復合材料電桿的研究開發(fā)和應用
、電桿、電塔結構是輸電、通訊、鐵路、機場、市政等基礎設施中一類重要的特種支撐結構物，其結構性能直接影響線路的安全性、經濟性和可靠性。傳統(tǒng)輸電桿（包括木桿、水泥桿、鋼桿及鐵塔）在長期運行中各種各樣的缺陷正逐步暴露出來。由于纖維增強樹脂基復合材料（以下簡稱復合材料）具有輕質高強、耐腐蝕、電絕緣、性能可設計等特點，是輸電桿及桿塔結構材料較理想的選擇，開始受到國內外電力行業(yè)的關注。國外復合材料電桿的研究起步較早，批量生產的電桿已在歐美地區(qū)得到應用。美國由于其特殊的地理特點，復合材料電桿的研究開發(fā)和應用最為成熟。
電桿材料應用現(xiàn)狀
國內外架空輸電線路中使用較為廣泛的桿塔主要有木質桿、鋼管桿和鐵塔等幾類。占有世界大半電桿市場的美加地區(qū)，現(xiàn)有電桿采用的主要是木材，在美國只有俄勒岡州使用混凝土桿。混凝土或預應力混凝土桿主要應用于南美洲、歐洲、非洲、亞洲等森林資源較為貧乏的地區(qū)或發(fā)展中國家。鐵塔是世界各國超高壓輸電線路中常用的桿塔型式。
我國基本不再使用木質桿，混凝土桿以前在35kv~110kv線路上大量使用，在新建及330kv以下線路運輸和施工條件較好的平原和丘陵地區(qū)也得到一定應用。鋼管桿和鋼管混凝土桿在近年城市電網建設和改造中應用較多，而在220kv及以上的線路中，多采用格架式鐵塔。
1.傳統(tǒng)電桿存在的問題
傳統(tǒng)的輸電電桿塔普遍存在質量大、易腐爛、銹蝕或開裂等缺陷，使用壽命較短，并且施工運輸和運行維護困難，容易出現(xiàn)各種安全隱患。歸納起來主要有以下幾個問題。
腐蝕
木桿受腐蝕因素影響，平均壽命為30年。木桿維修費用為每桿每5年35美元，并且一旦腐蝕開始就會持續(xù)進行直至失去強度。木桿的維護主要用雜芬油類的防腐劑，這種防腐劑被認為是一種危險的廢料，極大影響了環(huán)境。在美國，每1根電桿造成污染的環(huán)保復原費用達1萬美元。
金屬電桿存在生銹腐蝕問題，腐蝕減少了服役期，增加了全壽命周期內的維修成本。
安裝成本
傳統(tǒng)電桿的安裝費用問題在于偏遠地區(qū)缺少運力和運輸設備來搬運沉重的鋼桿、木桿，水泥桿重量太大，造成運輸與安裝費用比其他材料更高一籌。有時為了安裝到位甚至還需要鋪設專門的道路來運輸，這使得費用進一步提高。
事故與其他問題
長期運行經驗表明：不同電壓等級交、直流輸電線路皆存在雷擊事故和污閃事故，雷擊事故和污閃事故在每年的輸電線路跳閘事故中幾乎各占50%.大量的使
用復合絕緣子仍不能徹底解決雷擊和污閃事故。
高寒地區(qū)混凝土桿常發(fā)生凍融循環(huán)破壞，而鐵塔常發(fā)生低溫冷脆破壞。鋼材還易被人為偷盜破壞。
2.其他改進型電桿
除一般類型電桿外，還有以下一些改進型電桿。
（1）無覆層耐侵蝕的鋼材。保持了鋼的優(yōu)點，且無須防腐蝕層。
（2）電弧爐回收鋼。一些鋼材的最初費用可以通過這種回收來得到補償。鋼材的運輸費用仍然極其昂貴，特別是運到邊遠地區(qū)，電桿或鍍鋅或用密封劑涂覆，會增加維修費用。
（3）鋼筋混凝土也是替代木材的一種材料。但水泥桿重量太大，造成運輸與安裝費用比其他材料都要高。
（4）玻纖混凝土桿具有和復合材料一樣的非電導性和無腐蝕性。復合材料電桿的纖維纏繞工藝還有價格優(yōu)勢，但由于應用得少，目前在使用可靠性方面還存在疑問。
復合材料電桿的技術優(yōu)勢
復合材料電桿及桿段的制造技術在國外已有50多年的歷史。復合材料的優(yōu)勢主要在集中在以下幾方面：
1.安裝、維護成本低
復合材料電桿的質量約為木質桿的1/3,混凝土桿的1/10,鋼質桿的1/2,可大幅度降低運輸和施工安裝成本，尤其是在人難以到達的山林和偏遠地區(qū)。復合材料電桿的輕質特點使其可用直升機運載，輕質還意味著安裝速度加快和節(jié)省人力。復合材料電桿是一種免維護或低維護結構，這對保障線路安全和降低輸電線路的維護成本很有意義。
2.環(huán)境適應性好
復合材料電桿對酸、堿、鹽及有機溶劑等腐蝕介質的耐腐蝕性能和耐候性能優(yōu)良，因此特別適合沿海地區(qū)、內陸鹽漬土，以及工業(yè)區(qū)和酸雨多發(fā)地區(qū)等對混凝土和鋼質桿塔有特殊防腐要求的環(huán)境。
3.電絕緣性能好
利用玻璃鋼桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)鐵塔新技術不但在重量上可以減輕一半，易于安裝和施工，同時還可以解決閃絡事故率居高不下的問題，復合材料桿電氣絕緣性能優(yōu)良，可避免鐵塔易出現(xiàn)的雷擊事故發(fā)生，還可以設計減少導線與塔身間隙，使輸電線路結構更為緊湊，可減少線路走廊寬度，這在土地資源稀缺的情況下尤其重要。
