復(fù)合材料在輸電線(xiàn)路的應(yīng)用與建議

蔣聲嬰，梁 浩

（1.上海市電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，上海 200002；2.上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025）

1 復(fù)合材料

1）復(fù)合材料的定義 復(fù)合材料（Composite materials）是指由有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)非金屬或金屬等幾類(lèi)不同材料，通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的新材料，它既能保留原有組分材料的主要特色，又通過(guò)材料設(shè)計(jì)使各組分的性能互補(bǔ)并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得新的優(yōu)越性能，與一般材料的簡(jiǎn)單混合有本質(zhì)的區(qū)別。按照基體的不同，主要分為金屬基復(fù)合材料、樹(shù)脂基復(fù)合材料及陶瓷基復(fù)合材料。復(fù)合材料經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)成為與金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料并列的四大材料體系之一。

2）樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用 樹(shù)脂基復(fù)合材料也稱(chēng)為纖維增強(qiáng)塑料，是目前技術(shù)比較成熟且應(yīng)用最為廣泛的一類(lèi)復(fù)合材料。這類(lèi)材料是用纖維及其織物增強(qiáng)熱固性（或熱塑性）樹(shù)脂基體，經(jīng)復(fù)合而成。以玻璃纖維作為增強(qiáng)相的樹(shù)脂基復(fù)合材料，俗稱(chēng)玻璃鋼，目前已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)。樹(shù)脂基復(fù)合材料于1932年在美國(guó)問(wèn)世，二次世界大戰(zhàn)以后，這種材料迅速擴(kuò)張到民用，各種新工藝、新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，質(zhì)量不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，并逐步實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、自動(dòng)化、規(guī)?；a(chǎn)。1971年前，我國(guó)的熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料主要用于軍工產(chǎn)品，20世紀(jì)70年代后期轉(zhuǎn)向民用。到2009年，我國(guó)復(fù)合材料產(chǎn)量高達(dá)323萬(wàn)t，先后超過(guò)德國(guó)和日本，位居世界第二位，僅略低于美國(guó)水平。目前，我國(guó)生產(chǎn)的復(fù)合材料用的主材料基本配套，玻璃纖維與樹(shù)脂的品質(zhì)，不少已經(jīng)達(dá)到國(guó)際水準(zhǔn)，價(jià)格具有競(jìng)爭(zhēng)力。

3）成型工藝 樹(shù)脂基復(fù)合材料的成型方法較多，根據(jù)基體、增強(qiáng)材料的不同方法各異。主要有模壓、層壓、卷管、纏繞、手糊、噴射、樹(shù)脂注射模塑（RTM）、拉擠成型及衍生出來(lái)的各種工藝。

2 復(fù)合材料在電纜線(xiàn)路的應(yīng)用

2.1 高強(qiáng)度電纜支架

電纜支架是在變電站電纜層、電纜工作井（溝）、電纜隧道以及其他電力電纜構(gòu)筑物中，用來(lái)支撐和固定電纜的支架，對(duì)電纜安裝和運(yùn)行有著十分重要的作用。長(zhǎng)期以來(lái)，架設(shè)電纜均采用金屬制電纜支架。傳統(tǒng)金屬支架在生產(chǎn)過(guò)程中資源和能耗大、工序多；在潮濕等惡劣環(huán)境條件下，傳統(tǒng)金屬支架易銹蝕，維護(hù)費(fèi)用高、使用壽命短，影響設(shè)施的安全和無(wú)故障使用期。

目前，高強(qiáng)度復(fù)合材料電纜支架主要以模壓工藝成型，如圖1所示。

圖1 高強(qiáng)度復(fù)合材料電纜支架

高強(qiáng)度復(fù)合材料電纜支架與鍍鋅角鋼支架的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能比較，如表1所示［1］。

表1 兩種電纜支架的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能比較

由表1可知，由熱固性復(fù)合材料制作的電纜支架具有強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性好；剛度大、不變形、耐腐蝕；防火性能優(yōu)、絕緣性能好、使用壽命長(zhǎng)等一系列的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 熱固性電纜溝蓋板

電纜溝蓋板主要用于防止地下電纜受到外界的損傷，同時(shí)起到保護(hù)行人，美化城市或園區(qū)街道的作用。電纜溝蓋板以往采用鋼筋混凝土配合鋼構(gòu)件制作，重量大、易開(kāi)裂、鋼構(gòu)件易銹蝕。如今使用復(fù)合材料制作的電纜溝蓋板具有重量輕、加工靈活、易調(diào)節(jié)、易安裝、易維修，不僅成本低而且不易被偷盜。由復(fù)合材料制作的圓型電纜溝蓋板，如圖2所示。

