《复合材料电线杆.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复合材料电线杆.doc（9页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、复合材料电线杆复合材料电线杆图1运用我公司专利技术做的呈120度的加强筋电线杆复合材料电线杆利用我公司发明的复合材料袋压一次成型技术制造的复合材料电线杆具有质量轻，强度高的优点，在高山和高原上有广泛的应用前景。附文(转自网络)：复合材料在输电杆塔中的应用杆塔结构是输电、通讯、铁路、市政等基础设施中一类重要的特种支撑结构物，其结构性能直接影响线路的安全性、经济性和可靠性。本文对架空输电线路杆塔结构的应用历史与现状进行了简要的综述，介绍了FRP杆在国内外的应用情况，从杆塔结构的技术、经济、环境与社会影响等方面对各种材料的输电杆塔进行了评述，着重对FRP在杆塔结构中的应用前景进行了讨论。1国内外输电
2、杆塔结构的应用现状国内外架空输电线路中使用较为广泛的杆塔主要有木质杆、混凝土或预应力混凝土杆、钢管混凝土杆、钢管杆和铁塔等几类。木质杆主要应用于加拿大和美国等森林资源丰富的地区，混凝土或预应力混凝土杆主要应用于南美洲、欧洲、非洲、亚洲等森林资源较为贫乏的地区或发展中国家，在美国只有俄勒冈州使用混凝土杆。铁塔是世界各国超高压输电线路中常用的杆塔型式。我国基本不再使用木质杆，混凝土杆以前在35-110 kV线路上大量使用，在新建330 kV及以下线路运输和施工条件较好的平原和丘陵地区也得到一定应用。钢管杆和钢管混凝土杆在近年的城市电网建设和改造中应用较多，而在220 kV及以上的线路中，多采用格构
3、式铁塔。传统的输电杆塔普遍存在质量重、易腐烂、锈蚀或开裂等缺陷，耐久性差，使用寿命较短，施工运输和运行维护困难，容易出现各种安全隐患。随着新材料技术及其制备工艺的发展，FRP甚至于用于高端应用领域的先进复合材料(ACM)，近年在国外已逐步应用于输电工程中，我国也正在积极开展这方面的研究工作。2 FRP输电杆塔的特点FRP具有强度高、质量轻、耐腐蚀以及耐疲劳性能、耐久性能和电绝缘性能好等特点，非常适于制造输电杆塔。目前国外FRP在输电杆塔上的应用形式主要有变截面单杆和直管装配式塔架两种。与木质、混凝土和钢质杆塔相比，FRP杆塔具有以下特点：(1)质量轻。FRP杆的质量约为木质杆的1/3,混凝土杆
4、的1/10，钢质杆的1/2。质量轻是FRP杆塔突出的优点之一。由于质量轻，可大幅度降低运输和施工安装成木，尤其适于山区和软弱土质地区的输电线路使用。(2)强度高。FRP单向板的纵向抗拉强度为800-1200MPa，远高于普通钢材的抗屈服强度。同时具有优良的耐疲劳性能。(3)耐腐蚀。FRP杆对酸、碱、盐及有机溶剂等腐蚀介质的耐腐蚀性能和耐候性能优良，因此特别适合沿海地区、内陆盐渍土地区以及工业区和酸雨多发地区等对混凝土和钢质杆塔有特殊防腐要求的环境。(4)温度适应性强。FRP杆几乎适用于各种气象条件而不改变性能，特别适用于高寒地区使用。高寒地区混凝土杆常发生冻融循环破坏，而铁塔常发生低温冷脆破坏
