復(fù)合材料桿塔研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

邱雪梅 黃譯丹 李 雍,2 李 舜 周 悅

（1. 西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，成都 610039；2. 國網(wǎng)河南省電力公司鄭州供電公司，鄭州 450005）

復(fù)合材料桿塔研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

邱雪梅1黃譯丹1李 雍1,2李 舜1周 悅1

（1. 西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，成都 610039；2. 國網(wǎng)河南省電力公司鄭州供電公司，鄭州 450005）

桿塔在輸電線路中占有非常重要的位置。復(fù)合材料作為一種質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、易安裝、絕緣性好的優(yōu)質(zhì)材料已被廣泛運(yùn)用于輸電線路中。目前所使用的復(fù)合材料輸電塔有幾種形式，即半絕緣結(jié)構(gòu)式復(fù)合桿塔、非格構(gòu)式全復(fù)合桿塔、復(fù)合橫擔(dān)輸電桿塔。未來可以根據(jù)工程實(shí)際要求研制更多類型的復(fù)合塔。

復(fù)合材料；復(fù)合橫擔(dān)；全復(fù)合桿塔；輸電線路

現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)對(duì)供電可靠性、安全性、高效性的要求逐漸增高，電力負(fù)荷需求日漸增大，使得電力輸電網(wǎng)絡(luò)、電力行業(yè)面臨越發(fā)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。而我們還面臨著一系列的環(huán)境問題，如土地資源使用率高，有色金屬使用量增大，能源分布不均勻，綠色能源使用率低。電能質(zhì)量好，供電可靠、經(jīng)濟(jì)安全、高效節(jié)能和環(huán)境友好性需求也已提高，所以電力建設(shè)同樣面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)及各種問題。

桿塔在輸電線路中占據(jù)十分重要的位置，在整個(gè)線路工程中，其施工、運(yùn)輸、安裝、維護(hù)都需消耗很大的人力和物力[1]。目前輸電技術(shù)的不斷進(jìn)步，電壓等級(jí)不斷升高，輸電線路對(duì)桿塔材料性能的要求也越來越高[2]。

1 傳統(tǒng)輸電塔存在的問題

傳統(tǒng)輸電線路桿塔存在質(zhì)量大、易銹蝕、易開裂、壽命短等缺點(diǎn)[3]。再加上長期裸露在外長期受到風(fēng)雨、大氣污穢、雷擊、鳥害等的影響，容易出現(xiàn)各種安全隱患，歸納起來如下。

1）腐蝕。木桿極易被腐蝕，使用壽命大概為30年左右就開始腐爛，且一旦受腐蝕就會(huì)持續(xù)受腐蝕，直至失去強(qiáng)度。金屬電桿一旦生銹腐蝕就減少了使用壽命，增加了維修成本[4]。

2）安裝成本。輸電線路大多經(jīng)過偏遠(yuǎn)山區(qū)，這將使電力桿塔在安裝前需經(jīng)過復(fù)雜的運(yùn)輸過程來搬運(yùn)沉重的鋼質(zhì)、木質(zhì)水泥質(zhì)桿塔，使得安裝費(fèi)用增高。

3）事故與其他問題。不同電壓等級(jí)的輸電線路，不管是交流還是直流，只要長期裸露在室外，就有可能遭受風(fēng)霜、雪雨、污穢、雷擊等影響而發(fā)生雷擊、污閃[5]。

目前隨著輸電線路增多電壓等級(jí)增高，輸電網(wǎng)絡(luò)變密，輸電線路走廊資源利用率變得越來越高，急需縮減走廊寬度、提高線路輸送力[6-7]。研制電力輸電塔桿，需考慮其是否能抵御覆冰、地震、大風(fēng)、暴雪等自然災(zāi)害，因此研發(fā)復(fù)合材料輸電桿塔勢在必行。

2 復(fù)合塔優(yōu)勢

復(fù)合塔與之前所使用的桿塔對(duì)比其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在如下幾點(diǎn)[4]。

