電桿材料應(yīng)用現(xiàn)狀
 

        國內(nèi)外架空輸電線路中使用較為廣泛的桿塔主要有木質(zhì)桿、鋼管桿和鐵塔等幾類。占有世界大半電桿市場的美加地區(qū)，現(xiàn)有電桿采用的主要是木材，在美國只有俄勒岡州使用混凝土桿。混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土桿主要應(yīng)用于南美洲、歐洲、非洲、亞洲等森林資源較為貧

 

        乏的地區(qū)或發(fā)展中國家。鐵塔是世界各國超高壓輸電線路中常用的桿塔型式。我國基本不再使用木質(zhì)桿，混凝土桿以前在35kv~110kv線路上大量使用，在新建及330kv以下線路運輸和施工條件較好的平原和丘陵地區(qū)也得到一定應(yīng)用。鋼管桿和鋼管混凝土桿在近年城市電

 

        網(wǎng)建設(shè)和改造中應(yīng)用較多，而在220kv及以上的線路中，多采用格架式鐵塔。

 

1.傳統(tǒng)電桿存在的問題

       傳統(tǒng)的輸電電桿塔普遍存在質(zhì)量大、易腐爛、銹蝕或開裂等缺陷，使用壽命較短，并且施工運輸和運行維護困難，容易出現(xiàn)各種安全隱患。歸納起來主要有以下幾個問題。
 

        腐蝕------木桿受腐蝕因素影響，平均壽命為30年。木桿維修費用為每桿每5年35美元，并且一旦腐蝕開始就會持續(xù)進行直至失去強度。木桿的維護主要用雜芬油類的防腐劑，這種防腐劑被認為是一種危險的廢料，極大影響了環(huán)境。在美國，每1根電桿造成污染的環(huán)保復(fù)原費用達1萬美元。金屬電桿存在生銹腐蝕問題，腐蝕減少了服役期，增加了全壽命周期內(nèi)的維修成本。

 

       安裝成本-------傳統(tǒng)電桿的安裝費用問題在于偏遠地區(qū)缺少運力和運輸設(shè)備來搬運沉重的鋼桿、木桿，水泥桿重量太大，造成運輸與安裝費用比其他材料更高一籌。有時為了安裝到位甚至還需要鋪設(shè)專門的道路來運輸，這使得費用進一步提高。

 

       事故與其他問題---------長期運行經(jīng)驗表明：不同電壓等級交、直流輸電線路皆存在雷擊事故和污閃事故，雷擊事故和污閃事故在每年的輸電線路跳閘事故中幾乎各占50%.大量的使用復(fù)合絕緣子仍不能徹底解決雷擊和污閃事故。高寒地區(qū)混凝土桿常發(fā)生凍融循環(huán)破壞，而鐵塔常發(fā)生低溫冷脆破壞。鋼材還易被人為偷盜破壞。

 

除一般類型電桿外，還有以下一些改進型電桿。

（1）無覆層耐侵蝕的鋼材。保持了鋼的優(yōu)點，且無須防腐蝕層。

（2）電弧爐回收鋼。一些鋼材的最初費用可以通過這種回收來得到補償。鋼材的運輸費用仍然極其昂貴，特別是運到邊遠地區(qū)，電桿或鍍鋅或用密封劑涂覆，會增加維修費用。

（3）鋼筋混凝土也是替代木材的一種材料。但水泥桿重量太大，造成運輸與安裝費用比其他材料都要高。 

（4）玻纖混凝土桿具有和復(fù)合材料一樣的非電導(dǎo)性和無腐蝕性。復(fù)合材料電桿的纖維纏繞工藝還有價格優(yōu)勢，但由于應(yīng)用得少，目前在使用可靠性方面還存在疑問。

 

