張明龍，張延輝，鄭凌娟，王 健，劉 偉，李衍川，錢 健，陳輝龍

(1 國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院,福建福州 350007；2 博羅元鵬新材料有限公司,廣東惠州 516100)

1 背景

近年來,由于沿海地區(qū)環(huán)境腐蝕嚴(yán)重、臺風(fēng)和雷暴頻發(fā),而在這些地區(qū)多數(shù)桿塔的使用年份較為久遠,這就使得傳統(tǒng)的塔桿在惡劣的天氣下易發(fā)生倒桿甚至斷桿的現(xiàn)象,同時這種惡劣的環(huán)境也會對輸電線路造成嚴(yán)重的影響[1]。而復(fù)合材料具有很好的耐腐蝕和高強度的特性,自2013 年國內(nèi)第一條全復(fù)合材料電桿供電線路建成以來,復(fù)合材料電桿已經(jīng)在全國多省份得到了大量的應(yīng)用[2-3]。

雖然經(jīng)過多年的發(fā)展,但是復(fù)合材料電桿在使用時還存在一些問題,這些問題也限制了復(fù)合材料電桿應(yīng)用。盡管復(fù)合材料電桿斷裂彎矩足夠大、絕緣防雷和耐酸堿鹽腐蝕性能優(yōu)良,能很好地保障供電安全,但是在載荷下的撓度值卻比水泥電桿大很多,大約是水泥電桿的4倍。這樣的特性使得傳統(tǒng)復(fù)合電桿不便用在線路的轉(zhuǎn)角和終端位置,用在這些位置時,電桿會出現(xiàn)明顯的彎曲現(xiàn)象,對緊線操作也會造成一定的影響[4],如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)復(fù)合電桿的應(yīng)用狀況Fig.1 Application of traditional composite poles

鑒于復(fù)合材料電桿具備的這些優(yōu)點,使得復(fù)合材料電桿已經(jīng)在供電線路中得到了廣泛的應(yīng)用[5]。但是它撓度大的缺點也比較明顯,低撓度的復(fù)合材料電桿的研制具有一定的現(xiàn)實意義。

2 設(shè)計方案

基于以上問題,本論文提出了一種材料成本相當(dāng)、具有更高強度、更低撓度的復(fù)合材料電桿設(shè)計,使其具有更廣泛的應(yīng)用范圍。

常規(guī)的復(fù)合材料電桿參照水泥電桿的標(biāo)準(zhǔn)尺寸,以Q 級15m 復(fù)合電桿為例,傳統(tǒng)復(fù)合電桿是梢徑190mm、根徑350mm的錐形結(jié)構(gòu),此復(fù)合電桿在標(biāo)準(zhǔn)檢驗彎矩載荷下頂部撓度達到2m 左右。

我們增大復(fù)合電桿的設(shè)計直徑后,做成梢徑310mm、根徑510mm的復(fù)合電桿,其撓度值從2m 降低到0.9m,彎矩強度值增加了50%,而材料成本僅增加了5%。

3 設(shè)計及實驗

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料

本復(fù)合材料電桿為樹脂基復(fù)合材料,其基體材料為聚氨酯樹脂,增強材料為玻璃纖維纏繞紗。在基體材料的選用上,本論文是使用脂肪族聚氨酯樹脂作為該電桿的表面樹脂,其拉伸強度為61MPa、彈性模量2.5GPa、斷裂伸長率為6%,再選取芳香族聚氨酯樹脂作為結(jié)構(gòu)樹脂,其拉伸強度為65MPa、彈性模量2.6GPa、斷裂伸長率為4%,基體材料性能見表1。此外,復(fù)合材料電桿整體分為內(nèi)結(jié)構(gòu)層和外表層,表面層考慮了抗老化和防滑的功能,其基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

表1 基體材料的性能Table 1 Properties of matrix materials

圖2 復(fù)合材料電桿結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of composite pole

