复合材料输电杆应用与进展

　　摘 要：介绍了复合材料输电杆技术研究及应用现状、复合材料电杆市场及生产厂家。详细阐述了原材料选择、结构设计、成型工艺及国外对复合材料电杆应用标准及性能试验情况，并对复合材料电杆的性价比进行了分析并展望了其未来的发展前景。
　　电杆、电塔结构是输电、通讯、铁路、机场、市政等基础设施中一类重要的特种支撑结构物，其结构性能直接影响线路的安全性、经济性和可靠性。
　　传统输电杆(包括木杆、水泥杆、钢杆及铁塔)在长期运行中各种各样的缺陷正逐步暴露出来。纤维增强树脂基复合材料(以下简称复合材料)具有轻质高强、耐腐蚀、电绝缘、性能可设计等特点，是输电杆及杆塔结构材料较理想的选择，开始受到国内外电力行业的关注。国外复合材料电杆的研究起步较早，批量生产的电杆已在欧美地区得到应用。美国由于其特殊的地理特点，复合材料电杆的研究开发和应用为成熟。
　　1 电杆材料应用现状
　　国内外架空输电线路中使用较为广泛的杆塔主要有木质杆、混凝土或预应力混凝土杆、钢管混凝土杆、钢管杆和铁塔等几类。占有大半电杆市场的美加地区，现有电杆采用的主要是木材，在美国只有俄勒冈州使用混凝土杆。混凝土或预应力混凝土杆主要应用于南美洲、欧洲、非洲、亚洲等森林资源较为贫乏的地区或发展中。铁塔是各国超高压输电线路中常用的杆塔型式。
　　我国基本不再使用木质杆，混凝土杆以前在35～110，kV线路上大量使用，在新建及330，kV以下线路运输和施工条件较好的平原和丘陵地区也得到一定应用。钢管杆和钢管混凝土杆在近年城市电网建设和改造中应用较多，而在220，kV及以上的线路中，多采用格架式铁塔。
　　1.1 电杆存在的问题
　　传统的输电杆塔普遍存在质量大、易腐烂、锈蚀或开裂等缺陷，使用寿命较短并且施工运输和运行维护困难，容易出现各种安全隐患。归纳起来主要有以下几个问题。
　　1.1.1 腐蚀
　　木杆受腐蚀因素影响，平均寿命为30，a。木杆维修费用为每杆5年35美元。并且一旦腐蚀开始就会持续进行直至失去强度。木杆的维护主要用到杂芬油类的防腐剂，这种防腐剂被认为是一种危险的废料，极大影响了环境。在美国，每1根电杆造成污染的环保复原费用达1万美元。
　　金属电杆存在生锈腐蚀问题，腐蚀减少了服役期，增加了全寿命周期内的维修成本。
　　1.1.2 安装成本
　　传统电杆的安装费用问题在于偏远地区缺少运力和运输设备来搬运沉重的钢杆、木杆，水泥杆重量太大造成运输与安装费用比其它材料更高一筹。有时为了安装到位甚至还需要铺设专门的道路来运输，这使得费用进一步提高。
　　1.1.3 事故与其他问题
　　长期运行经验表明：不同电压等级交、直流输
　　电线路皆存在雷击事故和污闪事故，雷击事故和污闪事故在每年的输电线路跳闸事故中几乎各占50%。大量使用复合绝缘子仍不能彻底解决雷电和污闪事故。
　　高寒地区混凝土杆常发生冻融循环破坏，而铁塔常发生低温冷脆破坏。钢材还易被人为偷盗破坏。
　　1.2 其他改进型电杆
　　除一般类型电杆外，还有以下一些改进型。
　　(1) 无覆层耐侵蚀的钢材。保持了钢的优点，且无须防腐蚀层。
　　(2) 电弧炉回收钢。一些钢材的初费用可以通过这种回收来得到补偿。钢材的运输费用仍然极其昂贵，特别是运到边远地区，电杆或镀锌或用密封剂涂覆会增加维修费用。
　　(3) 钢筋混凝土也是替代木材的一种材料。但水泥杆重量太大造成运输与安装费用比其他材料都要高。
　　(4) 玻纤混凝土杆具有和复合材料杆一样的非电导性和无腐蚀性。相比复合材料杆的纤维缠绕工艺还有价格优势，但由于应用很少，目前在使用可靠性方面还存有疑问。
　　2 复合材料电杆的技术优势
　　复合材料电杆及杆段的制造技术在国外已有50多年的历史。复合材料的优势主要在集中在以下几方面：
　　2.1 安装、维护成本低
　　复合材料电杆的质量约为木质杆的1/3，混凝土杆的1/10，钢质杆的1/2，可大幅度降低运输和施工安装成本，尤其是在人难以到达的山林和偏远地区。复合材料电杆的轻质特点使其可用直升机运载，轻质还意味着安装速度加快和节省人力。复合材料电杆是一种免维护或低维护结构，这对保障线路安全和降低输电线路的维护成本很有意义。
　　2.2 环境适应性好
　　复合材料杆对酸、碱、盐及有机溶剂等腐蚀介质的耐腐蚀性能和耐候性能优良，因此特别适合沿海地区、内陆盐渍土地区以及工业区和酸雨多发地区等对混凝土和钢质杆塔有特殊防腐要求的环境。
　　2.3 电绝缘性能好
　　利用玻璃钢杆塔代替传统铁塔新技术不但在重量上可以减轻一半，易于安装和施工，同时还可以解决闪络事故率居高不下的问题。复合材料杆电气绝缘性能优良，可避免铁塔易出现的雷击事故发生，还可以设计减少导线与塔身间隙，使输电线路结构更为紧凑，可减少线路走廊宽度，这在土地资源稀缺的情况下尤其重要。
　　2.4 防盗防损
　　在特殊地区，还可以有效地防止塔材盗窃等人为破坏。
　　复合材料杆比传统的电杆具有更好的综合性能，通过合理的设计，复合材料杆可以满足输电线路对杆塔结构的各项性能要求。
　　3 复合材料电杆市场及国内外开发情况
　　上大的电杆市场在美加，其次是北欧及欧洲其他地区。复合材料电杆的制造与应用主要集中在北美和欧洲。
　　美国Sharkspeare公司是早开发复合材料电杆的公司。该公司1996年在美国申请电杆设计制造方法，1998在英国申请。另外美国的Powertrusion公司和美国北太平洋复合材料公司也在从事复合材料电杆的生产。
　　加拿大RS公司上世纪90年代中期开始开发复合材料电杆。因其独创的RS模段式复合材料组合输电线杆制造工艺，2005年通过其子公司——RS科技公司获得了由美国复合材料制造协会(ASMA)颁发的制造技术创新奖。 RS电杆为组合套接结构式电杆。电杆采用的是纤维增强热固性树脂复合材料，基体为科思创(原拜耳新材料)聚氨酯。RS公司在完成36，m电杆测试后即能够进行上大复合材料电杆的商业化生产，公司还将开发41，m电杆。
　　从1992年起，美国在制定发展计划中就提出了由复合材料采用无螺栓装配构成杆塔的研究计划。它由Ebert Composites 公司与加利福尼亚两家公用事业公司——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[5]，并在加利福尼亚奥克斯纳德的奥蒙德比奇发电站已安装三基这种试验杆塔，而且环境位于高盐污染地区的南加里福利亚海滨。运行资料表明，这些杆塔可稳定使用较长时间。
　　国内复合材料电杆开发应用尚处于空白。只有江苏远东集团公司以及深圳市电管局与RS Technologies(RS分公司)公司合作并签署合同，购买RS组合式复合材料电杆在国内应用。
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