一种轻质化全绝缘220 kV 复合材料抢修塔

年俊杰，韩玉堂，何海燕

（汤姆森电气有限公司，宁夏 银川 750200）

引言

针对摘要中提到的问题，本研究将着重论述一种轻质化全绝缘220 kV 复合材料抢修塔，该塔结构设计新颖，整体为门型结构，通体采用轻质复合材料制作，主要由绝缘主杆、复合绝缘横担、斜拉绝缘子、碳纤维横撑、绝缘拉杆、碳纤维地线挂梁等部件构成[2]，抢修塔每个部件都呈模块化通用状态，同类型的部件能够任意互换通用，也可通过增减绝缘主杆实现塔高的任意调节，广泛适用于各种地形、多种电压等级的输电线路应急抢修。相比目前电力公司在用的钢管塔、水泥塔、铝合金塔等各种抢修塔，本项目研制的复合材料抢修塔塔架受力更优，重量更轻、组装立塔也更便捷，在电力杆塔事故抢修过程中能够发挥巨大作用，彻底摆脱传统傻大笨粗的抢修设备，大幅提升抢修效率，缩短停电时间，对于保障中国电网高质量运行具有重要意义。

1 研究内容

1.1 塔型结构研究

通过查阅相关技术标准，并广泛调研西北各地供电公司的抢修需求，最终设计了一种门型双杆塔架结构[1]，见图1。结构通用性强，能够满足220 kV 线路18种极端工况条件下的受力要求[2]，主要结构部件包含：绝缘主杆、复合绝缘横担、斜拉绝缘子、碳纤维横撑、绝缘拉杆、碳纤维地线挂梁，等等。

图1 轻质化全绝缘220 kV 复合材料抢修塔门型结构

绝缘主杆：采用高强度的玄武岩纤维浸润聚氨酯材料经缠绕工艺制成，模块化分段式结构，每段长度为5 m，重量小于80 kg，段间采用插接的方式有效连接，在绝缘主杆插接处设置有4 个限位紧固装置（盲孔螺丝），可以将绝缘主杆快速稳定连接。

复合绝缘横担：抢修塔塔头配置有专用的空芯复合绝缘横担，该部件为复合抢修塔的主绝缘及承力部件，横担为管状空芯结构，空芯管采用玄武岩纤维缠绕工艺成型，纤维呈横纵双向排列，管内填充有高密度的绝缘闭孔型发泡材料，管外注射包覆有硅橡胶绝缘伞套，在保证能够支撑导线的机械性能及电气强度的同时，其重量仅有传统横担的1/2，抢修施工轻便快捷。

碳纤维横撑：该部件是复合抢修塔的主体支撑部件，通体采用质轻高强的碳纤维材料制作，相比传统的铁横撑，重量仅为1/5，强度是铁横撑的2 倍以上，基本可以保证抢修塔在各种极端的工况条件下都能够屹立不倒。

绝缘拉杆：该部件为抢修塔两塔身之间的横向传力部件，可以有效传导抢修塔两根绝缘主杆间的横向受力，实现共同受力；其通体采用玄武岩纤维材料制作，抗拉强度为钢材的10 倍以上，重量仅为钢材的1/4。

碳纤维地线挂梁：该部件为地线的承载支架，通体采用碳纤维材料制作，不但重量轻、强度高，而且其为导电材料，能够很好的满足接地卸雷的要求。

1.2 成型工艺及复合材料配方研究

1.2.1 成型工艺研究

复合材料管材的成型工艺主要有拉挤成型、缠绕成型、卷管成型、模压成型等等。项目组分别对这些工艺所生产的复合材料制品特性进行调研分析，总结其优缺点如下：

（1） 拉挤成型[3]：该成型工艺原理是将各种纤维粗纱或纤维织物在外力牵引(外力拉拔和挤压模塑)下，经过浸胶、挤压成型、加热固化、定长切割，连续生产长度不限的复合材料线型制品的一种方法。这种工艺最适于生产各种断面形状的型材，如棒、管、实体型(工字形、槽形、方形型材)和空腹型材(门窗型材、叶片)等，其优点是生产效率高，成本低，精度高，制品理论上可以做无限长，而且纵向抗拉、抗压强度高；其缺点是横向强度低，抗弯特性较差。

（2） 缠绕成型：该工艺原理是将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后在固化炉内加热固化，脱模成为复合材料制品的工艺过程。这种工艺可适用于等径及锥形管件的成型，其优点是生产效率高，成本适中，制品的各项综合性能较高，不存在明显的短板；其缺点是制品的表面质量较低。

