路的安全性、经济性和运行可靠性。随着我国电网的发展，输电线路工程呈现出长距离、规模化、大型化的发展趋势。目前，输电线路杆塔一般由钢材和混凝土组成。特别是大量钢结构杆塔的使用，其对钢材的需求量也在逐年上升，消耗了大量矿产资源，造成生态环境的污染。同时，大量采用钢材作为铁塔材料，也给杆塔的施工运输、运行维护带来了诸多困难。因此，采用新型环保复合材料代替钢材成为输电行业的一种发展趋势。

利用复合材料的绝缘性，不仅易于解决输电线路的污闪事故，提高线路安全运行水平，减小塔头尺寸与走廊宽度；杆塔轻便，大幅度地降低杆塔的运输和组装成本；杆塔耐腐蚀、被盗可能性小的特点，可降低线路的维护成本；同时由于杆塔颜色可调，增强了线路的环境友好性。因此复合材料在一定程度上是建造输电杆塔结构的材料之一。

    由于复合材料杆塔的绝缘等级高（30KV/mm），可以大幅度的缩小输电通道走廊宽度。图1所示。缩小输电通道走廊可节省宝贵土地资源，输电通道资源紧缺是电网发展过程中的国际性的问题。

图 1 应用复合材料杆塔缩小走廊宽度

人均耕地面积小，广东珠三角地区电力负荷密度过高，电网建设占地过多的矛盾尤其突出。到2030年西电东送采用交流500 kV送电方案需增加16回线路，走廊宽达960m，占地面积217万亩；采用交流1000 kV送电方案走廊宽度为500m，占地面积110万亩；而采用直流土800 kV送电，走廊宽度为300m，占地仅70万亩。                                              

    随着上海、北京等发展，已经进入国际化大都市行列，城市美化、输电线路绝缘等级提高，也使得复合材料杆塔有了新的应用目标。在过去经济条件不许可下，城市配网线路中主要采用水泥杆，随着使用时间延长，需要大量更换。

复合材料杆塔具有抗烟雾及酸雨、大风等自然灾害能力强等特点， 安装后不需维护，国外的杆塔预测使用寿命长达80年。 应用复合材料的耐腐蚀特性，对沿海地区的输电线路的维护要求显著降低。

2 国内外复合材料杆塔的应用现状

复合材料电杆在 40 多年以前已有研究，由于工艺技术和树脂配方问题导致抗老化性能差，寿命短，未能在实际工程线路中得到实际应用。随着树脂和纤维材料性能的改进和制造技术的进步，复合材料电杆重新受到世界各国输电行业的重视。采用拉挤或缠绕成型工艺进行生产，材料性能得到提高，成本也已大幅降低。缠绕型低成本电杆在美国已经投入使用，并且拉挤结构输电塔也已研制成功。

2.1 国外复合材料杆塔应用研究概况

输电线路复合材料杆塔由于其优良的综合性能已经在欧美得到应用，其中研究开发和应用最为成熟的是美国。美国各大输配电公司对复合材料杆塔表现出浓厚的兴趣，各制造企业也积极研制开发出各种复合材料杆。美国的 Ebert Composites 公司、 Powertrusion Composites 公司、 Shakespear 公司、 North Pacific 公司和 CTC 公司等制品厂家都开发了自己的复合材料杆产品，并申请专利和得到了比较广泛的应用。如图 2 ～图 6 所示。

图 2 Ebert Composites 公司的复合电杆      图 3 CTC 公司研究设计的复合电杆示意图

图4 powertrusion公司研制的复合电杆        图5 复合材料电杆的野外施工

加拿大的 RS 公司是一个先进复合材料的开发商，研究开发了独特设计的复合材料杆塔（见图 7 、图 8 ），具有重量轻和安装方便的特点，被南加州爱迪生公司的“未来电路”项目选中，该项目是美国最先进的近傍电力线路。采用的聚氨酯树脂体系具有创新性，比常规不饱和聚酯树脂加工的复合材料有更大的强度、耐冲击力和较大比强度等优势。

