上海玻璃鋼研究院有限公司 柳偉鈞張錦南王強(qiáng)華

1輸電線路桿塔介紹
輸電線路桿塔(Supporting structure of transmission line, pole & tower )是支承架空輸電線路導(dǎo)線和架空 地線并使它們之間以及與大地之間保持一定距離的 桿形或塔形構(gòu)筑物。世界各國(guó)輸電線路桿塔一般采 用鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。通常對(duì)木和 鋼筋混凝土的桿形結(jié)構(gòu)稱為桿，塔形的鋼結(jié)構(gòu)和鋼 筋混凝土煙囪形結(jié)構(gòu)稱為塔。不帶拉線的桿塔稱為 自立式桿塔，帶拉線的桿塔稱為拉線桿塔。
在城市及城郊的220 kV及以下電壓的線路中， 考慮到外形美觀與環(huán)境協(xié)調(diào)以及施工和維護(hù)簡(jiǎn)便, 廣泛采用斷面為等多邊形(有8、12及16邊等)的 單柱鋼管電桿，這類桿型由每節(jié)長(zhǎng)8~12m的數(shù)節(jié)桿 段組成，桿段之間一般采用插入式連接，也有一些 采用法蘭盤連接，整個(gè)結(jié)構(gòu)采用鍍鋅防腐，圖1所 示是一種較為典型的110 kV雙回路鋼管電桿。單柱 型塔用單個(gè)柱體來支持導(dǎo)線及架空地線的桿塔，常 用于單根架空地線及導(dǎo)線呈三角形排列的情況，如 圖2所示。它適用于110 kV及以下電壓級(jí)的電力線 路，常采用打拉線方式維持其穩(wěn)定，具有較好的經(jīng) 濟(jì)指標(biāo)。
對(duì)于220 kV及以上電壓等級(jí)輸電線路，常用塔 型有酒杯型塔、貓頭型塔、干字型塔等，有較好的 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，干字型塔在中國(guó)通常是220kV及以上電 壓等級(jí)輸電線路的常規(guī)型塔。其他形狀的塔桿還包 括克里米亞型、上字型、門型、懸鏈型等，它們具有 不同的特點(diǎn)和功能，適用于不同的實(shí)際輸電應(yīng)用。
國(guó)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(chǎng)的美加地區(qū)，現(xiàn)有電桿采用的主要是木 材，在美國(guó)只有俄勒岡州使用混凝土桿?；炷粱?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(guó)家。鐵 塔是世界各國(guó)超高壓輸電線路中常用的桿塔型式。
我國(guó)基本不再使用木質(zhì)桿，混凝土桿以前在 35-110 kV線路上大量使用，在新建及330 kV以下 線路運(yùn)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220 kV及以上的線路 中，多采用格架式鐵塔。