復(fù)合材料電桿及桿段的制造技術(shù)在國外已有50多年的歷史。復(fù)合材料的優(yōu)勢主要在集中在以下幾方面：

       1.安裝、維護成本低------復(fù)合材料電桿的質(zhì)量約為木質(zhì)桿的1/3,混凝土桿的1/10,鋼質(zhì)桿的1/2,可大幅度降低運輸和施工安裝成本，尤其是在人難以到達的山林和偏遠地區(qū)。復(fù)合材料電桿的輕質(zhì)特點使其可用直升機運載，輕質(zhì)還意味著安裝速度加快和節(jié)省人力。復(fù)合材料電桿是一種免維護或低維護結(jié)構(gòu)，這對保障線路安全和降低輸電線路的維護成本很有意義。
 

        2.環(huán)境適應(yīng)性好---------復(fù)合材料電桿對酸、堿、鹽及有機溶劑等腐蝕介質(zhì)的耐腐蝕性能和耐候性能優(yōu)良，因此特別適合沿海地區(qū)、內(nèi)陸鹽漬土，以及工業(yè)區(qū)和酸雨多發(fā)地區(qū)等對混凝土和鋼質(zhì)桿塔有特殊防腐要求的環(huán)境。
 

        3.電絕緣性能好-----------利用玻璃鋼桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)鐵塔新技術(shù)不但在重量上可以減輕一半，易于安裝和施工，同時還可以解決閃絡(luò)事故率居高不下的問題，復(fù)合材料桿電氣絕緣性能優(yōu)良，可避免鐵塔易出現(xiàn)的雷擊事故發(fā)生，還可以設(shè)計減少導(dǎo)線與塔身間隙，使輸電線路結(jié)構(gòu)更為緊湊，可減少線路走廊寬度，這在土地資源稀缺的情況下尤其重要。
 

        4.防盜防損--------在特殊地區(qū)，還可以有效地防止塔材盜竊等人為破壞。復(fù)合材料電桿比傳統(tǒng)的電桿具有更好的綜合性能，通過合理的設(shè)計，復(fù)合材料桿可以滿足輸電線路對桿塔結(jié)構(gòu)的各項性能要求。

 

       世界上最大的電桿市場在美加，其次是北歐及歐洲其他地區(qū)。復(fù)合材料電桿的制造與應(yīng)用主要集中在北美和歐洲。美國Sharkspeare公司是最早開發(fā)復(fù)合材料電桿的公司。該公司1996年在美國申請電桿設(shè)計制造方法專利，1998年在英國申請專利。另外美國的Powertrusion公司和美國北太平洋復(fù)合材料公司也在從事復(fù)合材料電桿的生產(chǎn)。加拿大RS公司上世紀(jì)90年代中期開始開發(fā)復(fù)合材料電桿。因其獨創(chuàng)的RS模段式復(fù)合材料組合輸電線桿制造工藝，2005年通過其子公司---RS科技公司獲得了由美國復(fù)合材料制造協(xié)會（ASWA）頒發(fā)的制造技術(shù)創(chuàng)新獎。RS電桿為組合套接結(jié)構(gòu)式電桿。電桿采用的是纖維增強熱固性樹脂復(fù)合材料，基體為VersionTM聚氨酯。RS公司在完成36m電桿測試后即能夠進行世界上最大復(fù)合材料電桿的商業(yè)化生產(chǎn)，公司還將開發(fā)41m電桿。從1992年起，美國在制定發(fā)展計劃中就提出了由復(fù)合材料采用無螺栓裝配構(gòu)成桿塔的研究計劃。它由EbertComposites公司與加利福尼亞兩家公用事業(yè)公司---圣地亞哥煤氣電力公司（SDGE）和南加利福尼亞愛迪生公司（SCE）一道開發(fā)，并已在加利福尼亞奧克斯納德的奧蒙德比奇發(fā)電站安裝三基這種試驗桿塔，而且環(huán)境位于高鹽污染地區(qū)的南加利福利亞海濱。運行資料表明，這些桿塔可穩(wěn)定使用較長時間。國內(nèi)現(xiàn)在也有多個廠家在從事電桿的生產(chǎn)和開發(fā)，但是規(guī)模生產(chǎn)暫時還很少。

 