（3） 卷管成型：该工艺原理是采用卷管机上的热辊，使预浸料软化，熔化预浸料上面的树脂胶粘剂，在一定张力下，在辊的旋转操作过程中，利用辊和心轴之间的摩擦，将预浸料连续卷到管芯上，直至所要求的厚度，然后通过冷辊冷却定型，从卷绕机取出，在固化炉中固化。管材固化后，去除芯模型，即可以得到复合材料缠绕管材。这种工艺可适用于等径及锥形管件的成型，其优点是成型制品的各项综合性能较高，不存在明显的短板，且精度较高；缺点在于生产效率较低，且制造成本较高。

（4） 模压成型[5]：该工艺是复合材料生产中最古老而又富有无限活力的一种成型方法，工艺的基本过程是将一定量的经过预处理的模压料放入预热的压模内，施加较高的压力使模压料充满模腔，在预设的温度条件下，模压料在模腔内充分固化，然后将制品从压模内取出，再进行必要的辅助加工即得到最终制品。这种工艺主要适用于复杂制品的成型，其优点是成型制品的各项综合性能较高，不存在明显的短板，且精度较高；缺点在于不适用于大型管件的生产，效率极低且模具制造成本昂贵。

项目组对上述4 种工艺生产的复合材料制品进行了取样测试，测试项目包括抗拉强度、抗拉模量、弯曲强度、弯曲模量、压缩强度、压缩模量、剪切强度和剪切模量等，通过对试验数据的比对分析，确定使用缠绕及拉挤成型工艺分别进行抢修塔主杆和碳纤维横撑的加工制作，具体的工艺原理见图2 和图3。

图2 缠绕成型

图3 拉挤成型

1.2.2 复合材料配方的研究

对玄武岩纤维、高强度玻璃纤维、碳纤维等不同种类的高性能纤维进行研究，调整纤维表面的处理剂，并反复校验得出纤维与树脂结合的最佳配比方案，充分发挥各种纤维的优势特性，综合考虑材料成本及性能因素，最终选择使用玄武岩纤维（见图4）和碳纤维（见图5）进行抢修塔主要部件的加工成型，两种纤维与玻璃纤维的各项参数性能对比玄武岩纤维的发展及其应用，见表1。

图4 玄武岩纤维

图5 碳纤维

表1 纤维性能参数对比[4]

1.3 玄武岩空芯复合绝缘横担研究

研究一种轻质化玄武岩空芯复合绝缘横担，该绝缘横担主要由绝缘闭孔发泡材料、玄武岩管芯、硅橡胶伞套、铝合金挂线金具及法兰连接金具等5 部分构成（见图6），横担成型后具有重量轻、强度高、绝缘性好、免维护等特性，能够满足220 kV 电压等级使用，相比传统玻璃钢复合绝缘横担，其机械及电气性能均有显著提升，安全性更好。

图6 玄武岩空芯复合绝缘横担

1.4 连接结构研究

连接结构是轻质化全绝缘220 kV 复合材料抢修塔应用的关键，连接后不但要有较高的强度及稳定性，而且还必须拆装方便、快捷，满足线路应急抢修的基本要求。通过各方面的研究论证，我们最终采用插接的方式对绝缘主杆进行装配连接，在两段主杆插接结合处设置永久性的简易限位法兰装置（见图7），保证主杆插接装配时能够轻松准确的到达预设装配位置，不会发生过插或插接不到位的情况，这种法兰结构不但能够保证杆段的连接质量，而且还有效提升了主杆的拆装效率，完美契合应急抢修工作的特殊要求。

图7 限位法兰装置

2 结论

本研究论述的轻质化全绝缘220 kV 复合材料抢修塔，其主要创新特点在于新材料、新结构、新工艺及新方法的应用。通过探索研究，将近年来最炙手可热的玄武岩纤维、碳纤维等高性能纤维材料与环保型聚氨酯材料充分复合，研制出了一系列重量轻、强度高、使用寿命长的复合材料部件，并成功应用到了电力抢修杆塔的结构中，充分的发挥高性能纤维复合材料低密度、高强度、高模量的天然技术优势，有效解决现有电力杆塔重量过重，运输、组装、立塔不便的问题。

轻质化全绝缘220 kV 复合材料抢修塔的研发应用，将会为未来中国特高压输电线路杆塔的绝缘化、轻质化改造提供一定的技术经验支撑及参考价值，对于推动中国大电网的发展建设具有重要意义。