FRP输电杆塔的研究与应用

王传涛

（沈阳工学院能源与水利学院，辽宁 沈阳 113122）

输电杆塔是电力传输过程中最为关键的组成部分[1]，杆塔的塔形选择、地理位置、使用材料等都会对其输电效率产生影响。在特殊地段必须要重复测量比较，使杆塔定位尽量避开地形及交通不利的地区，为杆塔组装和紧线创造有利的施工条件。采用适宜塔形的输电杆塔可以减少工程造价，减少施工停电时间，而采用恰当的复合材料不仅能够提高输电杆塔的使用寿命，还能实现循环利用的目的。

1 输电杆塔的一般设计

输电杆塔的一般设计需要考虑输电线路的路径选择、杆塔选型和基础设计。

整个输电线路的设计中输电路径抉择至关重要，它影响着整个工程的成本、技术选取、施工和运行的难易程度。在初设选线阶段，设计者需要做到兼顾杆塔的经济性和转角塔设立的可能性，在特殊地段要反复测量和综合分析比较，通过多方案对比，尽可能选择长度短、交叉跨越少、转角少、地形条件较好的方案[2]。

杆塔选型是要结合工程中的线路情况来选择合适的塔形。对耐张、跨越及转角位置优选角钢塔；对同塔多回且沿规划道路建设的线路，则一般采用钢管塔[2]。在选型当中，还要考虑到以后的可持续发展问题，为后来的输电杆塔的对地距离留有足够的空间。

2 新型复合材料在国内、外输电杆塔中的应用现状

正因为近些年电力电网的迅速发展，输电线路工程呈现长距离、规模化、大型化的发展趋势，无形中造成了对钢材的过度消耗，进而对矿产资源和生态环境造成了很大的危害。而新型复合材料的出现为输电杆塔带来了福音。

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料组成，各种材料在性能上互补、协同，综合性能优于原单一材料，可以满足不同使用要求。复合材料具有高强、轻质、耐腐蚀、易加工、可设计性强和绝缘性能好等优点。采用新型复合材料作为输电杆塔的主要材料，不仅可以减少对矿产资源的破坏，极大限度地保护环境，其绝缘特性还能解决输电线路的风偏和污闪事故，有效提高输电线路的安全运行水平和输电效率。除此之外，采用新型复合材料还能减小塔头尺寸，减小走廊宽度，并且减小杆塔的重量，并可循环利用。

复合材料输电杆塔率先在美国得到了应用，许多公司都创建了自己的新产品。国内，由于电力的广泛应用，加之国家电网倡导建设环境友好型、资源节约型的“两型三新”线路，近年来我国也开始了对新型复合材料的研究与应用。

3 新型复合材料在输电线塔建设中的力学性能研究

新型复合材料中所含有的碳纤维的特点就是具有高强度、高弹模，这样在抗冲击和抗磨、自润滑方面都起到了良好的自我修复能力，从而增加输电杆塔的使用寿命，并同时达到环保的效果。为了验证新型复合材料较其他材料的优越性，一些力学性能测试可以得到对比效果。

复合材料铺层层数对测试数据和拉伸曲线有很大影响，根据对试样铺层方向是纵向0°时，得到的在不同铺层下力学参数测试的结果如表1所示。

表1 不同铺层下力学参数测试数据

从表1中可见，随着铺层层数的增加，拉伸强度呈现先增大，达到最值后又开始下降，拉伸模量也呈现出随着铺层层数的增加，先增大后减小的趋势，而泊松比亦是如此。这就说明新型复合材料在应用中不是铺层层数越大越好，通过最佳值的选取，才能优化输电杆塔的使用寿命。

另外，随着铺层层数的增加，拉伸强度和弹性模量的变化趋势如图1所示。

图1 不同层数拉伸强度和弹性模量的变化趋势

根据力学测试来看，当铺层层数在6层和20层时，拉伸强度的数据较低。造成这种现象的主要原因是碳纤维复合材料在静载下受到的应力不均衡，另外，对尺寸效应的敏感性也加剧了这种效果。

除力学测试实验之外，真型实验也是对输电杆塔产品的一种验证，经过实验验证：复合材料杆塔塔顶挠度满足正常运行工况15‰的变形要求，而且90°大风工况时拉、压最大应力远低于材料的强度设计值；超载-卸荷后杆体仍能恢复初始状态，无残余变形。

4 新型复合材料在输电杆塔建设中应用的研究

新型复合材料以其独特的性能优势，在输电杆塔建设中占据了重要地位。但是只有好的材料并不够，还需要从杆塔的设计和应用方面加强力度。

首先，要对输电杆塔的结构进行设计和优化。其设计和优化的目的在于协调结构强度，需要从材料设计强度的选取、输电杆塔外形选择和优化，以及加工工艺的选择三个方面着手。

材料设计强度的选取需要考虑各个生产商产品的离散性、老化速度，通过产品实验择优选用。输电杆塔外形选择和优化需要同时考虑杆塔的结构变形难易度和经济性；加工工艺的选择则需要考虑经济性和实用性。

其次，节点的设计应该进行优化。输电杆塔节点的设计理念应尽量使节点构造简单，便于现场拼装且连接可靠度高，并采用套筒结构控制杆体变形，避免疲劳失效 。

5 结语

综上所述，对于新型复合材料在输电杆塔中的应用前景广阔。输电杆塔的经济影响、环境影响以及社会影响都是反映我国综合实力的体现。所以，对新型复合材料在输电杆塔中的应用的研究具有重大历史意义。