FRP輸電桿塔的研究與應(yīng)用

王傳濤

（沈陽工學(xué)院能源與水利學(xué)院，遼寧 沈陽 113122）

輸電桿塔是電力傳輸過程中最為關(guān)鍵的組成部分[1]，桿塔的塔形選擇、地理位置、使用材料等都會(huì)對(duì)其輸電效率產(chǎn)生影響。在特殊地段必須要重復(fù)測(cè)量比較，使桿塔定位盡量避開地形及交通不利的地區(qū)，為桿塔組裝和緊線創(chuàng)造有利的施工條件。采用適宜塔形的輸電桿塔可以減少工程造價(jià)，減少施工停電時(shí)間，而采用恰當(dāng)?shù)膹?fù)合材料不僅能夠提高輸電桿塔的使用壽命，還能實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用的目的。

1 輸電桿塔的一般設(shè)計(jì)

輸電桿塔的一般設(shè)計(jì)需要考慮輸電線路的路徑選擇、桿塔選型和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

整個(gè)輸電線路的設(shè)計(jì)中輸電路徑抉擇至關(guān)重要，它影響著整個(gè)工程的成本、技術(shù)選取、施工和運(yùn)行的難易程度。在初設(shè)選線階段，設(shè)計(jì)者需要做到兼顧桿塔的經(jīng)濟(jì)性和轉(zhuǎn)角塔設(shè)立的可能性，在特殊地段要反復(fù)測(cè)量和綜合分析比較，通過多方案對(duì)比，盡可能選擇長(zhǎng)度短、交叉跨越少、轉(zhuǎn)角少、地形條件較好的方案[2]。

桿塔選型是要結(jié)合工程中的線路情況來選擇合適的塔形。對(duì)耐張、跨越及轉(zhuǎn)角位置優(yōu)選角鋼塔；對(duì)同塔多回且沿規(guī)劃道路建設(shè)的線路，則一般采用鋼管塔[2]。在選型當(dāng)中，還要考慮到以后的可持續(xù)發(fā)展問題，為后來的輸電桿塔的對(duì)地距離留有足夠的空間。

2 新型復(fù)合材料在國內(nèi)、外輸電桿塔中的應(yīng)用現(xiàn)狀

正因?yàn)榻┠觌娏﹄娋W(wǎng)的迅速發(fā)展，輸電線路工程呈現(xiàn)長(zhǎng)距離、規(guī)模化、大型化的發(fā)展趨勢(shì)，無形中造成了對(duì)鋼材的過度消耗，進(jìn)而對(duì)礦產(chǎn)資源和生態(tài)環(huán)境造成了很大的危害。而新型復(fù)合材料的出現(xiàn)為輸電桿塔帶來了福音。

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料組成，各種材料在性能上互補(bǔ)、協(xié)同，綜合性能優(yōu)于原單一材料，可以滿足不同使用要求。復(fù)合材料具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕、易加工、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)和絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)。采用新型復(fù)合材料作為輸電桿塔的主要材料，不僅可以減少對(duì)礦產(chǎn)資源的破壞，極大限度地保護(hù)環(huán)境，其絕緣特性還能解決輸電線路的風(fēng)偏和污閃事故，有效提高輸電線路的安全運(yùn)行水平和輸電效率。除此之外，采用新型復(fù)合材料還能減小塔頭尺寸，減小走廊寬度，并且減小桿塔的重量，并可循環(huán)利用。

復(fù)合材料輸電桿塔率先在美國得到了應(yīng)用，許多公司都創(chuàng)建了自己的新產(chǎn)品。國內(nèi)，由于電力的廣泛應(yīng)用，加之國家電網(wǎng)倡導(dǎo)建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型的“兩型三新”線路，近年來我國也開始了對(duì)新型復(fù)合材料的研究與應(yīng)用。