        因為目前建筑行業(yè)對復(fù)合材料仍普遍陌生，而鋼制電桿因初裝費用低廉和用戶熟悉，仍然是造成復(fù)合材料電桿早期難以推廣應(yīng)用的主要障礙。在輸電線路的經(jīng)濟分析中，通常注重建設(shè)期間的費用投資，往往忽視了結(jié)構(gòu)全壽命周期費用的分析，這里主要指線路桿塔的維護費用。隨著電網(wǎng)建設(shè)的不斷擴大，輸電線路架設(shè)長度要求增加，其線路運行出現(xiàn)的事故及維護問題便顯得日益突出。因此設(shè)施的運輸、安裝及維護費用問題將會得到逐步重視。附表對比出了美加復(fù)合材料電桿在全壽命周期的價格優(yōu)勢。以上計算不含運輸、安裝及環(huán)保處理費用,否則在全壽命周期內(nèi)各材料電桿相對于復(fù)合材料費用將成倍增加。從附表數(shù)據(jù)可看出，復(fù)合材料電桿盡管初裝成本較高，但其極低的運行維護費用，80年的壽命，使其綜合性價比要優(yōu)越于其他材料電桿。在地況復(fù)雜、土質(zhì)較疏松的地區(qū)，其運輸、安裝極為困難，F(xiàn)RP桿的優(yōu)越性就會充分體現(xiàn)出來。而且，復(fù)合材料組合式電桿一旦在桿體某處有損傷，可以單獨更換該段而不用整體更換，節(jié)省很大費用。美國南加利福尼亞愛迪生公司對復(fù)合材料電桿的試運行經(jīng)驗已證實了復(fù)合型桿塔產(chǎn)生的好處，該公司估計5年中的維護費用就可節(jié)約3500美元。在中國這個山地面積占國土總面積70%以上的國家，復(fù)合材料電桿運輸和安裝費用低廉具有特別重要的意義。用卡車裝運復(fù)合材料電桿，其裝載量數(shù)十倍于混凝土電桿裝載量。

 

        復(fù)合材料電桿在美加的應(yīng)用非常廣泛，但與類似英國等國家的氣候又大不相同，其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)也有所不同。標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計通常比較復(fù)雜，主要思路是規(guī)定在極限條件下或最嚴(yán)重的載荷下，電桿允許產(chǎn)生偏差的水平。評價電桿結(jié)構(gòu)性能的兩個首要指標(biāo)是承載力和剛度。單桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要根據(jù)抗風(fēng)吹彎曲承載能力大小，通常進行全尺寸電桿的懸臂梁彎曲試驗，將電桿作為懸臂梁，在電桿不同位置施加載荷。

 

        纖維纏繞是復(fù)合材料電桿最常用的成型工藝，也有許多其他中空圓筒結(jié)構(gòu)成型方法，但因經(jīng)濟原因并未得到普及。對高效率商業(yè)化生產(chǎn)來說，自動化程度高低是極為重要的，而纖維纏繞工業(yè)節(jié)省原材料，纖維鋪放靈活機動，很適合于成型這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。采用的基體主要為聚氨酯，環(huán)氧乙烯基脂樹和改性聚氨酯，增強纖維一般為性能良好、價格低廉的無堿玻璃粗紗。
 

        1.纖維纏繞工藝---------將浸過聚氨酯樹脂的玻纖粗紗按照指定線型連續(xù)纏繞在軸上?？刂菩据S轉(zhuǎn)速和軸與絲嘴的相對運動速度可以調(diào)節(jié)到所需的纏繞角度，與軸向形成7度到將近90度范圍的纏繞角。纖維層數(shù)要根據(jù)電桿的等級性能的要求而定。纏繞完畢后加熱固化，固化完畢脫模?？捎盟畨貉b置將管從芯軸上脫掉，然后后切割、打孔，安裝腳踏。
 