圖2 復(fù)合材料圓型電纜溝蓋板

2.3 玻璃鋼電纜保護(hù)管

電纜保護(hù)管主要用于電力電纜穿越地面障礙物、城市道路、交通道口及特殊環(huán)境時(shí)的穿管敷設(shè)，對(duì)電纜起保護(hù)作用。玻璃鋼電纜保護(hù)管具有高強(qiáng)度、重量輕、不變形、內(nèi)表光滑、防腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于城市電網(wǎng)建設(shè)中。玻璃鋼電纜保護(hù)管用于電力電纜穿越地面障礙物，如圖3所示。

圖3 玻璃鋼電纜保護(hù)管的應(yīng)用

總之，由于復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、表面光滑等特點(diǎn)，還可作為電力牽引繩、電纜穿管器等電纜施工工器具的制作材料，為取代傳統(tǒng)的牽引鋼絲繩、金屬穿管器等器具，提供了很好的材料選擇。

3 復(fù)合材料在架空線(xiàn)路的應(yīng)用

3.1 復(fù)合材料低壓輸電桿

低壓輸電桿以往大多為木質(zhì)桿、鋼筋混凝土桿和鋼管桿等，這些傳統(tǒng)電桿存在許多弊端：木質(zhì)電桿長(zhǎng)期在水分侵蝕下容易腐爛，易受蟲(chóng)害和鳥(niǎo)害的侵?jǐn)_，而且消耗木材資源；鋼筋混凝土電桿的制作工藝復(fù)雜、重量重、制耗鋼筋耗電大；鋼管電桿雖然結(jié)構(gòu)牢固、導(dǎo)電性好，但是電氣尺寸較大，隨著桿體高度的增加，其制作成本較高而且資源消耗較大。由復(fù)合材料制作的低壓輸電桿具有重量輕、強(qiáng)度大、絕緣性能好、耐腐蝕、耐紫外線(xiàn)、耐高溫、防蟲(chóng)防鳥(niǎo)、防偷盜、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由復(fù)合材料制作的低壓輸電桿，如圖4所示。

圖4 復(fù)合材料低壓輸電桿

3.2 復(fù)合材料輸電格構(gòu)塔

1）塔身構(gòu)件 輸電鐵塔位于野外、郊區(qū)，污染、海鹽離子、潮濕氣候等因素，都會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)鐵塔鋼構(gòu)件受蝕，不但使用壽命較短，而且維護(hù)成本較高。與傳統(tǒng)的鋼材相比，復(fù)合材料絕緣性好，不僅易于解決輸電線(xiàn)路的風(fēng)偏和污閃事故，還可減小桿塔高度及輸電走廊寬度，具有環(huán)境友好、資源節(jié)約的優(yōu)勢(shì)。與同樣尺寸的鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)塔相比，塔重減輕20%以上，同時(shí)還可降低格構(gòu)塔的運(yùn)輸和組裝成本，尤其是復(fù)合材料格構(gòu)塔具有耐腐蝕、強(qiáng)度大等特點(diǎn)，可降低輸電線(xiàn)路的維護(hù)成本，如圖5所示。

2）格構(gòu)橫擔(dān) 橫擔(dān)用來(lái)安裝絕緣子及金具，以支承導(dǎo)地線(xiàn)，并使之按規(guī)定保持一定的安全距離。采用復(fù)合材料格構(gòu)橫擔(dān)作為高壓輸電線(xiàn)路支撐導(dǎo)線(xiàn)的絕緣部件，可以有效地減小輸電走廊寬度，簡(jiǎn)化桿塔結(jié)構(gòu)，方便安裝，降低輸電線(xiàn)路投資，對(duì)人口密集的城市電網(wǎng)改造和新建配電線(xiàn)路，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。由復(fù)合材料制作的格構(gòu)橫擔(dān)，如圖6所示。

3.3 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)具有高輸送量、低弧垂、耐高溫、自重輕、熱膨脹系數(shù)小、比強(qiáng)度高等優(yōu)異特性，可使導(dǎo)線(xiàn)在高溫下穩(wěn)定運(yùn)行，從而提高輸電量。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)如圖7所示，在上海電網(wǎng)的增容改造中已得到廣泛的應(yīng)用。

圖5 復(fù)合材料輸電格構(gòu)塔

圖6 復(fù)合材料格構(gòu)橫擔(dān)

圖7 碳纖維復(fù)合芯鋁導(dǎo)線(xiàn)

3.4 復(fù)合材料絕緣子

復(fù)合材料絕緣子由玻璃纖維樹(shù)脂芯棒、合成材料護(hù)套、傘裙和兩端的連接金具組成，可有效減小橫擔(dān)長(zhǎng)度和輸電走廊寬度。2011年，上海電網(wǎng)500 k V練塘站220 k V出線(xiàn)工程中，首次在鋼管電桿上應(yīng)用220 k V復(fù)合絕緣子橫擔(dān)，在苛刻的輸電走廊寬度下，滿(mǎn)足了電氣及工程施工要求。