图6 Shakespear公司研制的复合电杆及横担

图7 RS公司生产复合电杆           图8 RS公司生产不同规格复合电杆

1996 年，美国公司和圣地亚哥煤气电力公司（ SDGE ）和南加利福尼亚爱迪生公司（ SCE ）合作，针对南加利福尼亚海滨奥德比奇的一条 22 万线路，开发了三基复合材料格构式输电塔，但是否真正通电运行有待考证。

荷兰 Movares 工程咨询公司 2005 年完成了荷兰电网一条 1.5 公里 380/150kV 试验线路的方案设计，该方案旨在利用复合材料杆塔的电气绝缘性能以改善输电线路电磁场对环境的影响。该项目曾一度受到欧盟重视。Exel Compsites 国际集团（分部主要在澳大利亚、奥地利、比利时、芬兰、德国、英国）针对电网应用实际情况研制了复合材料杆塔，集团成立了专门的部门进行市场运作。意大利 Topglass Composites 公司也生产了复合材料杆结构，并且已经实现了商品产业化应用于路灯。

图9 美国220KV复合材料格构式输电塔   图 10 南加州爱迪生公司建造的 115kV 复合输电杆

从詹姆斯戴韦逊（ Shakespeare 公司研发部副主任）的综述报道来看， 1954 年就有 复合材料 电杆制造，同时也进行了安装使用，至今仍在服务中。在高度盐雾腐蚀并经常经受飓风的夏威夷岛上，已有使用了 40 多年的电杆，仍在继续工作。

美国在复合材料电杆方面的研究开发和应用最为成熟。 EbertComposites 公司 1996 年研制复合材料输电杆塔，并在加利福尼亚奥蒙德比奇发电站安装了三基试验杆塔，试验环境位于高盐污染地区的南加利福尼亚海滨。运行资料表明，这些杆塔直至 2000 年都能保持稳定的性能。观察报告表明，投运最初 7 个月以后运行正常，没有发现明显放电痕迹，也没发现机械损伤和电气损伤。 Shakespeare 玻纤产品公司 1993 年 ~1995 年相续研制成功复合材料配电杆及输电杆，符合公用电工业的所有机械和电气标准，首批架设的 5000 根用于美国山区的主配电协同，该地区冬季雪量可能超过 3m 厚，积雪期达 6 周，风速可达 33m /s 。

图 11  运行中的 69kV 交叉线路复合输电杆       图12 复合输电杆的运输吊装

图 2.3 中展示的 FRP 杆最长可达 80 英尺 （ 27.84m），底部直径为 24.38 英寸（ 619cm ），重量为 1350 磅 （ 611.5kg ）。适用于110kV 及以下电压等级的输电线路。另外，由于复合材料质的轻质特性，对于复杂的地形条件，其还可采用直升机运输的方式送抵指定塔位。

除此之外，荷兰 Movares 工程咨询公司 2005 年完成了荷兰电网一条 1.5 公里 380/150kV 试验线路的方案设计，该方案旨在利用复合材料杆塔的电气绝缘性能以改善输电线路电磁场对环境的影响。该项目曾一度受到欧盟重视。 Exel Compsites 国际集团（分部主要在澳大利亚、奥地利、比利时、芬兰、德国、英国）针对电网应用实际情况研制了复合材料杆塔，集团成立了专门的部门进行市场运作。意大利 Topglass Composites 公司也生产了复合材料杆结构，并且已经实现了商品产业化应用于路灯。

随着应用范围的加大，目前，美国已制定了相关的产品标准。欧美等国的成功经验证实了复合材料在输电杆塔领域应用的可行性，同时也为其在我国的应用奠定了基础。

2.2 国内研究概况

南方电网的广东电网公司于 2007 年针对复合杆塔的应用研究进行了立项，项目选用了加拿大 RS 公司的复合杆塔，其力学真型试验在中国电力科学研究院进行。同时，项目开展了包括电气性能、机械性能、老化性能等关键性问题在内的研究。

鞍山铁塔开发研制中心与鞍山铁塔厂合作，于 2006 年在辽宁省电力公司立项研制高强度复合材料杆塔。采用了两段插接八边形 20m 长杆，端部加载 3t 情况下，杆顶挠度为 2m 。常熟市铁塔有限公司曾与加拿大 RS 公司洽谈合作复合材料杆塔项目，但因为 RS 公司要求过高而未能达成一致意见。除此之外，国内已有多家生产企业开始对复合杆塔的应用进行探索研究。温岭市电力绝缘器材有限公司自 1995 年开始研究复合材料，研制成功了 220kV 及以下抢修塔（门形、带拉线）、 110kV 复合材料横担和杆头，其中抢修塔已经进行了多项电气和物理性能试验，并在工程中得到应用。

