发布时间 : 星期四 文章复合材料杆塔中的工程应用 - 图文更新完毕开始阅读1022062a90c69ec3d5bb75ca
家供电公司圣地亚哥煤气电力公司（SDGE）和南加利福尼亚爱迪生公司（SCE）一道开发。该计划也得到了美国电科院（ERPI）的技术支持。1996年3月，在加利福尼亚奥克斯纳德的奥蒙德比奇发电站一条已建成的220千伏线路上安装了三基试验杆塔，如图2.5所示。
图2.5 格构式复合材料杆塔及其节点连接方式
尽管当地的干旱季节常使线路周边盐污染加剧，但投运过程中，并未出现明显的放电痕迹、机械损伤和电气损伤，或由气候变化或紫外线辐射引起的损伤，杆塔运行状况良好。
除美国在复合材料杆塔领域取得的显著成绩外，加拿大的RS公司也是一家先进的复合材料开发商，研发了独特设计的复合材料杆塔，其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。
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
我国在20世纪50年代就对复合材料杆进行过研究，但由于当时的材料性能和制造工艺方面的原因，尚不能满足输电杆塔所要求的一些性能指标。因此，未能得到推广使用，电力行业和各制品研究开发与生产单位也未对复合材料杆产品给予足够的重视。近年来，由于复合材料具有的明显优势逐步显露出来，尤其是其比强度和比模量高于金属钢材数倍，轻质特性非常适合山区的运输和组装，因此，对于复合材料杆塔工程实践的需求已经显得非常迫切。另外，复合材料的其它性能（结构本体重量轻、耐疲劳、加工成型方便、耐腐蚀、易维护等）也非常适合作为杆塔结构材料，随着复合材料成本的进一步降低和工艺的不断进步，国内的相关专业机构对复合材料杆塔研究的重视程度和积极性越来越高。
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。
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。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。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。
近期，随着国家电网公司倡导建设环境友好型、资源节约型的“两型三新”线路，自2009年6月，尤其牵头召开了“复合材料杆塔项目启动会”，各设计参与单位先后落实了复合材料杆塔应用的试点工程及与之合作的复合材料产品商。项目共设立8个试点工程，电压等级涵盖10kV、35kV、110kV以及220kV四个电压等级。其中，10kV、35kV采用全复合材料杆方案；110kV、220kV仅应用在横担上，利用其绝缘性缩减走廊宽度。
长期以来，由于国内在输电结构领域缺乏复合材料试验和理论的研究。为此该项目由国家电网公司牵头，国网电科院及中国电科院负责，起草了针对复合材料在输电杆塔应用的试验大纲。各参与单位根据试点工程情况选择测试项目，测试包括：材料基本力学性能测试、腐蚀老化性能测试、材料电气性能测试、构件真型试验、结构真型试验以及防雷接地性能测试。目前，各参与单位负责的试验项目已基本完成，对复合材料的物理力学及电气性能有了较为全面的认识，并就结构的变形控制等问题达成了一致。
截止2010年8月，已有包括江苏XXX工程、XXX工程在内XX项工程投入运行。目前运行状况良好，未出现异常状况。 3. 复合材料在输电杆塔领域的应用性研究
复合材料应用于输电杆塔领域，其主要技术优势包括： （1）节约钢材、减少对矿产资源的消耗，保护环境；
（2）良好的绝缘性，不仅避免了风偏和污闪事故，提高线路安全运行水平；同时，还可以减少塔头尺寸、缩减走廊宽度；
（3）杆塔质轻高强，易于加工成型，可大幅降低杆塔的运输组装成本； （4）材料可设计性强，通过不同的纤维分布方式实现材料各项异性，从而满足不同受力构件的力学要求；
（5）材料良好的耐腐蚀性、耐候性，降低了线路的运行维护成本。 因此，复合材料在一定程度上是建造输电杆塔结构的理想材料之一。 但我们也应该清楚地认识到，一直以来复合材料在我国主要作为功能性材料或受力较小的构件，将其应用于输电杆塔中还存在以下技术瓶颈：
（1）材料弹性模量低，尽管复合材料具有质轻高强的特性，但其弹性模量仅为钢材的1/5，造成在较大的荷载下结构挠度较大；
（2）材料不宜打孔，不能采用传统的螺栓连接方式，造成其节点连接复杂； （3）生产成本较高，尽管复合材料的生产工艺在翻新，但与钢杆相比，其建设成本在3倍以上，即便考虑到日后维护少、使用寿命长等优势，综合全寿命比较，其费用仍然偏高。
针对以上问题开展复合材料在输电杆塔上的应用研究就显得尤为重要。 4. 复合材料在单柱杆塔中的应用研究
单柱结构主要应用于荷载较小的低电压等级铁塔中，其具有传力路径清晰，
构造简单的优势，适合于FRB这种可设计性强，但不宜穿孔的材料。同时，由于材料弹性模型较低，采用单杆结构后其整塔的挠度控制将成为杆塔设计的关键环节。下面将以山东某35kV工程FH35全复合材料杆塔为例从杆体设计、节点设计两方面探讨复合材料单杆杆塔的设计应用问题。 4.1 结构设计及优化
杆体的设计及优化主要在于协调结构强度、变形以及经济性三方面的要求，其应按以下流程开展工作。
1）材料设计强度的选取
考虑老化及各生产厂商产品的离散性，为满足构件的强度要求，应首先根据材料基本力学性能及腐蚀老化试验的结果，对实测值进行修正。以FH35塔为例，设计时，将测试强度乘以0.6作为材料的设计强度，修正后拉伸强度为618.0MPa，压缩强度389.4MPa，弯曲强度636MPa。
2）杆塔外形选择及优化
为兼顾结构变形及经济性，杆体选形利用ANSYS有限元程序采用SOLID46层状单元进行模拟，优化主要以正常运行工况下的杆顶挠度、材料强度及塔重最轻作为控制因素。
以FH35塔为例，利用ANSYS进行优化选型后，最终其采用单杆上字型结构形式，呼称高18m、杆塔全高22.4m。整杆采用拔梢杆的截面形式，顶端直径为240mm，底端直径为576mm，壁厚20mm，如图4.1和4.2所示。真型试验测试显示其正常运行工况下，杆顶挠度为343mm，满足复合材料杆塔正常运行工况15‰的变形要求。