任勃潭

摘要： 随着社会市场经济的发展，我国电力工业也得到了快速发展。在社会发展过程中，电力需求急剧增加的同时，对供电提出了更高的要求，既满足了最基本的用电需求，又保证了供电的安全可靠。架空电力线路是电网建设过程中常见的供电方式。铁塔是输电线路敷设形式中最重要的组成部分。随着各种技术的进步，输电线路复合杆塔的研究越来越受到重视。本文主要对其进行了简单的分析和研究。

关键词： 输配电线路；复合材料；杆塔应用实践

1 复合材料杆塔的构成材料选择及其特性

目前，绝缘杆塔主要由复合材料构成，而复合材料按基体材料可分为聚合物基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。由于金属基复合材料有良好的导电性，而研究复合杆塔的主要目的就是增大导线对地的绝缘距离，因此从导电性上来说，金属基复合材料与传统铁质杆塔无异，不予考虑。陶瓷基复合材料主要用于耐高温的场合，而且制造工艺复杂，目前也缺少耐高温纤维，所以陶瓷基复合材料发展缓慢，生产成本也相对较高。聚合物基复合材料相对成熟，各方面特性也较优良，是生产复合材料杆塔的理想材料。实际上，国外相对成熟的复合材料杆塔均采用聚合物基复合材料。除了以上特点外，聚合物基复合材料杆塔还有以下独特的优点（以玻璃纤维增强树脂基复合材料为例）。（1）比强度、比模量高。玻璃纤维增强树脂基复合材料的密度为1.5"--2.Og/cm3，只有普通碳钢的1/4～1/5，比铝合金还要轻1/3左右，而机械强度超过普通碳钢的标准，比强度大大超过普通碳钢。复合材料的高强度和高模量来源于增强纤维的高性能和低密度，玻璃纤维由于模量相对较低、密度较高，因此玻璃纤维树脂基复合材料的比模量低于金属材料。（2）耐疲劳性能好，安全性能高。金属材料疲劳破坏时，无明显预兆，突发性强；而复合材料疲劳破坏时，有明显预兆。由于复合材料基体中大量的独立纤维是力学上典型的静不定体系，当少数纤维发生断裂时，其失去部分载荷又会通过基体的传递而迅速分散到其它完好的纤维上，因此复合材料在短期内不会丧失承载能力。（3）瞬时耐高温、耐烧灼性好。玻璃钢的导热系数只有金属的1%。据相关数据分析，在丙烷火焰直接作用下，复合材料杆塔会以有限的火焰闷烧，而当丙烷火焰移开时就停止闷烧，火焰熄灭。涂有防火材料的复合杆塔能耐受两次森林大火的袭击而不失去其承载能力。（4）优异的绝缘性能和电磁性。玻璃纤维增强树脂基复合材料是一种优良的电气绝缘材料。复合材料杆塔能减小导线与塔身间隙，使输电线路结构更为紧凑，减少线路走廊宽度。复合材料还不受电磁干扰，可改善塔基周围的电磁环境。（5）耐化学腐蚀。復合材料具有优良的耐化学腐蚀性能。如玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料，在含氯原子的酸性环境中可长期使用，从而为酸碱腐蚀严重地区的杆塔提出了解决方案。（6）防污闪、湿闪。绝缘子和复合材料杆塔的配合，使污秽和潮湿环境下的爬电距离显著增加，且杆塔可设计成自清洁能力较强的结构，减少污闪、湿闪事故的发生。（7）利于带电作业。复合材料杆塔的绝缘距离较大，有利于带电更换线路绝缘子等高空带电作业，简化带电作业的操作步骤。（8）不生锈、防紫外线、防鸟害、环境适应性好。