3.2 結(jié)構(gòu)的物理性能

按照國家標(biāo)準(zhǔn)分別對該復(fù)合材料電桿的結(jié)構(gòu)進行了拉伸、壓縮和彎曲測試實驗,實驗過程如圖3 所示,試驗后觀察其變化狀況,得出了該結(jié)構(gòu)的性能參數(shù):該結(jié)構(gòu)在軸向拉伸強度為400MPa 時,拉伸處變形較均勻；軸向壓縮強度在320MPa 時,無壓壞跡象；軸向彎曲強度在500MPa 時,彎曲程度不明顯,滿足預(yù)期的性能要求。

圖3 復(fù)合材料電桿的力學(xué)性能測試Fig.3 Test of mechanical properties of composite poles

3.3 結(jié)構(gòu)的老化性能

按照標(biāo)準(zhǔn)對該復(fù)合材料電桿的結(jié)構(gòu)進行了紫外光照老化測試實驗。實驗條件:燈管類型UVA-340；光照8h,(60±3)℃ BPT,0.89W/(m2?nm)@340nm；冷 凝4h,(50±3)℃ BPT；暴露時間1000h。實驗過程如圖4所示,試驗后觀察表觀和物理性能的變化狀況,得出了該結(jié)構(gòu)紫外光老化性能指標(biāo):材料表面有黃變,沒有出現(xiàn)表面材料粉化的現(xiàn)象；軸向彎曲強度在520MPa 時,彎曲程度不明顯,滿足預(yù)期的性能要求。

圖4 復(fù)合材料電桿的老化性能測試Fig.4 Aging test of composite poles

3.4 電桿真型測試

為使設(shè)計能達到預(yù)期的效果,對復(fù)合電桿進行了真型測試和極限破壞測試,如圖5 所示。

圖5 復(fù)合材料電桿真型測試Fig.5 Test of true shape of composite poles

實驗前,先對該電桿的物理性能進行了測試:電桿的梢徑為351mm、根徑552mm、長度15.01m、平均厚度10.2mm、重量372kg。在實驗中,在塔桿頂端施加一個橫向載荷,測得該塔桿在標(biāo)準(zhǔn)檢驗彎矩下的撓度值為0.7m,并在極限破壞實驗中得出塔桿的斷裂彎矩值為483kN?m,性能數(shù)據(jù)見表2。

表2 復(fù)合電桿性能數(shù)據(jù)Table 2 Properties of composite pole

4 對比分析

新設(shè)計制作的復(fù)合電桿與傳統(tǒng)復(fù)合電桿、傳統(tǒng)水泥電桿的對比數(shù)據(jù)見表3,可以看出:

表3 不同材質(zhì)電桿的性能對比Table 3 Property comparison of poles made of different materials

(1)傳統(tǒng)復(fù)合材料電桿與同等強度等級的水泥電桿相比,其重量是水泥電桿的1/5,斷裂彎矩值是水泥電桿的1.5 倍,但是撓度值是水泥電桿的4 倍。

(2)大直徑復(fù)合電桿1 與傳統(tǒng)復(fù)合電桿相比,重量僅增加了5%,但是撓度值卻降低了50%。斷裂彎矩值是水泥電桿的2 倍,具有更強的抵御臺風(fēng)的能力。

(3)大直徑復(fù)合電桿2 與傳統(tǒng)復(fù)合電桿相比,重量僅增加了10%,但是撓度值是傳統(tǒng)復(fù)合電桿的1/3,基本與傳統(tǒng)水泥電桿的撓度值接近了。斷裂彎矩值是水泥電桿的2 倍,具有更強的抵御臺風(fēng)的能力。

5 結(jié)論

(1)傳統(tǒng)復(fù)合電桿的撓度過大,在架空線路中很多地段不適用,不利于復(fù)合電桿在電力行業(yè)的推廣應(yīng)用。

(2)大口徑的復(fù)合電桿,重量和材料成本僅僅提高5%,但是撓度大幅度降低,接近傳統(tǒng)水泥電桿的撓度值。強度富余很大,更適合于臺風(fēng)和大覆冰的極限工況。

(3)選擇復(fù)合電桿直徑尺寸時,選擇比傳統(tǒng)水泥電桿的直徑大一個規(guī)格的尺寸比較合適。此時經(jīng)濟性和適用性更好。