3.5 復(fù)合材料間隔棒

用復(fù)合材料制造的相間間隔棒如圖8所示，阻尼間隔棒如圖9所示。由于用復(fù)合材料制造的間隔棒，具有良好的抗彎曲、抗沖擊能力；防污能力強(qiáng)，防震和防脆性好；重量輕，安裝方便，免維護(hù)，不需要人工清掃等特點(diǎn)，正在電力工程中推廣應(yīng)用。由于目前復(fù)合材料間隔棒的單價(jià)較貴，尚未普及。

圖8 復(fù)合材料相間間隔棒

圖9 復(fù)合材料阻尼間隔棒

4 制約復(fù)合材料應(yīng)用的主要因素

1）成本 輸電線(xiàn)路應(yīng)用的復(fù)合材料產(chǎn)品，均具有維護(hù)成本低的特點(diǎn)，但是其制造成本與現(xiàn)在的傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，仍然偏高。其主要原因是產(chǎn)品模具的開(kāi)發(fā)和原材料的成本較高。只有在原材料價(jià)格降低及產(chǎn)品能夠大批量應(yīng)用后，其成本才會(huì)有效減低。

2）技術(shù)規(guī)范 雖然國(guó)內(nèi)復(fù)合材料產(chǎn)品從20世紀(jì)70年代已經(jīng)應(yīng)用，但是到迄今為止，輸電線(xiàn)路復(fù)合材料產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)仍是空白。這不僅制約了復(fù)合材料產(chǎn)品在輸電線(xiàn)路工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，還制約了相關(guān)產(chǎn)業(yè)及技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

3）材料特性 復(fù)合材料雖然具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、軸向剛度大等一系列的優(yōu)異特性，但由于其彈性模量較小，在相同荷載作用下，單柱截面的復(fù)合材料電桿側(cè)向變形與傳統(tǒng)鋼筋混凝土電桿和鋼管電桿相比相差較大，無(wú)法滿(mǎn)足輸電線(xiàn)路桿的使用要求。正因?yàn)橐陨显?，?fù)合材料的輸電單桿現(xiàn)僅應(yīng)用于直線(xiàn)桿，轉(zhuǎn)角桿由于側(cè)向荷載較大導(dǎo)致側(cè)向變形過(guò)大，尚無(wú)法在實(shí)際工程中使用。針對(duì)以上原因，對(duì)于單柱截面桿，優(yōu)化柱截面的型式、添加剛度增強(qiáng)構(gòu)件等手段來(lái)增加桿體剛度，這也是今后要攻克的技術(shù)難題。同時(shí)，由于復(fù)合材料所具的絕緣性，輸電桿的接地方法也需要進(jìn)一步研究。

4）連接 傳統(tǒng)鋼筋混凝土電桿、鋼管電桿的連接節(jié)點(diǎn)剛度較大，能較好地抵抗變形并傳遞荷載，與之特性相比，復(fù)合材料桿件之間的連接難度較大。在保證可靠連接的基礎(chǔ)上，如何較好地傳遞荷載并抵抗變形，不僅需要在工藝上深化革新，更需要在構(gòu)造上加以完善。

5 結(jié)論與建議

1）復(fù)合材料是輸電線(xiàn)路的一種新材料，適合的成型工藝主要有纖維纏繞、拉擠及其衍生工藝。

2）復(fù)合材料由于其材料特性方面的優(yōu)異性能，已在電纜和架空線(xiàn)路上研發(fā)了多種適用產(chǎn)品，為輸電線(xiàn)路新產(chǎn)品、新工藝的應(yīng)用、新技術(shù)的開(kāi)發(fā)，提供了堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)及良好的應(yīng)用前景。

3）與輸電線(xiàn)路中復(fù)合材料產(chǎn)品的制備和應(yīng)用相關(guān)的一系列關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，有待探索及解決。例如：快速低成本的制造技術(shù)；復(fù)合材料桿塔設(shè)計(jì)規(guī)范等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的推出；復(fù)合材料高效節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)的研究；復(fù)合材料電氣性能的進(jìn)一步提高；復(fù)合材料防老化技術(shù)及壽命評(píng)價(jià)等。

4）復(fù)合材料作為一種新型材料，其設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)思想和傳統(tǒng)的金屬材料有較大的區(qū)別。因此，不能簡(jiǎn)單地采用等強(qiáng)度或等剛度替換的設(shè)計(jì)，需要根據(jù)其應(yīng)用環(huán)境、應(yīng)力水平、功能需求等方面的因素綜合設(shè)計(jì)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)。

［1］ 李明，楊志萍，項(xiàng)佩中.玻璃鋼電纜支架的推廣應(yīng)用［J］.電力與能源，2011，32（5）：421-423.