复倉材轉杆宅技术和成用研究

上海玻璃钢研究院有限公司 柳伟钧张锦南王强华

1输电线路杆塔介绍
输电线路杆塔(Supporting structure of transmission line, pole & tower )是支承架空输电线路导线和架空 地线并使它们之间以及与大地之间保持一定距离的 杆形或塔形构筑物。世界各国输电线路杆塔一般采 用钢结构、木结构和钢筋混凝土结构。通常对木和 钢筋混凝土的杆形结构称为杆，塔形的钢结构和钢 筋混凝土烟囱形结构称为塔。不带拉线的杆塔称为 自立式杆塔，带拉线的杆塔称为拉线杆塔。
在城市及城郊的220 kV及以下电压的线路中， 考虑到外形美观与环境协调以及施工和维护简便, 广泛采用断面为等多边形(有8、12及16边等)的 单柱钢管电杆，这类杆型由每节长8~12m的数节杆 段组成，杆段之间一般采用插入式连接，也有一些 采用法兰盘连接，整个结构采用镀锌防腐，图1所 示是一种较为典型的110 kV双回路钢管电杆。单柱 型塔用单个柱体来支持导线及架空地线的杆塔，常 用于单根架空地线及导线呈三角形排列的情况，如 图2所示。它适用于110 kV及以下电压级的电力线 路，常采用打拉线方式维持其稳定，具有较好的经 济指标。
对于220 kV及以上电压等级输电线路，常用塔 型有酒杯型塔、猫头型塔、干字型塔等，有较好的 经济指标，干字型塔在中国通常是220kV及以上电 压等级输电线路的常规型塔。其他形状的塔杆还包 括克里米亚型、上字型、门型、悬链型等，它们具有 不同的特点和功能，适用于不同的实际输电应用。
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、钢管杆和铁塔等几类。占有世界大 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国家。铁 塔是世界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。

2传统杆塔存在的问题
传统的输电线路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） 腐蚀：木杆受腐蚀因素影响，平均寿命为 30年。木杆维修费用为每杆每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。
（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 他材料更高一筹。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。
（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%。大量的使用复合绝缘子仍 不能彻底解决雷击和污闪事故。
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。
3复合材料杆塔的技术优势
复合材料杆塔是以玻璃纤维等为增强材料，以 环氧、聚氨酯等树脂为基体材料，通过缠绕或拉挤 成型工艺，制成复合材料杆塔。其优势主要在集中 在以下几方面：
（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） 环境适应性好
复合材料杆塔对酸、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，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。
（3） 电绝缘性能好
利用复合材料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。
（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。
总之，复合材料杆塔比传统的杆塔具有更好的 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。
4国内外复合材料杆塔的应用情况
4.1国外复合材料杆塔应用研究概况
输电线路复合材料杆塔由于其优良的综合性 能已经在欧美获得应用，其中研究开发和应用最为 成熟的是美国。美国各大输配电公司对复合材料杆 塔表现出浓厚的兴趣，各制造企业也积极研制开 发出各种复合材料杆。美国的Ebert Composites公 司、Powertrusion Composites 公司、Shakespear 公司、 North Pacific公司和CTC公司等制品厂家都开发了 自己的复合材料杆产品，并申请专利，获得了比较 广泛的应用。如图6〜图9所示。

图6 Ebert Composites公司的复合电杆
图7 CTC公司研究设计的 复合电杆示意图
图8 powertrusion公司研制的 复合电杆
图9复合材料电杆的野外施工

