一種輕質(zhì)化全絕緣220 kV 復(fù)合材料搶修塔

年俊杰，韓玉堂，何海燕

（湯姆森電氣有限公司，寧夏 銀川 750200）

引言

針對(duì)摘要中提到的問(wèn)題，本研究將著重論述一種輕質(zhì)化全絕緣220 kV 復(fù)合材料搶修塔，該塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，整體為門型結(jié)構(gòu)，通體采用輕質(zhì)復(fù)合材料制作，主要由絕緣主桿、復(fù)合絕緣橫擔(dān)、斜拉絕緣子、碳纖維橫撐、絕緣拉桿、碳纖維地線掛梁等部件構(gòu)成[2]，搶修塔每個(gè)部件都呈模塊化通用狀態(tài)，同類型的部件能夠任意互換通用，也可通過(guò)增減絕緣主桿實(shí)現(xiàn)塔高的任意調(diào)節(jié)，廣泛適用于各種地形、多種電壓等級(jí)的輸電線路應(yīng)急搶修。相比目前電力公司在用的鋼管塔、水泥塔、鋁合金塔等各種搶修塔，本項(xiàng)目研制的復(fù)合材料搶修塔塔架受力更優(yōu)，重量更輕、組裝立塔也更便捷，在電力桿塔事故搶修過(guò)程中能夠發(fā)揮巨大作用，徹底擺脫傳統(tǒng)傻大笨粗的搶修設(shè)備，大幅提升搶修效率，縮短停電時(shí)間，對(duì)于保障中國(guó)電網(wǎng)高質(zhì)量運(yùn)行具有重要意義。

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 塔型結(jié)構(gòu)研究

通過(guò)查閱相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并廣泛調(diào)研西北各地供電公司的搶修需求，最終設(shè)計(jì)了一種門型雙桿塔架結(jié)構(gòu)[1]，見(jiàn)圖1。結(jié)構(gòu)通用性強(qiáng)，能夠滿足220 kV 線路18種極端工況條件下的受力要求[2]，主要結(jié)構(gòu)部件包含：絕緣主桿、復(fù)合絕緣橫擔(dān)、斜拉絕緣子、碳纖維橫撐、絕緣拉桿、碳纖維地線掛梁，等等。

圖1 輕質(zhì)化全絕緣220 kV 復(fù)合材料搶修塔門型結(jié)構(gòu)

絕緣主桿：采用高強(qiáng)度的玄武巖纖維浸潤(rùn)聚氨酯材料經(jīng)纏繞工藝制成，模塊化分段式結(jié)構(gòu)，每段長(zhǎng)度為5 m，重量小于80 kg，段間采用插接的方式有效連接，在絕緣主桿插接處設(shè)置有4 個(gè)限位緊固裝置（盲孔螺絲），可以將絕緣主桿快速穩(wěn)定連接。

復(fù)合絕緣橫擔(dān)：搶修塔塔頭配置有專用的空芯復(fù)合絕緣橫擔(dān)，該部件為復(fù)合搶修塔的主絕緣及承力部件，橫擔(dān)為管狀空芯結(jié)構(gòu)，空芯管采用玄武巖纖維纏繞工藝成型，纖維呈橫縱雙向排列，管內(nèi)填充有高密度的絕緣閉孔型發(fā)泡材料，管外注射包覆有硅橡膠絕緣傘套，在保證能夠支撐導(dǎo)線的機(jī)械性能及電氣強(qiáng)度的同時(shí)，其重量?jī)H有傳統(tǒng)橫擔(dān)的1/2，搶修施工輕便快捷。

碳纖維橫撐：該部件是復(fù)合搶修塔的主體支撐部件，通體采用質(zhì)輕高強(qiáng)的碳纖維材料制作，相比傳統(tǒng)的鐵橫撐，重量?jī)H為1/5，強(qiáng)度是鐵橫撐的2 倍以上，基本可以保證搶修塔在各種極端的工況條件下都能夠屹立不倒。

絕緣拉桿：該部件為搶修塔兩塔身之間的橫向傳力部件，可以有效傳導(dǎo)搶修塔兩根絕緣主桿間的橫向受力，實(shí)現(xiàn)共同受力；其通體采用玄武巖纖維材料制作，抗拉強(qiáng)度為鋼材的10 倍以上，重量?jī)H為鋼材的1/4。