2傳統(tǒng)桿塔存在的問題
傳統(tǒng)的輸電線路桿塔普遍存在質(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(yùn)輸和運(yùn)行維護(hù)困難，容易出現(xiàn)各種安全隱患。歸 納起來主要有以下幾個(gè)問題：
（1） 腐蝕：木桿受腐蝕因素影響，平均壽命為 30年。木桿維修費(fèi)用為每桿每5年35美元，并且一 旦腐蝕開始就會(huì)持續(xù)進(jìn)行直至失去強(qiáng)度。木桿的維 護(hù)主要用雜芬油類的防腐劑，這種防腐劑被認(rèn)為是 一種危險(xiǎn)的廢料，極大影響了環(huán)境。在美國(guó)，每1根 電桿造成污染的環(huán)保復(fù)原費(fèi)用達(dá)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。
（2） 安裝成本：傳統(tǒng)電桿的安裝費(fèi)用問題在于 偏遠(yuǎn)地區(qū)缺少運(yùn)力和運(yùn)輸設(shè)備來搬運(yùn)沉重的鋼桿、 木桿，水泥桿重量太大，造成運(yùn)輸與安裝費(fèi)用比其 他材料更高一籌。有時(shí)為了安裝到位甚至還需要鋪 設(shè)專門的道路來運(yùn)輸，這使得費(fèi)用進(jìn)一步提高。
（3） 事故與其他問題：長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：不 同電壓等級(jí)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。
3復(fù)合材料桿塔的技術(shù)優(yōu)勢(shì)
復(fù)合材料桿塔是以玻璃纖維等為增強(qiáng)材料，以 環(huán)氧、聚氨酯等樹脂為基體材料，通過纏繞或拉擠 成型工藝，制成復(fù)合材料桿塔。其優(yōu)勢(shì)主要在集中 在以下幾方面：
（1） 安裝、維護(hù)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(yùn)輸和 施工安裝成本，尤其是在人難以到達(dá)的山林和偏遠(yuǎn) 地區(qū)。復(fù)合材料電桿的輕質(zhì)特點(diǎn)使其可用直升機(jī)運(yùn) 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(hù)或低維護(hù)結(jié)構(gòu)，這對(duì)保障線 路安全和降低輸電線路的維護(hù)成本很有意義。
（2） 環(huán)境適應(yīng)性好
復(fù)合材料桿塔對(duì)酸、堿、鹽及有機(jī)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(duì)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
利用復(fù)合材料桿塔代替?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(shí)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(jì)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。
總之，復(fù)合材料桿塔比傳統(tǒng)的桿塔具有更好的 綜合性能，通過合理的設(shè)計(jì)，復(fù)合材料桿可以滿足 輸電線路對(duì)桿塔結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能要求。
4國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料桿塔的應(yīng)用情況
4.1國(guó)外復(fù)合材料桿塔應(yīng)用研究概況
輸電線路復(fù)合材料桿塔由于其優(yōu)良的綜合性 能已經(jīng)在歐美獲得應(yīng)用，其中研究開發(fā)和應(yīng)用最為 成熟的是美國(guó)。美國(guó)各大輸配電公司對(duì)復(fù)合材料桿 塔表現(xiàn)出濃厚的興趣，各制造企業(yè)也積極研制開 發(fā)出各種復(fù)合材料桿。美國(guó)的Ebert Composites公 司、Powertrusion Composites 公司、Shakespear 公司、 North Pacific公司和CTC公司等制品廠家都開發(fā)了 自己的復(fù)合材料桿產(chǎn)品，并申請(qǐng)專利，獲得了比較 廣泛的應(yīng)用。如圖6?圖9所示。

圖6 Ebert Composites公司的復(fù)合電桿
圖7 CTC公司研究設(shè)計(jì)的 復(fù)合電桿示意圖
圖8 powertrusion公司研制的 復(fù)合電桿
圖9復(fù)合材料電桿的野外施工

加拿大的RS公司是一家先進(jìn)復(fù)合材料的開發(fā) 商，它研究開發(fā)了獨(dú)特設(shè)計(jì)的復(fù)合材料桿塔（見圖 11、圖12）,具有重量輕和安裝方便的特點(diǎn)，被南加 州愛迪生公司的“未來電路”項(xiàng)目選中,該項(xiàng)目是美 國(guó)最先進(jìn)的近傍電力線路。采用的聚氨酯樹脂體系 具有創(chuàng)新性，比常規(guī)不飽和聚酯樹脂加工的復(fù)合材 料有更大的強(qiáng)度、耐沖擊力和較大比強(qiáng)度等優(yōu)勢(shì)。
1996年，美國(guó)公司和圣地亞哥煤氣電力公司 （SDGE ）以及南加利福尼亞愛迪生公司（SCE ）合作， 針對(duì)南加利福尼亞海濱奧德比奇的一條22萬線路, 開發(fā)了三基復(fù)合材料格構(gòu)式輸電塔，但是否真正通 電運(yùn)行有待考證。
荷蘭Movares工程咨詢公司2005年完成了荷蘭 電網(wǎng)一條1.5公里380/150kV試驗(yàn)線路的方案設(shè)計(jì), 該方案旨在利用復(fù)合材料桿塔的電氣絕緣性能以 改善輸電線路電磁場(chǎng)對(duì)環(huán)境的影響。該項(xiàng)目曾一度 受到歐盟重視。Exel Compsites國(guó)際集團(tuán)（分部主要 在澳大利亞、奧地利、比利時(shí)、芬蘭、德國(guó)、英國(guó)） 針對(duì)電網(wǎng)應(yīng)用實(shí)際情況研制了復(fù)合材料桿塔，集團(tuán) 成立了專門的部門進(jìn)行市場(chǎng)運(yùn)作。意大利TopglassComposites公司也生產(chǎn)了復(fù)合材料桿結(jié)構(gòu)，并且已 經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商品產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用于路燈。