5、。(5)电绝缘性能好。FRP杆电气绝缘性能优良，可以减少导线与塔身间隙，使输电线路结构更为紧凑，可减少线路走廊宽度。这在土地资源稀缺，线路走廊的获得日益困难的情况下尤其有意义。(6)可设计性好。FRP杆有别于其它杆塔的重要特点是其材料可设计性，可以根据特殊的结构性能要求选择基体和纤维材料及其相对质量分数和铺层方向等进行合理的设计，以满足对杆塔强度、刚度、耐疲劳特性、产品色彩等多方面的要求，以充分发挥FRP比强度高的优点，经济地使用材料。(7)易于成型。FRP杆的成型根据成型条件和设计要求，可以采用手糊、缠绕、拉挤、模压等工艺。(8)维护性好。FRP杆塔由于耐久性好，其本上是一种免维护的结构。这
6、对保障线路安全和降低输电线路的维护成本很有意义。(9)环境性能好。FRP在使用过程中无毒害作用，对环境影响小，报废后可回收利用。可在树脂基体中加入颜料糊，可以生产出任意色彩的FRP杆，使输电线路更为美观，从而增强其环境适应性。FRP杆还具有良好的防撞和抗冲击性能及耐细菌性能。在特殊地区，还可以有效地防止塔材盗窃等人为外力破坏。因此，FRP杆比传统的电杆具有更好的综合性能，通过合理的设计，FRP杆完全可以满足输电线路对杆塔结构的各项性能要求。从制造工艺方面看，FRP己经在我国其它工业部门得到广泛的应用，已基本具备复合材料电杆的制造能力。3 FRP在杆塔结构中的研究与应用FRP性能优良，主要以钢材
7、的替代材料的形式应用于输电杆塔中。采用FRP的电杆可以提高结构强度，延长结构使用寿命，缩短电杆的更换周期，并降低杆塔运行成本。同时由于FRP杆绝缘性能好，也可使输电线路走廊更加紧凑，从而节约线路走廊费用，并减小输电线路对环境的影响。FRP在架空电杆中的应用主要有以下几种式。3.1纤维增强混凝土(FRC)杆FRC杆有两种主要形式。一种是以非连续短纤维作为混凝土增强纤维材料，另一是以连续FRP筋材作为钢筋的替代材料.由于混凝土电杆受力工况复杂，混凝土为脆性材料，抗拉性能差，容易开裂，从而导致内部钢筋的锈蚀。同时，混凝土电杆的保护层一般比较薄，混凝土容易碳化，失去对内部钢筋的保护作用，同样会导致混凝
8、土内钢筋的锈蚀。而钢筋锈蚀产物体积膨胀，进一步加剧混凝土的开裂直至破坏。因此，钢筋锈蚀和混凝土开裂是混凝土杆的两大缺点。在混凝土中加入杜拉纤维或碳纤维等短纤维，代替钢纤维作为混凝土的增强材料，可以提高混凝土杆的强度，增强其抗裂与抗冻性能.尤其在我国北方高寒地区，FRC杆可以大大提高其抗冻融循环作用的能力。FRP筋材耐腐蚀，是混凝土增强筋的理想替代材料，尤其在盐腐蚀比较严重的盐渍土地区，采用FRP筋能有效地改善混凝土电杆的抗腐蚀能力。由于FRP抗拉强度高，FRP筋也非常适合作为预应力混凝土杆的预应力筋。我国已开发了FRC杆，并对其进行了试验研究，而FRP筋混凝土杆目前还处于研究开发中。3.2 F
9、RP杆塔FRP杆在40多年以前己有研究，但当年主要是树脂基玻璃纤维(GFRP)杆，其树脂一般以环氧型树脂为基体材料，采用拉挤成型工艺，成本较高，抗老化性能差，寿命短，未能在实际工程中得到广泛应用。随着树脂和纤维材料性能的改进和FRP制造技术的进步，FRP杆重新受到世界各国输电行业的重视。新型FRP杆在基体树脂中添加了抗老化成分，以碳纤维和玻璃纤维的混杂纤维作为增强材料，采用缠绕成型工艺进行生产，材料性能得到提高，成本也己大幅降低。这种缠绕型低成本ACM杆在美国己经投入使用，其输电塔也已研制成功。我国在20世纪50年代也开发过GFRP杆，但由于性能较差未能得到推广应用。目前我国也正在研究开发拉挤