碳纖維地線掛梁：該部件為地線的承載支架，通體采用碳纖維材料制作，不但重量輕、強(qiáng)度高，而且其為導(dǎo)電材料，能夠很好的滿足接地卸雷的要求。

1.2 成型工藝及復(fù)合材料配方研究

1.2.1 成型工藝研究

復(fù)合材料管材的成型工藝主要有拉擠成型、纏繞成型、卷管成型、模壓成型等等。項(xiàng)目組分別對(duì)這些工藝所生產(chǎn)的復(fù)合材料制品特性進(jìn)行調(diào)研分析，總結(jié)其優(yōu)缺點(diǎn)如下：

（1） 拉擠成型[3]：該成型工藝原理是將各種纖維粗紗或纖維織物在外力牽引(外力拉拔和擠壓模塑)下，經(jīng)過(guò)浸膠、擠壓成型、加熱固化、定長(zhǎng)切割，連續(xù)生產(chǎn)長(zhǎng)度不限的復(fù)合材料線型制品的一種方法。這種工藝最適于生產(chǎn)各種斷面形狀的型材，如棒、管、實(shí)體型(工字形、槽形、方形型材)和空腹型材(門窗型材、葉片)等，其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，成本低，精度高，制品理論上可以做無(wú)限長(zhǎng)，而且縱向抗拉、抗壓強(qiáng)度高；其缺點(diǎn)是橫向強(qiáng)度低，抗彎特性較差。

（2） 纏繞成型：該工藝原理是將浸過(guò)樹(shù)脂膠液的連續(xù)纖維或布帶，按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后在固化爐內(nèi)加熱固化，脫模成為復(fù)合材料制品的工藝過(guò)程。這種工藝可適用于等徑及錐形管件的成型，其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，成本適中，制品的各項(xiàng)綜合性能較高，不存在明顯的短板；其缺點(diǎn)是制品的表面質(zhì)量較低。

（3） 卷管成型：該工藝原理是采用卷管機(jī)上的熱輥，使預(yù)浸料軟化，熔化預(yù)浸料上面的樹(shù)脂膠粘劑，在一定張力下，在輥的旋轉(zhuǎn)操作過(guò)程中，利用輥和心軸之間的摩擦，將預(yù)浸料連續(xù)卷到管芯上，直至所要求的厚度，然后通過(guò)冷輥冷卻定型，從卷繞機(jī)取出，在固化爐中固化。管材固化后，去除芯模型，即可以得到復(fù)合材料纏繞管材。這種工藝可適用于等徑及錐形管件的成型，其優(yōu)點(diǎn)是成型制品的各項(xiàng)綜合性能較高，不存在明顯的短板，且精度較高；缺點(diǎn)在于生產(chǎn)效率較低，且制造成本較高。

（4） 模壓成型[5]：該工藝是復(fù)合材料生產(chǎn)中最古老而又富有無(wú)限活力的一種成型方法，工藝的基本過(guò)程是將一定量的經(jīng)過(guò)預(yù)處理的模壓料放入預(yù)熱的壓模內(nèi)，施加較高的壓力使模壓料充滿模腔，在預(yù)設(shè)的溫度條件下，模壓料在模腔內(nèi)充分固化，然后將制品從壓模內(nèi)取出，再進(jìn)行必要的輔助加工即得到最終制品。這種工藝主要適用于復(fù)雜制品的成型，其優(yōu)點(diǎn)是成型制品的各項(xiàng)綜合性能較高，不存在明顯的短板，且精度較高；缺點(diǎn)在于不適用于大型管件的生產(chǎn)，效率極低且模具制造成本昂貴。

項(xiàng)目組對(duì)上述4 種工藝生產(chǎn)的復(fù)合材料制品進(jìn)行了取樣測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目包括抗拉強(qiáng)度、抗拉模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、壓縮強(qiáng)度、壓縮模量、剪切強(qiáng)度和剪切模量等，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，確定使用纏繞及拉擠成型工藝分別進(jìn)行搶修塔主桿和碳纖維橫撐的加工制作，具體的工藝原理見(jiàn)圖2 和圖3。