圖10 Shakespear公司研制的

圖11 RS公司生產(chǎn)復(fù)合電桿

圖12 RS公司生產(chǎn)不同規(guī)格復(fù)合電桿

圖13美國(guó)220 KV復(fù)合材料格構(gòu)式輸電塔

圖14南加州愛迪生公司建造的115 kV復(fù)合輸電桿

從Shakespear公司的綜述報(bào)道來看，1954年就有 復(fù)合材料電桿制造，同時(shí)也進(jìn)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(guó)Ebert Composites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(yàn)桿塔，試驗(yàn)環(huán)境位于高鹽污染地區(qū)的 南加利福尼亞海濱。運(yùn)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(bào)告表明，投運(yùn) 最初7個(gè)月以后運(yùn)行正常，沒有發(fā)現(xiàn)明顯放電痕跡, 也沒發(fā)現(xiàn)機(jī)械損傷和電氣損傷。Shakespear玻纖產(chǎn) 品公司1993-1995年相繼研制成功復(fù)合材料配電 桿及輸電桿，符合公用電工業(yè)的所有機(jī)械和電氣標(biāo) 準(zhǔn)，首批架設(shè)的5000根用于美國(guó)山區(qū)的主配電協(xié) 同，該地區(qū)冬季雪量可能超過3 m厚，積雪期達(dá)6 周，風(fēng)速可達(dá)33m/s。
圖6、7中展示的FRP桿最長(zhǎng)可達(dá)27.84 m,底 部直徑為619 cm,重量為611.5 kg。適用于110 kV 及以下電壓等級(jí)的輸電線路。另外，由于復(fù)合材料 質(zhì)的輕質(zhì)特性，對(duì)于復(fù)雜的地形條件，其還可采用 直升機(jī)運(yùn)輸?shù)姆绞剿偷种付ㄋ弧?br /> 從成本方面來看，國(guó)外針對(duì)電桿全壽命過程成 本（LCC）進(jìn)行分析，顯示了復(fù)合材料桿塔雖然初期 投入成本較高，但使用壽命超過其他類型的桿塔, 并且不需要維護(hù)成本，所以復(fù)合材料桿塔的全壽命 成本占有優(yōu)勢(shì)。
表1不同材料電桿的全壽命過程成本（LCC）比較
材料類別 使用壽命/ 年 建設(shè)成本/ 美元 維護(hù)成本/ 美元 年平均成本/ 美元
木質(zhì)桿 30 250 210 15
鋼管桿 35 260 245 14
混凝土桿 35 350 245 17
復(fù)合材料桿 80 900 0 11