加拿大的RS公司是一家先进复合材料的开发 商，它研究开发了独特设计的复合材料杆塔（见图 11、图12）,具有重量轻和安装方便的特点，被南加 州爱迪生公司的“未来电路”项目选中,该项目是美 国最先进的近傍电力线路。采用的聚氨酯树脂体系 具有创新性，比常规不饱和聚酯树脂加工的复合材 料有更大的强度、耐冲击力和较大比强度等优势。
1996年，美国公司和圣地亚哥煤气电力公司 （SDGE ）以及南加利福尼亚爱迪生公司（SCE ）合作， 针对南加利福尼亚海滨奥德比奇的一条22万线路, 开发了三基复合材料格构式输电塔，但是否真正通 电运行有待考证。
荷兰Movares工程咨询公司2005年完成了荷兰 电网一条1.5公里380/150kV试验线路的方案设计, 该方案旨在利用复合材料杆塔的电气绝缘性能以 改善输电线路电磁场对环境的影响。该项目曾一度 受到欧盟重视。Exel Compsites国际集团（分部主要 在澳大利亚、奥地利、比利时、芬兰、德国、英国） 针对电网应用实际情况研制了复合材料杆塔，集团 成立了专门的部门进行市场运作。意大利TopglassComposites公司也生产了复合材料杆结构，并且已 经实现了商品产业化应用于路灯。

图10 Shakespear公司研制的

图11 RS公司生产复合电杆

图12 RS公司生产不同规格复合电杆

图13美国220 KV复合材料格构式输电塔

图14南加州爱迪生公司建造的115 kV复合输电杆

从Shakespear公司的综述报道来看，1954年就有 复合材料电杆制造，同时也进行了安装使用，至今仍 在服务中。在高度盐雾腐蚀并经常经受飓风的夏威 夷岛上，已有使用了 40多年的电杆，仍在继续工作。
美国Ebert Composites公司1996年研制复合材 料输电杆塔，并在加利福尼亚奥蒙德比奇发电站安 装了三基试验杆塔，试验环境位于高盐污染地区的 南加利福尼亚海滨。运行资料表明，这些杆塔直至 2000年都能保持稳定的性能。观察报告表明，投运 最初7个月以后运行正常，没有发现明显放电痕迹, 也没发现机械损伤和电气损伤。Shakespear玻纤产 品公司1993-1995年相继研制成功复合材料配电 杆及输电杆，符合公用电工业的所有机械和电气标 准，首批架设的5000根用于美国山区的主配电协 同，该地区冬季雪量可能超过3 m厚，积雪期达6 周，风速可达33m/s。
图6、7中展示的FRP杆最长可达27.84 m,底 部直径为619 cm,重量为611.5 kg。适用于110 kV 及以下电压等级的输电线路。另外，由于复合材料 质的轻质特性，对于复杂的地形条件，其还可采用 直升机运输的方式送抵指定塔位。
从成本方面来看，国外针对电杆全寿命过程成 本（LCC）进行分析，显示了复合材料杆塔虽然初期 投入成本较高，但使用寿命超过其他类型的杆塔, 并且不需要维护成本，所以复合材料杆塔的全寿命 成本占有优势。
表1不同材料电杆的全寿命过程成本（LCC）比较
材料类别 使用寿命/ 年 建设成本/ 美元 维护成本/ 美元 年平均成本/ 美元
木质杆 30 250 210 15
钢管杆 35 260 245 14
混凝土杆 35 350 245 17
复合材料杆 80 900 0 11

