任勃潭

摘要： 隨著社會市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國電力工業(yè)也得到了快速發(fā)展。在社會發(fā)展過程中，電力需求急劇增加的同時，對供電提出了更高的要求，既滿足了最基本的用電需求，又保證了供電的安全可靠。架空電力線路是電網(wǎng)建設(shè)過程中常見的供電方式。鐵塔是輸電線路敷設(shè)形式中最重要的組成部分。隨著各種技術(shù)的進(jìn)步，輸電線路復(fù)合桿塔的研究越來越受到重視。本文主要對其進(jìn)行了簡單的分析和研究。

關(guān)鍵詞： 輸配電線路；復(fù)合材料；桿塔應(yīng)用實(shí)踐

1 復(fù)合材料桿塔的構(gòu)成材料選擇及其特性

目前，絕緣桿塔主要由復(fù)合材料構(gòu)成，而復(fù)合材料按基體材料可分為聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料。由于金屬基復(fù)合材料有良好的導(dǎo)電性，而研究復(fù)合桿塔的主要目的就是增大導(dǎo)線對地的絕緣距離，因此從導(dǎo)電性上來說，金屬基復(fù)合材料與傳統(tǒng)鐵質(zhì)桿塔無異，不予考慮。陶瓷基復(fù)合材料主要用于耐高溫的場合，而且制造工藝復(fù)雜，目前也缺少耐高溫纖維，所以陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展緩慢，生產(chǎn)成本也相對較高。聚合物基復(fù)合材料相對成熟，各方面特性也較優(yōu)良，是生產(chǎn)復(fù)合材料桿塔的理想材料。實(shí)際上，國外相對成熟的復(fù)合材料桿塔均采用聚合物基復(fù)合材料。除了以上特點(diǎn)外，聚合物基復(fù)合材料桿塔還有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)（以玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料為例）。（1）比強(qiáng)度、比模量高。玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的密度為1.5"--2.Og/cm3，只有普通碳鋼的1/4～1/5，比鋁合金還要輕1/3左右，而機(jī)械強(qiáng)度超過普通碳鋼的標(biāo)準(zhǔn)，比強(qiáng)度大大超過普通碳鋼。復(fù)合材料的高強(qiáng)度和高模量來源于增強(qiáng)纖維的高性能和低密度，玻璃纖維由于模量相對較低、密度較高，因此玻璃纖維樹脂基復(fù)合材料的比模量低于金屬材料。（2）耐疲勞性能好，安全性能高。金屬材料疲勞破壞時，無明顯預(yù)兆，突發(fā)性強(qiáng)；而復(fù)合材料疲勞破壞時，有明顯預(yù)兆。由于復(fù)合材料基體中大量的獨(dú)立纖維是力學(xué)上典型的靜不定體系，當(dāng)少數(shù)纖維發(fā)生斷裂時，其失去部分載荷又會通過基體的傳遞而迅速分散到其它完好的纖維上，因此復(fù)合材料在短期內(nèi)不會喪失承載能力。（3）瞬時耐高溫、耐燒灼性好。玻璃鋼的導(dǎo)熱系數(shù)只有金屬的1%。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析，在丙烷火焰直接作用下，復(fù)合材料桿塔會以有限的火焰悶燒，而當(dāng)丙烷火焰移開時就停止悶燒，火焰熄滅。涂有防火材料的復(fù)合桿塔能耐受兩次森林大火的襲擊而不失去其承載能力。（4）優(yōu)異的絕緣性能和電磁性。玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是一種優(yōu)良的電氣絕緣材料。復(fù)合材料桿塔能減小導(dǎo)線與塔身間隙，使輸電線路結(jié)構(gòu)更為緊湊，減少線路走廊寬度。復(fù)合材料還不受電磁干擾，可改善塔基周圍的電磁環(huán)境。（5）耐化學(xué)腐蝕。復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性能。如玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹脂復(fù)合材料，在含氯原子的酸性環(huán)境中可長期使用，從而為酸堿腐蝕嚴(yán)重地區(qū)的桿塔提出了解決方案。（6）防污閃、濕閃。絕緣子和復(fù)合材料桿塔的配合，使污穢和潮濕環(huán)境下的爬電距離顯著增加，且桿塔可設(shè)計(jì)成自清潔能力較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，減少污閃、濕閃事故的發(fā)生。（7）利于帶電作業(yè)。復(fù)合材料桿塔的絕緣距離較大，有利于帶電更換線路絕緣子等高空帶電作業(yè)，簡化帶電作業(yè)的操作步驟。（8）不生銹、防紫外線、防鳥害、環(huán)境適應(yīng)性好。