4.防盜防損
在特殊地區(qū)，還可以有效地防止塔材盜竊等人為破壞。
復合材料電桿比傳統(tǒng)的電桿具有更好的綜合性能，通過合理的設計，復合材料桿可以滿足輸電線路對桿塔結構的各項性能要求。
復合材料電桿市場及國內外開發(fā)情況
世界上最大的電桿市場在美加，其次是北歐及歐洲其他地區(qū)。復合材料電桿的制造與應用主要集中在北美和歐洲。
復合材料電桿的性價比
因為目前建筑行業(yè)對復合材料仍普遍陌生，而鋼制電桿因初裝費用低廉和用戶熟悉，仍然是造成復合材料電桿早期難以推廣應用的主要障礙。在輸電線路的經濟分析中，通常注重建設期間的費用投資，往往忽視了結構全壽命周期費用的分析，這里主要指線路桿塔的維護費用。隨著電網建設的不斷擴大，輸電線路架設長度要求增加，其線路運行出現(xiàn)的事故及維護問題便顯得日益突出。因此設施的運輸、安裝及維護費用問題將會得到逐步重視。
在中國這個山地面積占國土總面積70%以上的國家，復合材料電桿運輸和安裝費用低廉具有特別重要的意義。用卡車裝運復合材料電桿，其裝載量數(shù)十倍于混凝土電桿裝載量。
設計標準及試驗方法
復合材料電桿在美加的應用非常廣泛，但與類似英國等國家的氣候又大不相同，其應用標準也有所不同。
標準的設計通常比較復雜，主要思路是規(guī)定在極限條件下或最嚴重的載荷下，電桿允許產生偏差的水平。評價電桿結構性能的兩個首要指標是承載力和剛度。單桿結構的設計主要根據(jù)抗風吹彎曲承載能力大小，通常進行全尺寸電桿的懸臂梁彎曲試驗，將電桿作為懸臂梁，在電桿不同位置施加載荷。
成型工藝進展
纖維纏繞是復合材料電桿最常用的成型工藝，也有許多其他中空圓筒結構成型方法，但因經濟原因并未得到普及。對高效率商業(yè)化生產來說，自動化程度高低是極為重要的，而纖維纏繞工業(yè)節(jié)省原材料，纖維鋪放靈活機動，很適合于成型這種結構產品。采用的基體主要為聚氨酯，環(huán)氧乙烯基脂樹和改性聚氨酯，增強纖維一般為性能良好、價格低廉的無堿玻璃粗紗。
1.纖維纏繞工藝
將浸過聚氨酯樹脂的玻纖粗紗按照指定線型連續(xù)纏繞在軸上?？刂菩据S轉速和軸與絲嘴的相對運動速度可以調節(jié)到所需的纏繞角度，與軸向形成7度到將近90度范圍的纏繞角。纖維層數(shù)要根據(jù)電桿的等級性能的要求而定。纏繞完畢后加熱固化，固化完畢脫模。可用水壓裝置將管從芯軸上脫掉，然后后切割、打孔，安裝腳踏。
2.拉擠成型
拉擠成型使用拉擠成型機使纖維增強塑料連續(xù)成型的一種成型加工法，連續(xù)增強纖維浸漬活性樹脂后通過熱型模，材型即確定，再根據(jù)需要按照一定長度進行切割。此工藝近幾年發(fā)展最快，主要發(fā)展方向是為港口、輸電、土木等基礎設施工程和高層建筑工程提供厚壁結構板型件。該工藝比較適合于復合材料橫擔和多邊形電桿的制造，機場籬及其他類似結構也采用拉擠工藝。拉擠工藝可加工具有等橫截面、徑向強度和剛度較高的結構件。
3.復合工藝
隨著復合材料相關技術的發(fā)展，纖維纏繞工藝呈現(xiàn)出多工藝復合化的發(fā)展趨勢。
拉擠成型、帶鋪放、帶纏繞及纖維編織等與傳統(tǒng)纏繞工藝相結合，可以提高纏繞工藝的新結構適用性，擴大了纖維工藝的應用范圍，開創(chuàng)了纏繞技術的新局面。纖維纏繞技術有一個明顯的局限，就是沿制品軸向鋪設純縱向，即0度纖維（纖維與筒體母線夾角為0度）較為困難，從而限制了它在某些結構類管狀制品制造中的應用。將纖維纏繞與帶鋪放工藝、拉擠工藝結合起來可極大地解決這一問題。纖維鋪放技術集傳統(tǒng)纏繞技術與帶鋪放技術于一身，可進行任意角度纏繞，也可任意增減纖維，克服了傳統(tǒng)纏繞工藝的不足，改善了產品結構力學性能，可以作為比較先進的復合材料電桿生產工藝。
國外電桿的運行情況
復合材料電桿具有傳統(tǒng)電桿不具備的特殊優(yōu)勢，在國外已經具有相當規(guī)模，在中國市場的主要意義將在于運輸、安裝成本的大幅降低，其開發(fā)應用將成為輸電行業(yè)基礎設施建設的一大趨勢。但是因為鋼制電桿初裝費用低廉，用戶比較熟悉，而對于復合材料還很陌生，所以復合材料電桿早期難以推廣應用。
總結起來，復合材料電桿及桿塔的開發(fā)應用之前存在以下兩大制約問題：制造成本與耐候老化問題。而現(xiàn)在整體制造成本好像還沒有得到很好解決，但是耐候性問題現(xiàn)在聚氨酯好像已經可以比較好的解決此問題。
文章來源：復材人生
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