3 新型復(fù)合材料在輸電線塔建設(shè)中的力學(xué)性能研究

新型復(fù)合材料中所含有的碳纖維的特點(diǎn)就是具有高強(qiáng)度、高彈模，這樣在抗沖擊和抗磨、自潤滑方面都起到了良好的自我修復(fù)能力，從而增加輸電桿塔的使用壽命，并同時(shí)達(dá)到環(huán)保的效果。為了驗(yàn)證新型復(fù)合材料較其他材料的優(yōu)越性，一些力學(xué)性能測(cè)試可以得到對(duì)比效果。

復(fù)合材料鋪層層數(shù)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)和拉伸曲線有很大影響，根據(jù)對(duì)試樣鋪層方向是縱向0°時(shí)，得到的在不同鋪層下力學(xué)參數(shù)測(cè)試的結(jié)果如表1所示。

表1 不同鋪層下力學(xué)參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

從表1中可見，隨著鋪層層數(shù)的增加，拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大，達(dá)到最值后又開始下降，拉伸模量也呈現(xiàn)出隨著鋪層層數(shù)的增加，先增大后減小的趨勢(shì)，而泊松比亦是如此。這就說明新型復(fù)合材料在應(yīng)用中不是鋪層層數(shù)越大越好，通過最佳值的選取，才能優(yōu)化輸電桿塔的使用壽命。

另外，隨著鋪層層數(shù)的增加，拉伸強(qiáng)度和彈性模量的變化趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 不同層數(shù)拉伸強(qiáng)度和彈性模量的變化趨勢(shì)

根據(jù)力學(xué)測(cè)試來看，當(dāng)鋪層層數(shù)在6層和20層時(shí)，拉伸強(qiáng)度的數(shù)據(jù)較低。造成這種現(xiàn)象的主要原因是碳纖維復(fù)合材料在靜載下受到的應(yīng)力不均衡，另外，對(duì)尺寸效應(yīng)的敏感性也加劇了這種效果。

除力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)之外，真型實(shí)驗(yàn)也是對(duì)輸電桿塔產(chǎn)品的一種驗(yàn)證，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：復(fù)合材料桿塔塔頂撓度滿足正常運(yùn)行工況15‰的變形要求，而且90°大風(fēng)工況時(shí)拉、壓最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；超載-卸荷后桿體仍能恢復(fù)初始狀態(tài)，無殘余變形。

4 新型復(fù)合材料在輸電桿塔建設(shè)中應(yīng)用的研究

新型復(fù)合材料以其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，在輸電桿塔建設(shè)中占據(jù)了重要地位。但是只有好的材料并不夠，還需要從桿塔的設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面加強(qiáng)力度。

首先，要對(duì)輸電桿塔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。其設(shè)計(jì)和優(yōu)化的目的在于協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，需要從材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度的選取、輸電桿塔外形選擇和優(yōu)化，以及加工工藝的選擇三個(gè)方面著手。

材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度的選取需要考慮各個(gè)生產(chǎn)商產(chǎn)品的離散性、老化速度，通過產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)擇優(yōu)選用。輸電桿塔外形選擇和優(yōu)化需要同時(shí)考慮桿塔的結(jié)構(gòu)變形難易度和經(jīng)濟(jì)性；加工工藝的選擇則需要考慮經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

其次，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)該進(jìn)行優(yōu)化。輸電桿塔節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)理念應(yīng)盡量使節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單，便于現(xiàn)場(chǎng)拼裝且連接可靠度高，并采用套筒結(jié)構(gòu)控制桿體變形，避免疲勞失效 。

5 結(jié)語

綜上所述，對(duì)于新型復(fù)合材料在輸電桿塔中的應(yīng)用前景廣闊。輸電桿塔的經(jīng)濟(jì)影響、環(huán)境影響以及社會(huì)影響都是反映我國綜合實(shí)力的體現(xiàn)。所以，對(duì)新型復(fù)合材料在輸電桿塔中的應(yīng)用的研究具有重大歷史意義。