        2.拉擠成型-----------拉擠成型使用拉擠成型機使纖維增強塑料連續(xù)成型的一種成型加工法，連續(xù)增強纖維浸漬活性樹脂后通過熱型模，材型即確定，再根據(jù)需要按照一定長度進行切割。此工藝近幾年發(fā)展最快，主要發(fā)展方向是為港口、輸電、土木等基礎(chǔ)設(shè)施工程和高層建筑工程提供厚壁結(jié)構(gòu)板型件。該工藝比較適合于復(fù)合材料橫擔(dān)和多邊形電桿的制造，機場籬及其他類似結(jié)構(gòu)也采用拉擠工藝。拉擠工藝可加工具有等橫截面、徑向強度和剛度較高的結(jié)構(gòu)件。美國Elberta公司正在設(shè)計、試制高壓輸電塔的大型拉擠成型結(jié)構(gòu)件，塔高25.58m,重2.59t,全部用復(fù)合材料件裝配組成。
 

        3.復(fù)合工藝------隨著復(fù)合材料相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，纖維纏繞工藝呈現(xiàn)出多工藝復(fù)合化的發(fā)展趨勢。拉擠成型、帶鋪放、帶纏繞及纖維編織等與傳統(tǒng)纏繞工藝相結(jié)合，可以提高纏繞工藝的新結(jié)構(gòu)適用性，擴大了纖維工藝的應(yīng)用范圍，開創(chuàng)了纏繞技術(shù)的新局面。纖維纏繞技術(shù)有一個明顯的局限，就是沿制品軸向鋪設(shè)純縱向，即0度纖維（纖維與筒體母線夾角為0度）較為困難，從而限制了它在某些結(jié)構(gòu)類管狀制品制造中的應(yīng)用。將纖維纏繞與帶鋪放工藝、拉擠工藝結(jié)合起來可極大地解決這一問題。纖維鋪放技術(shù)集傳統(tǒng)纏繞技術(shù)與帶鋪放技術(shù)于一身，可進行任意角度纏繞，也可任意增減纖維，克服了傳統(tǒng)纏繞工藝的不足，改善了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，可以作為比較先進的復(fù)合材料電桿生產(chǎn)工藝。

 

       從詹姆斯戴韋遜（Shakespeare公司研發(fā)部副主任）的綜述報道來看，1954年就有復(fù)合材料電桿制造，同時也進行了安裝使用，至今仍在服務(wù)中。在高度鹽霧腐蝕并經(jīng)常經(jīng)受颶風(fēng)的夏威夷島上，已有使用了40多年的電桿，仍在繼續(xù)工作。美國在復(fù)合材料電桿方面的研究

 

        開發(fā)和應(yīng)用最為成熟。EbertComposites公司1996年研制復(fù)合材料輸電桿塔，并在加利福尼亞奧蒙德比奇發(fā)電站安裝了三基試驗桿塔，試驗環(huán)境位于高鹽污染地區(qū)的南加利福尼亞海濱。運行資料表明，這些桿塔直至2000年都能保持穩(wěn)定的性能。觀察報告表明，投運最初7個月以后運行正常，沒有發(fā)現(xiàn)明顯放電痕跡，也沒發(fā)現(xiàn)機械損傷和電氣損傷。Shakespeare玻纖產(chǎn)品公司1993年~1995年相續(xù)研制成功復(fù)合材料配電桿及輸電桿，符合公用電工業(yè)的所有機械和電氣標(biāo)準(zhǔn)，首批架設(shè)的5000根用于美國山區(qū)的主配電協(xié)同，該地區(qū)冬季雪量可能超過3m厚，積雪期達6周，風(fēng)速可達33m/s. 

 

        復(fù)合材料電桿具有傳統(tǒng)電桿不具備的特殊優(yōu)勢，在國外已經(jīng)具有相當(dāng)規(guī)模，在中國市場的主要意義將在于運輸、安裝成本的大幅降低，其開發(fā)應(yīng)用將成為輸電行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的一大趨勢。但是因為鋼制電桿初裝費用低廉，用戶比較熟悉，而對于復(fù)合材料還很陌生，所以復(fù)合材料電桿早期難以推廣應(yīng)用。總結(jié)起來，復(fù)合材料電桿及桿塔的開發(fā)應(yīng)用之前存在以下兩大制約問題：制造成本與耐候老化問題。而現(xiàn)在整體制造成本好像還沒有得到很好解決，但是耐候性問題現(xiàn)在聚氨酯好像已經(jīng)可以比較好的解決此問題。