1）運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行、維護(hù)成本低

復(fù)合材料電桿的質(zhì)量輕[8]，約為木材桿的1/3、砼桿的1/10、鋼鐵材質(zhì)桿的1/2，方便運(yùn)輸和安裝，免維護(hù)或維護(hù)成本低，節(jié)省勞動(dòng)力資源。

2）環(huán)境適應(yīng)性好

由于復(fù)合材料能適應(yīng)各種有機(jī)溶劑和腐蝕劑，所以復(fù)合材料桿塔特別適合用在沿海、強(qiáng)紫外線、潮濕、強(qiáng)紫外線地區(qū)以及工業(yè)發(fā)達(dá)及酸雨多發(fā)地。

3）絕緣性能好

良好的絕緣性，除了能避免風(fēng)偏及污閃事故之外，還能減小塔身與導(dǎo)線間的距離并且縮短線路走廊寬度，保障線路在安全運(yùn)行下水平，減少雷擊事故發(fā)生，降低桿塔底座的電磁場對(duì)周圍環(huán)境的影響。

4）防盜防損

使用鋼鐵材質(zhì)的桿塔易被盜和破壞，在這樣的情況下可以使用復(fù)合材料替代鋼質(zhì)桿塔，有效防止塔材被盜，以保證線路安全運(yùn)行，減少經(jīng)濟(jì)損失。

綜上所述，復(fù)合材料具有的特性非常適合用在輸電行業(yè)中。復(fù)合材料桿塔有更優(yōu)的特性，可以將這樣的優(yōu)點(diǎn)與合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，使復(fù)合材料桿塔取代其他材質(zhì)的輸電線桿塔運(yùn)用在輸電線路中。我國經(jīng)濟(jì)目前正在快速發(fā)展，用電需求的地域越來越廣，用電量也日趨增大，電力供應(yīng)非常緊張，再加上能源分配不均勻，所以急需要有利措施解決我國幅員遼闊能源配置不均的問題。目前，我國已經(jīng)開展了特高壓交直流輸電工程、智能電網(wǎng)和城鄉(xiāng)電網(wǎng)大改造等工程，這些工程急需復(fù)合材料這樣的材質(zhì)作為輸電桿塔，以降低成本、提高性能。因此，將綜合性能最優(yōu)的復(fù)合材料運(yùn)用在桿塔在實(shí)際輸電線路建設(shè)中一定會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景[9]。

3 國內(nèi)外工程研究現(xiàn)狀

復(fù)合材料桿塔已經(jīng)在某些電壓等級(jí)的輸電線路中進(jìn)行試點(diǎn)掛網(wǎng)運(yùn)行了，主要的電壓等級(jí)有110kV、220kV、330kV、500kV、750kV等[10]。電壓等級(jí)稍微高一些，荷載較大的線路，并不是全塔都使用復(fù)合材料，因?yàn)樾枰紤]接地方式，增加設(shè)計(jì)難度。對(duì)于電壓等級(jí)較高的輸電線路，一般采用復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔作為輸電塔[11]。

3.1 國外工程現(xiàn)狀

復(fù)合材料運(yùn)用在輸電桿塔上的研究、開發(fā)及應(yīng)用屬美國最為早，技術(shù)也最成熟[12]。美國于1954年就已經(jīng)將復(fù)合材料制成輸電桿塔安裝在高濃度鹽霧的夏威夷島上[13]，到目前為止依舊運(yùn)行。又有一公司于1993—1995年制成了復(fù)合材料配電桿塔及輸電桿塔，并且制定了相關(guān)的機(jī)械和電氣標(biāo)準(zhǔn)[8]。1996年3月，在高鹽度及高污染地區(qū)一條220kV的輸電線路上安裝了三基格構(gòu)式復(fù)合材料試驗(yàn)塔，未發(fā)現(xiàn)機(jī)械或電氣損傷[13]。

