摘　要:高强度复合材料具有优越的性能,用其制作的电力电缆支架是传统钢结构电力电缆支架的可靠替代产品。介绍了钢结构电力电缆支架存在的主要问题,分析了应用于电力电缆支架的复合材料具有的优良特性。介绍了有关标准对高强度复合材料电力电缆支架的主要性能要求,以及对某公司提供的电力电缆支架样品性能检测的良好结果和工程应用情况。

关键词:高强度复合材料;电力电缆支架;钢结构　　

在变电站电缆层、电缆沟、电缆隧道以及其他电缆构筑物中,一般都采用钢结构电力电缆(下称电缆)支架。由于钢结构电缆支架存在一些明显的缺点,因此新型的高强度复合材料电缆支架引起了广泛的关注。

1　钢结构电缆支架存在的主要问题

　　1)易锈蚀。钢结构电缆支架的防锈、耐化学腐蚀性较差,尤其在环境潮湿、长期积水的电缆沟及工井中很易锈蚀,即使经过镀锌处理,也难免被锈蚀。通常钢结构电缆支架每5~7 a需要维修养护一次,且原材料价格较贵,部分需要进口。上海市电力公司检修公司规定:安装在电缆沟或工井中的钢结构电缆支架,使用满20 a应列入更新计划。 2)用于高压单芯电缆、电缆外护套损伤时, 可能会通过钢结构支架形成接地环流或产生间隙放电,导致电缆外护套进一步损坏。 3)用于高压单芯大截面电缆时,在运行中由于交变电磁场的作用,钢结构电缆支架作为电磁性媒质产生明显的涡流损耗和磁滞损耗,导致支架温度升高,从而使电缆外护套表面温度升高, 周围媒质热阻增大,影响电缆的输送容量。

　　经计算,每根钢结构电缆支架由于涡流产生的功率损耗可达2~10 W。在较长电缆线路上,因电缆支架数量很多,产生的能量损耗就相当大。以上海浦东―长兴―崇明220 kV电缆工程为例,整个工程的钢结构电缆支架数量达44 000根。如果以每根支架的能量损耗为2 W计算,这44 000 根钢结构电缆支架总损耗将达到88 kW,每年消耗电能将达到77万kW・h,大约相当于上海市 600户普通家庭1 a的用电量。

2　应用于电缆支架的复合材料

　　复合材料是由两种或两种以上不同组分的材料,通过适当的复合工艺,将其组合成一种具有整体结构特性、使用性能优异的新型材料。它除保留原组分材料的主要特点外,又能通过复合效应获得原组分材料不具备的性能。应用于电缆支架的复合材料一般以树脂为基体、以玻璃纤维为增强材料。这种复合材料技术比较成熟、应用比较广泛,原材料价格也比较便宜。与工程常用的非铁磁性不锈钢和铝合金相比,该复合材料的造价约为不锈钢的1/6,为铝合金的1/3;具有达到甚至超过普通钢的机械强度, 拉伸和弯曲强度可达到400 MPa以上;比强度 (拉伸强度与其密度之比)为1.03×106cm,是钢的3~8倍;比模量(弹性模量与其密度之比)为 (1.0~1.5)×109cm,是钢的4~7倍。

　　复合材料具有优良的力学性能、电性能和化学稳定性,具有较高的机械强度、较好的耐热性能和瞬时耐高温烧蚀性能。特别是树脂基复合材料具有优异的耐腐蚀性能,不像普通钢那样会产生电化学腐蚀。它不导电,在电解质溶液中不会溶解出离子,因而对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐等介质都具有较好的稳定性。复合材料是非铁磁性材料,不会产生涡流损耗,用作高压大截面单芯电缆支架,相对于钢支架有明显的节能降耗效果。

3　高强度复合材料电缆支架的主要技术性能要求

　　复合材料具有材料的形成和制品的成型同时完成的特点,其性能与成型的工艺方法、工艺参数、组成材料的比例及增强材料的分布方式、工艺过程的控制等密切相关。因此,复合材料的性能对工厂生产工艺有着较大的依赖性,复合材料制品应经过严格质量检验后,才可在电缆线路上投入使用。其质量检验项目和标准,应由生产和设计单位共同制定,并符合使用要求。复合材料产品要在经过实际应用考验之后,才能推广使用。