随着应用范围的加大，目前，美国已制定了相 关的产品标准。欧美等国的成功经验证实了复合材 料在输电杆塔领域应用的可行性，同时也为其在我 国的应用奠定了基础。
4.2国内复合材料杆塔研发和应用概况
我国的复合材料杆塔研究属于刚刚起步。在 20世纪50年代曾对玻璃钢复合材料杆进行过研 究，但由于当时的材料性能和制造工艺的限制，还 不能满足输电杆塔所要求的一些性能指标，因此, 未能得到推广使用。近些年，由于传统混凝土电杆 耐久性差的缺陷逐步显露出来，电力行业对复合材 料杆塔也表现出了一定的兴趣。输电杆塔制造厂家 开始了在我国输电工程中应用复合材料杆塔的探 索性研究。
温岭市电力绝缘器材有限公司自1995年开始 研究复合材料，研制成功了22。kV及以下抢修塔 （门形、带拉线）、110 kV复合材料横担和杆头，其 中抢修塔已经进行了多项电气和物理性能试验，并 在工程中得到应用。
2006年鞍山铁塔开发研制中心与鞍山铁塔厂 合作，在辽宁省电力公司立项研制高强度复合材料 杆塔。采用了两段插接八边形20 m长杆，端部加载 3 t情况下，杆顶挠度为2 m。
2007年，国网武汉高压研究院研制成功了 10 kV线路防雷击及污闪的绝缘塔头和横担。
南方电网的广东电网公司于2007年针对复合材 料杆塔的应用研究进行了立项，项目选用了加拿大 RS公司的复合材料杆塔，其力学真型试验在中国电 力科学研究院进行。同时，项目开展了包括电气性 能、机械性能、老化性能等关键性问题在内的研究。
江苏南通神马电力科技有限公司研制的复合绝 缘横担，已于2009年12月在连云港220 kV茅蔷线 投入试运行，其各项性能指标有待进一步的观察。
北京玻璃钢研究设计院也在玻璃钢杆塔进行了 研发，并开发出杆塔样品在几条线上进行试用。
2009年6月，国家电网公司基建部组织了 “复 合材料杆塔项目启动会”，中国电力科学研究院、国 网电力科学研究院与各省电力公司与设计院、材料 厂家密切配合，选取了典型环境的试点工程，全面 开展了复合材料杆塔的基本材料性能、老化性能 （酸、碱、盐、紫外老化特性等）、电性能、淋雨、防 覆冰材料、真型结构试验与构件连接技术试验、防 雷接地试验等，并在部分试点工程线路上进行复合 材料杆塔/复合材料绝缘横担构件运行试验，图15~ 图18。

图15复合材料绝缘横担应用

通过国网试点工程的应用试验，清楚地认识 到，输电线路跨越距离长，长期处于各种复杂的自 然环境和气象条件下，输电杆塔必须满足强度、刚 度、抗疲劳、耐久性等性能要求。同时，输电杆塔作 为输电导线的支撑结构，必须满足必要的电气性能 要求。因此，将其应用于输电杆塔中还存在以下瓶 颈及制约，需要给予极大的关注：(1)材料刚度/杆 体挠度问题。(2)节点连接问题/防雷接地与疲劳、 可靠性。(3)热稳定性问题/自然老化问题。(4)回 收/环境问题。(5 )成本问题。国家电网公司拟进一 步开展复合材料在输电杆塔上的应用研究，解决应 用瓶颈问题。
目前，风范股份研发的绝缘复合材料钢塔已在 国家电网示范工程，江苏连云港供电公司220 kV茅 蔷线改造工程中投运。如果复合材料杆塔老化试验 方法及装置项目在一年后通过专家验收，则从实验 室走出的复合材料杆塔可以广泛应用于输电网络, 公司复合材料杆塔有望实现量产。
5结束语
玻璃钢/复合材料本身具有的技术性能优势, 使复合材料杆塔比传统的杆塔具有更好的综合性 能，通过合理的设计，复合材料杆塔可以满足输电 线路对杆塔结构的各项性能要求。随着我国经济的 高速发展，电力需求愈来愈大，电力供应日趋紧张。 为解决我国的电力能源配置问题，我国正在实施一 系列特高压输电、电网改造等重大工程，这些工程 迫切需要研究开发低成本高性能的输电杆塔结构。 因此，复合材料杆塔在输电工程中将有着广阔的应 用前景。
复合材料杆塔的开发成功需要在材料技术、结 构设计技术、成型工艺和设备、试验技术等上取得 突破。在此基础上，需要在国家电网公司的试点工 程应用的引领下，通过电力设计单位及复合材料制 造单位的共同努力，实施复合材料杆塔的产业化和 大规模的应用，其中风险与利益是共存的。