日本也早就開展了復(fù)合橫擔(dān)的研究。20世紀(jì)將復(fù)合材料運(yùn)用在輸電桿塔上解決了風(fēng)偏引起的閃絡(luò)事故。加拿大RS公司采用聚氨酯樹脂體系研究出了模段式復(fù)合材料組合輸電桿，與常規(guī)的不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料相比強(qiáng)度更大、耐沖擊力強(qiáng)度更大[14]。荷蘭提出利用復(fù)合桿的絕緣性能來優(yōu)化電磁場對(duì)環(huán)境的影響[15]。目前各國已經(jīng)定制了符合本國的復(fù)合材料相關(guān)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 國內(nèi)工程現(xiàn)狀

我國早已對(duì)復(fù)合材料輸電桿進(jìn)行研究，當(dāng)時(shí)條件有限，材料性能不夠成熟，工藝水平達(dá)不到要求，并未得到普及運(yùn)用。最近幾年，隨著纖維材料制作工藝的流程改善，于2009年全面實(shí)施“兩型三新”線路建設(shè)，使復(fù)合材料廣泛運(yùn)用在輸電桿塔上[13]。

目前由復(fù)合材料制成的220kV電壓等級(jí)及以下等級(jí)的搶修塔，已經(jīng)在工程中得到大量應(yīng)用。同時(shí)，利用復(fù)合材料制成的輸電桿塔進(jìn)行220kV的茅薔線輸電線路改造。該工程是將復(fù)合塔第一次應(yīng)用于我國高電壓等級(jí)的輸電線路中。

2010年3月，我國第一基格構(gòu)式復(fù)合材料桿塔在加載200%電壓的情況下成功進(jìn)行了真型試驗(yàn)。4月該復(fù)合塔成功在銀川東換流站—紅柳溝接地級(jí)項(xiàng)目中投入使用。國家電網(wǎng)公司復(fù)合材料科技項(xiàng)目試點(diǎn)工程是國內(nèi)首條采用格構(gòu)式的110kV輸電工程。

2012年，上海500kV練塘變電站220kV出線工程是目前為止國內(nèi)復(fù)合絕緣橫擔(dān)首次在220kV架空輸電線路中的應(yīng)用實(shí)例[16]。該項(xiàng)目使用了復(fù)合材料橫擔(dān)，極大縮小了靜態(tài)線路走廊寬度，同時(shí)使線路綜合走廊寬度縮小4m多。

2013年1月15日，長鳳線220kV輸電線路帶電投運(yùn)，這條輸電線路使用了多種結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料塔。這是第一次試點(diǎn)應(yīng)用，首次將取消懸垂與耐張絕緣子的全復(fù)合材料桿塔及全復(fù)合節(jié)點(diǎn)連接的復(fù)合材料桿塔應(yīng)用于220kV線路，在復(fù)合材料桿塔輸電防雷設(shè)計(jì)方面，220kV復(fù)合材料桿塔采用引下線順線方向懸空接地型式，并得到引下線與桿身不同距離的防雷特性。同年，在四川眉山重污穢地區(qū)實(shí)行110kV復(fù)合材料桿塔試點(diǎn)應(yīng)用，也是首次在110kV輸電線路中間間隔穿插架設(shè)多基復(fù)合材料桿塔。

3.3 我國研究現(xiàn)狀

可將國內(nèi)研究現(xiàn)狀分為3類，即半絕緣結(jié)構(gòu)式復(fù)合桿塔（塔頭為復(fù)合材料、下橫擔(dān)以下的部位是鋼鐵材料）、非格構(gòu)式全復(fù)合桿塔、復(fù)合橫擔(dān)輸電桿塔。

對(duì)于第一類桿塔，如天思線110kV輸電線中使用復(fù)合塔就是這類塔。該類塔的塔頭為復(fù)合材料，塔身為金屬角鋼結(jié)構(gòu)組成的“半絕緣結(jié)構(gòu)格構(gòu)式復(fù)合材料桿塔”，并且要單獨(dú)架設(shè)避雷線和接地引下線，以確保其耐雷性能。與常規(guī)塔相比，雷電沖擊絕緣強(qiáng)度和耐雷水平有所提高，雷擊閃絡(luò)跳閘率有所降低。但需考慮垂直引下線離塔身距離和下相橫擔(dān)與金屬塔身距離的最佳值，比較復(fù)雜。