2 输电线路复合材料杆塔关键技术细节

2.1 结构设计和优化

在杆塔结构设计及优化工作中，其重点内容是要能够协调好经济性、变形以及结构强度之间的关系，下面就主要针对此进行简单分析研究。（1）选择合适的材料设计强度在杆塔材料设计强度的选择过程中，想要很好的满足构件的强度要求，就需要依据材料的腐蚀老化试验结果及基本力学性能，对实测值进行修正，并根据实际的工程设计要求，选择材料的设计强度值为测试强度与0.6的乘积。（2）选择杆塔外形在杆塔外形选择及优化的过程中，应该充分的考虑其经济性及变形，在杆体的选形过程中，可以应用ANSYS有限元程序应用SOLID46层状单元来进行模拟，在优化的过程中，其控制因素主要有正常工况下的塔重最轻、材料强度、杆顶扰度等。（3）选择加工工艺在杆塔加工的过程中，各种加工工艺都会对最终的加工质量产生影响，这就需要在综合考虑各种影响因素的基础上，选择合适的加工工艺，在实际的加工过程中，纤维层的铺设方向、玻璃钢的加工工艺等都会对杆塔的承载力产生一定的影响，选取FH35塔的加工作为实例进行分析，其杆体结构划分为四层，从上到下表现为：表面抗老化功能层、纤维缠绕外承载层、树脂/石英砂刚度层、纤维缠绕内密封层，由于其上段杆体中的节点构造比较多，用量较少，其加工过程中应用的是全玻璃钢缠绕方案，而其下段杆体则应用的是树脂/石英砂颗粒夹层结构的改进工艺，应用该方案使得杆塔的整体造价显著降低，在保证其正常运行的同时具有非常好的经济性性能。

2.2 节点设计和优化

复合材料杆塔的节点设计主要包含：节点方案的选择及优化两部分的内容，在节点的选择及优化的过程中，应该充分的考虑经济性、加工制造的可行性、连接的可靠性等方面的内容，同时需要综合的考虑套筒局部变形对胶层开裂的要求、杆塔扰度控制、抗扭强度、上下杆体变形的协调性等方面的要求，以FH35塔为例，对其各种节点构造方案进行简单分析，金属法兰套筒、插接胶粘、管壁预埋金属螺栓是其常用的几种节点方案，对这几种方案的安装性、可加工性及可靠性进行综合的考虑，最终选择了金属法兰套筒粘结主杆，在此基础上，辅以抗扭销钉连接，这种节点设计方案，具有承载力高、安装方便、加工方便、抗疲劳性强的优点。应用ANSYS有限元程序对该节点方案进行优化，优化结果表明，主杆与套筒之间的抗剪强度会随着金属套筒长度的增加而不断的增加，但是当其长度值超过临界值以后，相关的增加趋势会逐渐趋于稳定，综合的考虑各种因素，在FH35塔的节点设计工作中，将其套筒的高度确定为0.5米，应用这种设计方案，使得杆塔的节点在实际运行过程中，其应力能够均匀分布，并且具有较好的强度值。

2.3 横担连接和优化

在复合材料杆塔的设计过程中，横担连接常用的一种连接结构是拉挤结构，的那是这种连接方式在实际的应用过程中，不具备环向的缠绕层，如果其长期的处于扭转应力的作用下及疲劳弯曲的状态下，是很容易导致出现单向纤维分层的，尤其是在其运行过程中受到雷击作用时，其中的芯棒材料很容易被击穿，裂纹容易沿着纤维方向开展，从而造成杆塔结构的失效，因此，本次研究中横担的连接应用单向拉挤芯材作为弯曲载荷的承载体与纤维交叉缠绕层承担扭转载荷的复合结构，这对于横担综合承载能力的提升具有积极的作用。

3 复合材料在我国输电相塔中的应用前景

输电杆塔在架空线路工程中应用十分广泛，市场需求潜力巨大。新时期，我国国民经济发展迅速，各行各业对于电力的需求日益增加，电力供应问题日渐严峻。因此，为了有效解决我国电力能源配置优化问题，我国积极实行“西电东送”以及“全国联网”战略，并且积极推进城乡电网改造等重大工程。对于这些规模浩大的电力工程，必须积极研究出成本低、性能好的输电杆塔结构。由此可见，复合材料在输电杆塔中的应用前景十分广阔。

4 结束语

随着经济的发展及各项技术的进步，我国的电力行业取得了较大的发展与进步，复合材料杆塔由于具有诸多的优点，其在电力网络中的应用范围逐渐扩大，本文就主要对其特点及其中的一些关键技术进行了简单分析，对于其运行性能的提升具有积极的作用。

参考文献

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