10、成型的GFRP杆。FRP杆的设计较木质杆和混凝土杆复杂，一般应满足强度、抗变形、抗剪、抗疲劳等综合力学性能要求。变形量大小决定于FRP中纤维方向和纤维用量的大小；而强度则通过纵向纤维满足抗弯曲荷载和抗受压屈曲失稳的要求：抗剪性能通过以一定倾斜角度进行缠绕的纤维来满足；抗疲劳性能可以通过减小内应力和纤维之间的相互作用来实现。从结构的角度来讲，FRP杆的承载能力主要由结构刚度决定，而不由结构强度决定。因此，增强纤维的缠绕角度对杆的刚度影响较大，杆体的刚度由占80%的纵向纤维提供。横担、拉线、紧具等附件增大了结构荷载，在杆内产生较大的纵向压力。因此，应增加斜向的纤维以满足抗压屈失稳的要求。紫外线常常
11、造成结构表面的损伤和老化。由于这一原因，使得FRP杆不能在工程中广泛应用。事实上，紫外线对基体树脂的影响取决于紫外线的强度。新一代FRP杆在树脂中加入紫外线抑制剂进行处理，使其预期寿命可达80年之久。FRP杆的制造一般采用预浸纤维缠绕成型工艺进行生产，纤维缠绕角度及其纤维用量根据设计要求确定。这种生产工艺在国外已经用于架空线路杆塔的生产，我国目前还没有这种生产工艺。FRP杆由于其优良的综合性能己经在欧美和日本得到应用，其中研究开发和应用最为成熟的是美国。由于美国环保署已做出严格限制对木质杆进行化学方法处理的规定，加上木质杆的其它缺陷，FRP杆在美国己成为传统木质电杆的理想替代品.因此，美国各大
12、输配电公司对FRP杆表现出浓厚的兴趣，各FRP制造企业也积极研制开发出各种FRP杆。Strongwell公司、Shakespear公司、Newmark公司等FRP制品厂家都开发了自己的FRP杆产品，并得到了比较广泛的应用。CTC公司主要研制FRP输电导线，但也开发了FRP输电塔。目前，美国已制定了相关的产品标准，美国土木工程师学会也己经制定了输电杆塔中FRP产品的应用标准。而同在北美的加拿大，对FRP杆应用的兴趣却没有美国浓厚，其主要原因在于对FRP杆抗紫外线老化性能缺乏信心。我国在20世纪50年代对GFRP杆进行过研究，但由于当时的材料性能和制造工艺方面的原因，还不能满足输电杆塔所要求的一些
13、性能指标，因此，未能得到推广使用，电力行业和各FRP制品研究开发与生产单位也未对FRP杆产品给予足够的重视。近些年，由于老旧输电线路中传统混凝土电杆耐久性差的缺陷逐步显露出来，电力行业对FRP杆也表现出了一定的兴趣。因此，输电杆塔制造厂家也开始了在我国输电工程中应用FRP杆的探索性研究。3.3电杆的加固修复纤维布或预成型板等片材、FRP筋材和型材等是良好的结构加固修复材料，最近10年在建筑与桥梁等土木工程结构加固修复中得到广泛应用。玻璃纤维布或碳纤维布的结构适应性和材料性能优良，施工方便，是架空输电线路杆塔结构加固修复的理想材料。美国和加拿大正在开发木质杆的FRP加固修复技术，我国也己研究开发
14、了玻璃纤维和碳纤维布加固修复混凝土杆的技术，并己在电网改造中得到比较广泛的应用。4 FRP在我国输电杆塔中的应用前景电杆在架空线路工程中的应用非常广泛，数量巨大，其市场需求的潜力非常可观，全世界仅北美和欧洲的年市场需求量就达190亿美元。随着我国经济的高速发展，电力需求愈来愈大，电力供应日趋紧张。为解决我国的电力能源配置问题，我国正在实施1000 kV特高压输电、西电东送，和全国联网战略以及新一轮的城乡网改造等重大工程，这些工程迫切需要研究开发低成木高性能的输电杆塔结构。因此，FRP杆在输电工程中将有着广阔的应用前景。目前，从需求和技术的角度来看，FRP杆塔应用于我国输电行业的条件己基本成熟。