　　根据DL/T5221―2005《城市电力电缆线路设计技术规定》等相关技术标准,复合材料电缆支架主要技术性能应符合以下要求。 1)复合材料电缆支架应满足电缆及附件荷重及施工作业时的附加荷重(按顶端1 kN计算),要求支架顶端通过2.0 kN的力学试验,垂直挠度≤20 mm,安全裕度应不小于1.5。 2)支架样品应能通过下述耐冲击力试验:在顶端加0.5 kN静荷载,并将1 kN重物置于距支架顶端上方0.5 m处,将重物以瞬时释放方式对支架端部施加冲击力,试样应不损坏。 3)支架应平直,无明显扭曲,表面光滑,无尖角和毛剌。在电缆承受横向推力的情况下,电缆外护套上不应产生可见的刮磨损伤。 4)良好的电气绝缘性能。 5)良好的阻燃性能。产品阻燃试验应符合氧指数达到50%以上,燃烧级别为FH-1或FVO 级的要求。 6)良好的耐腐蚀性能。产品应能分别经受 5%盐酸溶液和10%氢氧化钠溶液,在室温下浸泡7个昼夜,表面应无变化,产品拉伸和弯曲强度,模量无明显变化。 7)支架样品应能经受每天8 h、7 d的老化试验,包括高低温交变(-40~100℃)和盐雾试验, 试验后其主要性能应无明显变化。 8)复合材料电缆支架应符合环保要求。 9)生产厂家应有复合材料电缆支架的企业标准,其中所列的产品质量监控项目和技术标准, 应得到设计和使用单位认同,并作为使用单位进行产品验收的依据。 10)在正常使用环境下,应满足不少于30 a 免维护的使用寿命。

4　高强度复合材料电缆支架的性能检测

　　对由某公司提供工程应用的复合材料电缆支架样品(在托臂长500 mm的批量产品中随机抽样),根据有关技术标准,对复合材料电缆支架的主要技术性能要求,做了下述10个项目的性能检测。1)力学性能检测(委托上海复合材料测试中心测试)。测得支架顶端集中载荷为2 kN时大挠度小于20 mm;拉伸强度为288 MPa;拉伸模量为32.6 GPa;弯曲强度为397 MPa;弯曲模量为26.9 GPa。 2)耐冲击试验。在支架顶端加0.5 kN静荷载,在其上方0.5 m处设置1 kN重物,重物以瞬时释放方式,对支架端部实施冲击。对5个试样进行耐击试验,试样均完好无损。 3)大集中荷载测试。取5个试样,在试样顶端加集中荷载,并测挠度。经测试,当集中荷载达2.5 kN时,5个试样挠度均为20 mm;当集中荷载达3.0 kN时,5个试样挠度均为25 mm。持续加载,以试样发出撕裂声时记录得到大荷载, 5个试样集中荷载大值分别为4.7、3.6、3.6、 3・7、4.4 kN,其平均值为4.0 kN。以产品顶端承受2.0 kN为合格品计算,可知产品大荷载平均安全裕度为2。4)耐腐蚀性试验(委托上海复合材料测试中心检测)。试样分别在5%盐酸溶液、10%氢氧化钠溶液、室温下浸泡7个昼夜,试样表面无变化, 检测浸泡后的试样拉伸强度及模量、弯曲强度及模量,均无明显变化。 5)阻燃性能试验(委托上海复合材料测试中心检测)。在氧指数为55%的环境内燃烧69 s后自熄,按GB/T 2408―1996《塑料燃烧试验性能试验方法》,且符合FH-1标准,试样阻燃性能合格。 6)耐老化性能试验(委托上海复合材料测试中心检测)。试样经高低温交变(-40~100°C), 每天8 h,持续试验7 d,再经每日8 h、持续7 d的盐雾试验。经高低温交变试验和盐雾试验后,样品性能基本无明显变化。 7)电性能试验(委托上海复合材料测试中心检测)。经检测,样品电气强度为14.0 kV/mm, 表面电阻率为1.0×106MΩ。 8)电缆外护套刮磨试验(委托电线电缆质量监督检验中心检验)。取型号为YJLW02,电压等级为64/110 kV,截面为1×800 mm2的电缆 1.5 m,经弯曲后校直,固定在刮磨机台板上;在电缆与复合材料支架上施加作用力420 N,刮磨 50次,经刮磨后电缆外护套无明显可见裂缝或开裂;再将电缆被刮磨部位在室温下浸入含0・5%氯化钠和含有约0.1%非离子型表面活性剂的水溶液中,浸泡24 h后,对电缆外护套施加直流20 kV/ 1 mim,和雷电冲击电压±37.5 kV/10次,电缆护套未击穿。