圖2 纏繞成型

圖3 拉擠成型

1.2.2 復(fù)合材料配方的研究

對(duì)玄武巖纖維、高強(qiáng)度玻璃纖維、碳纖維等不同種類的高性能纖維進(jìn)行研究，調(diào)整纖維表面的處理劑，并反復(fù)校驗(yàn)得出纖維與樹(shù)脂結(jié)合的最佳配比方案，充分發(fā)揮各種纖維的優(yōu)勢(shì)特性，綜合考慮材料成本及性能因素，最終選擇使用玄武巖纖維（見(jiàn)圖4）和碳纖維（見(jiàn)圖5）進(jìn)行搶修塔主要部件的加工成型，兩種纖維與玻璃纖維的各項(xiàng)參數(shù)性能對(duì)比玄武巖纖維的發(fā)展及其應(yīng)用，見(jiàn)表1。

圖4 玄武巖纖維

圖5 碳纖維

表1 纖維性能參數(shù)對(duì)比[4]

1.3 玄武巖空芯復(fù)合絕緣橫擔(dān)研究

研究一種輕質(zhì)化玄武巖空芯復(fù)合絕緣橫擔(dān)，該絕緣橫擔(dān)主要由絕緣閉孔發(fā)泡材料、玄武巖管芯、硅橡膠傘套、鋁合金掛線金具及法蘭連接金具等5 部分構(gòu)成（見(jiàn)圖6），橫擔(dān)成型后具有重量輕、強(qiáng)度高、絕緣性好、免維護(hù)等特性，能夠滿足220 kV 電壓等級(jí)使用，相比傳統(tǒng)玻璃鋼復(fù)合絕緣橫擔(dān)，其機(jī)械及電氣性能均有顯著提升，安全性更好。

圖6 玄武巖空芯復(fù)合絕緣橫擔(dān)

1.4 連接結(jié)構(gòu)研究

連接結(jié)構(gòu)是輕質(zhì)化全絕緣220 kV 復(fù)合材料搶修塔應(yīng)用的關(guān)鍵，連接后不但要有較高的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，而且還必須拆裝方便、快捷，滿足線路應(yīng)急搶修的基本要求。通過(guò)各方面的研究論證，我們最終采用插接的方式對(duì)絕緣主桿進(jìn)行裝配連接，在兩段主桿插接結(jié)合處設(shè)置永久性的簡(jiǎn)易限位法蘭裝置（見(jiàn)圖7），保證主桿插接裝配時(shí)能夠輕松準(zhǔn)確的到達(dá)預(yù)設(shè)裝配位置，不會(huì)發(fā)生過(guò)插或插接不到位的情況，這種法蘭結(jié)構(gòu)不但能夠保證桿段的連接質(zhì)量，而且還有效提升了主桿的拆裝效率，完美契合應(yīng)急搶修工作的特殊要求。

圖7 限位法蘭裝置

2 結(jié)論

本研究論述的輕質(zhì)化全絕緣220 kV 復(fù)合材料搶修塔，其主要?jiǎng)?chuàng)新特點(diǎn)在于新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝及新方法的應(yīng)用。通過(guò)探索研究，將近年來(lái)最炙手可熱的玄武巖纖維、碳纖維等高性能纖維材料與環(huán)保型聚氨酯材料充分復(fù)合，研制出了一系列重量輕、強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)的復(fù)合材料部件，并成功應(yīng)用到了電力搶修桿塔的結(jié)構(gòu)中，充分的發(fā)揮高性能纖維復(fù)合材料低密度、高強(qiáng)度、高模量的天然技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有效解決現(xiàn)有電力桿塔重量過(guò)重，運(yùn)輸、組裝、立塔不便的問(wèn)題。

輕質(zhì)化全絕緣220 kV 復(fù)合材料搶修塔的研發(fā)應(yīng)用，將會(huì)為未來(lái)中國(guó)特高壓輸電線路桿塔的絕緣化、輕質(zhì)化改造提供一定的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)支撐及參考價(jià)值，對(duì)于推動(dòng)中國(guó)大電網(wǎng)的發(fā)展建設(shè)具有重要意義。