對(duì)于第二類桿塔，比如對(duì)四川眉山天思線路中所選中的110kV單桿雙回復(fù)合塔的塔頭進(jìn)行了整塔絕緣間隙工頻、操作、雷電沖擊放電特性研究[17]。確定了110～220kV全復(fù)合材料桿塔接地引下線按順線方向懸空引下為最佳防雷接地結(jié)構(gòu)形式。采用ATP-EMTP搭建仿真模型，用壓控開關(guān)模型模擬空氣間隙對(duì)復(fù)合材料桿塔進(jìn)行對(duì)該桿塔進(jìn)行防雷性能研究。該全復(fù)合桿塔存在和第一類桿塔一樣的情況，需單獨(dú)架設(shè)避雷線和接地引下線。

對(duì)于第三類桿塔，在新疆與西北主網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)工程中所使用的電壓等級(jí)為750kV的復(fù)合橫擔(dān)直線塔就是這類桿塔[18-19]。該線路中這七基塔采用干字型復(fù)合橫擔(dān)直線塔，并對(duì)該類型桿塔與常規(guī)塔進(jìn)行電位分布進(jìn)行對(duì)比，并且研究了加均壓、屏蔽環(huán)對(duì)橫擔(dān)電位分布的影響，對(duì)于如此高的電壓等級(jí)沒有對(duì)該桿塔做雷電性方面的研究，其他使用復(fù)合橫擔(dān)的線路中有的是非格構(gòu)式桿塔，且使用的是含有中間法蘭的復(fù)合橫擔(dān)，該橫擔(dān)在中間法蘭的位置具有較高場強(qiáng)，易產(chǎn)生電暈、電腐蝕。

4 發(fā)展趨勢

針對(duì)我國特殊的地形地貌、天氣環(huán)境、能源分布，可以考慮用如下方法來緩解走廊線路緊張、能源分配不均等問題。

1）考慮緩解輸電線路走廊緊張問題，可以適當(dāng)縮減橫擔(dān)長度?？s短復(fù)合材料絕緣子的長度，甚至取消懸垂絕緣串，以縮減成本。

2）在滿足輸電線路結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、尺寸要求的情況下，需要研究其場強(qiáng)和電位分布。需運(yùn)用有限元分析軟件分析其電磁環(huán)境。

3）未來可以將此類型桿塔運(yùn)用在同塔多回輸電線路中以及更高電壓等級(jí)的同塔多回輸電線路中。

4）復(fù)合材料橫擔(dān)輸電桿塔與全復(fù)合材料輸電桿塔相比，可以不用考慮接地引下線的問題，方便設(shè)計(jì)。

5）復(fù)合材料輸電塔可以被用來改造老舊桿塔。老舊輸電線路運(yùn)行多年后周圍或許是被植被覆蓋，也可能存在與其他線路分享狹窄的走廊。對(duì)于這樣的情況，使用復(fù)合材料塔替換老舊桿塔，可以緩解走廊緊張，并且運(yùn)輸方便，易維護(hù)和安裝，可以縮減成本。

6）研究復(fù)合材料桿塔需要運(yùn)用電磁暫態(tài)仿真軟件考慮其空氣間隙閃絡(luò)問題，以保證其耐雷性能[20-22]。

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Composite Tower Research Status and Development Trend

Qiu Xuemei1Huang Yidan1Li Yong1,2Li Shun1Zhou Yue1
(1. Electrical and Electronic Information Institute of Xihua University, Chengdu 610039; 2. State Grid He’nan Electric Power Company Zhengzhou Power Supply Company, Zhengzhou 450005)

Tower occupies very important position in the transmission lines. Composite material as a kind of light weight, high strength, corrosion resistance, easy installation, good insulating property, high quality materials have been widely used in power transmission lines. At present, there are several forms of composite material transmission tower, such as half structured composite insulation tower, lattice type composite tower, composite cross-arm tower. In the future we will develop more types of composite tower based on the actual engineering requirement.

composite materials; composite cross-arm; all composite tower; transmission line

邱雪梅（1988-），女，四川內(nèi)江人，西華大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)楦唠妷狠旊娂夹g(shù)。