15、但制约这种新材料输电杆塔的主要因素，是其初期投入成本较高以及材料抗老化性能在短时间内还难以得到证实等。但如果从杆塔结构在减轻质量、降低基础成本以及运行维护的全寿命过程方面进行成本分析，不难看出FRP杆的性价比具有明显的优越性。4.1几种材料电杆的性能与经济指标比较在输电线路的经济分析中，通常注重建设期间的费用投资，往往忽视了结构全寿命过程费用(Life Cycle Cost,LCC)的分析，这里主要指线路杆塔的维护费用。随着经济、技术与管理的发展，人们越来越倾向于采用包括运行维护在内的结构全寿命过程的经济、技术以及环境影响等综合指标来评价架空输电线路杆塔结构。随着输电网建设规模的不断扩大，输电
16、线路结构的运行维护问题将日益突出，线路结构的综合费用效益分析将逐步受到重视。为保证供电可靠性，输电线路应尽可能采用在使用期内免维护或少维护的电力设施。由于木质杆和FRP杆目前主要应用于美国，因此，表中成本以美元为货币计算单位，按美国标准5类10.16 m(40英尺)长的电杆进行比较。表中成本计算不含建设和维修期间的运输、安装和报废处理成本。结构质量是结构经济性的重要指标之一。FRP杆塔比木质杆、混凝土杆和钢管杆质量轻，可以大幅降低运输成本和施工人工成本。FRP架空线路电杆基本不需要维护，寿命长达80年,其优良的维护性能是其它材料无法相比的。从表1可以看出，FRP杆与目前广泛应用的各种材料杆相比
17、，尽管首次投入成本较高，但其综合性价比要优越得多。4.2应用FRP杆塔应考虑的一些特殊问题输电线路跨越距离长，长期处于各种复杂的自然环境和气象条件下，输电杆塔必须满足强度、刚度、抗疲劳、耐久性等性能要求。同时，输电杆塔作为输电导线的支撑结构，必须满足必要的电气性能要求。因此，FRP杆塔在用于输电线路时有以下几个问题需要特别注意：(1)刚度问题。由于FRP弹性模量在25-50GPa之间，与混凝土相近，但比钢材低得多，因此，受弯曲荷载作用下变形较大。杆塔过大的变形将影响输电线的电气安全距离。因此，应在设计过程中考虑电杆的刚度问题。(2)节点连接问题。节点连接是FRP应用于塔架结构的关键问题，应研究
18、开发有效的节点连接技术。(3)热稳定性问题。输电杆塔运行的环境一般比较恶劣，尤其在高热与高寒地区，树脂材料的热稳定性非常重要。(4)老化问题。输电杆塔老化破坏可能引起输电线路的停电事故。FRP杆的树脂基体受紫外线影响容易老化，这是制约FRP杆应用的重要因素。(5)环境问题。FRP杆尽管是一种性能优越的产品，但FRP的生产和报废处理面临一定程度的环境污染问题，因此，在对待FRP杆时，宜视其为盐渍土地区、沿海地区、山区、高寒高湿和人为破坏严重地区等特殊地区传统输电杆塔的理想替代产品。5结语随着电力输送对新型杆塔结构需求的增长以及FRP原材料和生产工艺的不断改进，FRP杆的结构性能将不断提高，结构质量和成本将进一步降低，其技术性能、经济性、环境影响等综合效益将得到充分体现。可以预言，FRP将逐渐在架空输电线路杆塔中得到广泛的应用。