2 輸電線路復(fù)合材料桿塔關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

在桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化工作中，其重點(diǎn)內(nèi)容是要能夠協(xié)調(diào)好經(jīng)濟(jì)性、變形以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間的關(guān)系，下面就主要針對此進(jìn)行簡單分析研究。（1）選擇合適的材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度在桿塔材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度的選擇過程中，想要很好的滿足構(gòu)件的強(qiáng)度要求，就需要依據(jù)材料的腐蝕老化試驗(yàn)結(jié)果及基本力學(xué)性能，對實(shí)測值進(jìn)行修正，并根據(jù)實(shí)際的工程設(shè)計(jì)要求，選擇材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度值為測試強(qiáng)度與0.6的乘積。（2）選擇桿塔外形在桿塔外形選擇及優(yōu)化的過程中，應(yīng)該充分的考慮其經(jīng)濟(jì)性及變形，在桿體的選形過程中，可以應(yīng)用ANSYS有限元程序應(yīng)用SOLID46層狀單元來進(jìn)行模擬，在優(yōu)化的過程中，其控制因素主要有正常工況下的塔重最輕、材料強(qiáng)度、桿頂擾度等。（3）選擇加工工藝在桿塔加工的過程中，各種加工工藝都會對最終的加工質(zhì)量產(chǎn)生影響，這就需要在綜合考慮各種影響因素的基礎(chǔ)上，選擇合適的加工工藝，在實(shí)際的加工過程中，纖維層的鋪設(shè)方向、玻璃鋼的加工工藝等都會對桿塔的承載力產(chǎn)生一定的影響，選取FH35塔的加工作為實(shí)例進(jìn)行分析，其桿體結(jié)構(gòu)劃分為四層，從上到下表現(xiàn)為：表面抗老化功能層、纖維纏繞外承載層、樹脂/石英砂剛度層、纖維纏繞內(nèi)密封層，由于其上段桿體中的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造比較多，用量較少，其加工過程中應(yīng)用的是全玻璃鋼纏繞方案，而其下段桿體則應(yīng)用的是樹脂/石英砂顆粒夾層結(jié)構(gòu)的改進(jìn)工藝，應(yīng)用該方案使得桿塔的整體造價顯著降低，在保證其正常運(yùn)行的同時具有非常好的經(jīng)濟(jì)性性能。

2.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

復(fù)合材料桿塔的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)主要包含：節(jié)點(diǎn)方案的選擇及優(yōu)化兩部分的內(nèi)容，在節(jié)點(diǎn)的選擇及優(yōu)化的過程中，應(yīng)該充分的考慮經(jīng)濟(jì)性、加工制造的可行性、連接的可靠性等方面的內(nèi)容，同時需要綜合的考慮套筒局部變形對膠層開裂的要求、桿塔擾度控制、抗扭強(qiáng)度、上下桿體變形的協(xié)調(diào)性等方面的要求，以FH35塔為例，對其各種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方案進(jìn)行簡單分析，金屬法蘭套筒、插接膠粘、管壁預(yù)埋金屬螺栓是其常用的幾種節(jié)點(diǎn)方案，對這幾種方案的安裝性、可加工性及可靠性進(jìn)行綜合的考慮，最終選擇了金屬法蘭套筒粘結(jié)主桿，在此基礎(chǔ)上，輔以抗扭銷釘連接，這種節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，具有承載力高、安裝方便、加工方便、抗疲勞性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用ANSYS有限元程序?qū)υ摴?jié)點(diǎn)方案進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明，主桿與套筒之間的抗剪強(qiáng)度會隨著金屬套筒長度的增加而不斷的增加，但是當(dāng)其長度值超過臨界值以后，相關(guān)的增加趨勢會逐漸趨于穩(wěn)定，綜合的考慮各種因素，在FH35塔的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)工作中，將其套筒的高度確定為0.5米，應(yīng)用這種設(shè)計(jì)方案，使得桿塔的節(jié)點(diǎn)在實(shí)際運(yùn)行過程中，其應(yīng)力能夠均勻分布，并且具有較好的強(qiáng)度值。

2.3 橫擔(dān)連接和優(yōu)化

在復(fù)合材料桿塔的設(shè)計(jì)過程中，橫擔(dān)連接常用的一種連接結(jié)構(gòu)是拉擠結(jié)構(gòu)，的那是這種連接方式在實(shí)際的應(yīng)用過程中，不具備環(huán)向的纏繞層，如果其長期的處于扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用下及疲勞彎曲的狀態(tài)下，是很容易導(dǎo)致出現(xiàn)單向纖維分層的，尤其是在其運(yùn)行過程中受到雷擊作用時，其中的芯棒材料很容易被擊穿，裂紋容易沿著纖維方向開展，從而造成桿塔結(jié)構(gòu)的失效，因此，本次研究中橫擔(dān)的連接應(yīng)用單向拉擠芯材作為彎曲載荷的承載體與纖維交叉纏繞層承擔(dān)扭轉(zhuǎn)載荷的復(fù)合結(jié)構(gòu)，這對于橫擔(dān)綜合承載能力的提升具有積極的作用。

3 復(fù)合材料在我國輸電相塔中的應(yīng)用前景

輸電桿塔在架空線路工程中應(yīng)用十分廣泛，市場需求潛力巨大。新時期，我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，各行各業(yè)對于電力的需求日益增加，電力供應(yīng)問題日漸嚴(yán)峻。因此，為了有效解決我國電力能源配置優(yōu)化問題，我國積極實(shí)行“西電東送”以及“全國聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略，并且積極推進(jìn)城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造等重大工程。對于這些規(guī)模浩大的電力工程，必須積極研究出成本低、性能好的輸電桿塔結(jié)構(gòu)。由此可見，復(fù)合材料在輸電桿塔中的應(yīng)用前景十分廣闊。

4 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及各項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步，我國的電力行業(yè)取得了較大的發(fā)展與進(jìn)步，復(fù)合材料桿塔由于具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，其在電力網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，本文就主要對其特點(diǎn)及其中的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡單分析，對于其運(yùn)行性能的提升具有積極的作用。

參考文獻(xiàn)

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