2009 年 6 月，国家电网公司基建部组织了 “ 复合材料杆塔项目启动会 ” ，中国电力科学研究院、国网电力科学研究院与各省电力公司与设计院、材料厂家密切配合，选取了典型环境的试点工程，全面开展了复合材料杆塔的基本材料性能、老化性能（酸、碱、盐、紫外老化特性等）、电性能、淋雨、防覆冰材料、真型结构试验与构件连接技术试验、防雷接地试验等，并在部分试点工程线路上进行复合材料杆塔 / 复合材料绝缘横担构件运行试验，图 1 3 ～图16。

图 13 复合材料绝缘横担应用            图 14 上段为复合材料结构的杆塔

图 15 复合材料杆塔真型试验        图 16 直径 1200mm 的复合材料电杆等待试验

通过国网试点工程的应用试验，清楚地认识到， 输电线路跨越距离长，长期处于各种复杂的自然环境和气象条件下，输电杆塔必须满足强度、刚度、抗疲劳、耐久性等性能要求。同时，输电杆塔作为输电导线的支撑结构，必须满足必要的电气性能要求。因此，将其应用于输电杆塔中还存在以下瓶颈及制约，需要给予极大的关注：(1) 材料刚度/杆体挠度问题。 (2) 节点连接问题/防雷接地与疲劳、可靠性。 (3) 热稳定性问题/自然老化问题。(5) 回收/环境问题。(6) 成本问题。国家电网公司拟进一步开展复合材料在输电杆塔上的应用研究，解决应用瓶颈问题。

3   成型工艺研究状况

目前，复合材料杆塔的制造主要有两种方式，即拉挤成型和缠绕成型。

图17 缠绕成型复合杆塔生产过程         图18 拉挤成型复合材料杆塔生产过程

3.1 纤维缠绕工艺  

将浸过聚酯树脂的玻纤粗纱按照指定线型连续缠绕在轴上。控制芯轴转速和轴与丝嘴的相对运动速度可以调节到所需的缠绕角度，与轴向形成 7 度到将近 90 度范围的缠绕角。纤维层数要根据电杆的等级性能的要求而定。缠绕完毕后加热固化，固化完毕脱模。可用水压装置将管从芯轴上脱掉，然后后切割、打孔，安装脚踏。  

3.2 拉挤成型  

拉挤成型使用拉挤成型机使纤维增强塑料连续成型的一种成型加工法，连续增强纤维浸渍活性树脂后通过热型模，材型即确定，再根据需要按照一定长度进行切割。此工艺近几年发展最快，主要发展方向是为港口、输电、土木等基础设施工程和高层建筑工程提供厚壁结构板型件。该工艺比较适合于复合材料横担和多边形电杆的制造，机场篱及其他类似结构也采用拉挤工艺。拉挤工艺可加工具有等横截面、径向强度和刚度较高的结构件。美国 Elberta 公司正在设计、试制高压输电塔的大型拉挤成型结构件，塔高 25.58m ，重 2.59t ，全部用复合材料件装配组成。   

4   应用展望

    分析复合材料的结构及优势，其在输电线路杆塔领域的应用，具有广泛的需求背景和巨大的潜在市场容量。在材料技术、结构设计技术、试验技术等取得突破的基础上，在国家电网公司的试点工程应用的引领下，经过电力设计单位及复合材料制造单位的共同努力，输电复合材料杆塔的应用前景广阔，但是风险与利益共存。

  参考文献

1. 夏开全等，复合材料在输电杆塔中的研究与应用，高科技纤维与应用 2005 年 10 月第 5 期 .

2. 任宗栋等，复合材料在输电杆塔中的应用研究，玻璃钢 / 复合材料 年会 2010 年 09 月 , 北京 .

3. 曹小平等，轻质复合材料杆塔设计与研制，第七届功能材料会议， 2010.10 月，长沙。