隨著應(yīng)用范圍的加大，目前，美國(guó)已制定了相 關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。歐美等國(guó)的成功經(jīng)驗(yàn)證實(shí)了復(fù)合材 料在輸電桿塔領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，同時(shí)也為其在我 國(guó)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
4.2國(guó)內(nèi)復(fù)合材料桿塔研發(fā)和應(yīng)用概況
我國(guó)的復(fù)合材料桿塔研究屬于剛剛起步。在 20世紀(jì)50年代曾對(duì)玻璃鋼復(fù)合材料桿進(jìn)行過研 究，但由于當(dāng)時(shí)的材料性能和制造工藝的限制，還 不能滿足輸電桿塔所要求的一些性能指標(biāo)，因此, 未能得到推廣使用。近些年，由于傳統(tǒng)混凝土電桿 耐久性差的缺陷逐步顯露出來，電力行業(yè)對(duì)復(fù)合材 料桿塔也表現(xiàn)出了一定的興趣。輸電桿塔制造廠家 開始了在我國(guó)輸電工程中應(yīng)用復(fù)合材料桿塔的探 索性研究。
溫嶺市電力絕緣器材有限公司自1995年開始 研究復(fù)合材料，研制成功了22。kV及以下?lián)屝匏?（門形、帶拉線）、110 kV復(fù)合材料橫擔(dān)和桿頭，其 中搶修塔已經(jīng)進(jìn)行了多項(xiàng)電氣和物理性能試驗(yàn)，并 在工程中得到應(yīng)用。
2006年鞍山鐵塔開發(fā)研制中心與鞍山鐵塔廠 合作，在遼寧省電力公司立項(xiàng)研制高強(qiáng)度復(fù)合材料 桿塔。采用了兩段插接八邊形20 m長(zhǎng)桿，端部加載 3 t情況下，桿頂撓度為2 m。
2007年，國(guó)網(wǎng)武漢高壓研究院研制成功了 10 kV線路防雷擊及污閃的絕緣塔頭和橫擔(dān)。
南方電網(wǎng)的廣東電網(wǎng)公司于2007年針對(duì)復(fù)合材 料桿塔的應(yīng)用研究進(jìn)行了立項(xiàng)，項(xiàng)目選用了加拿大 RS公司的復(fù)合材料桿塔，其力學(xué)真型試驗(yàn)在中國(guó)電 力科學(xué)研究院進(jìn)行。同時(shí)，項(xiàng)目開展了包括電氣性 能、機(jī)械性能、老化性能等關(guān)鍵性問題在內(nèi)的研究。
江蘇南通神馬電力科技有限公司研制的復(fù)合絕 緣橫擔(dān)，已于2009年12月在連云港220 kV茅薔線 投入試運(yùn)行，其各項(xiàng)性能指標(biāo)有待進(jìn)一步的觀察。
北京玻璃鋼研究設(shè)計(jì)院也在玻璃鋼桿塔進(jìn)行了 研發(fā)，并開發(fā)出桿塔樣品在幾條線上進(jìn)行試用。
2009年6月，國(guó)家電網(wǎng)公司基建部組織了 “復(fù) 合材料桿塔項(xiàng)目啟動(dòng)會(huì)”，中國(guó)電力科學(xué)研究院、國(guó) 網(wǎng)電力科學(xué)研究院與各省電力公司與設(shè)計(jì)院、材料 廠家密切配合，選取了典型環(huán)境的試點(diǎn)工程，全面 開展了復(fù)合材料桿塔的基本材料性能、老化性能 （酸、堿、鹽、紫外老化特性等）、電性能、淋雨、防 覆冰材料、真型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與構(gòu)件連接技術(shù)試驗(yàn)、防 雷接地試驗(yàn)等，并在部分試點(diǎn)工程線路上進(jìn)行復(fù)合 材料桿塔/復(fù)合材料絕緣橫擔(dān)構(gòu)件運(yùn)行試驗(yàn)，圖15~ 圖18。

圖15復(fù)合材料絕緣橫擔(dān)應(yīng)用

通過國(guó)網(wǎng)試點(diǎn)工程的應(yīng)用試驗(yàn)，清楚地認(rèn)識(shí) 到，輸電線路跨越距離長(zhǎng)，長(zhǎng)期處于各種復(fù)雜的自 然環(huán)境和氣象條件下，輸電桿塔必須滿足強(qiáng)度、剛 度、抗疲勞、耐久性等性能要求。同時(shí)，輸電桿塔作 為輸電導(dǎo)線的支撐結(jié)構(gòu)，必須滿足必要的電氣性能 要求。因此，將其應(yīng)用于輸電桿塔中還存在以下瓶 頸及制約，需要給予極大的關(guān)注：(1)材料剛度/桿 體撓度問題。(2)節(jié)點(diǎn)連接問題/防雷接地與疲勞、 可靠性。(3)熱穩(wěn)定性問題/自然老化問題。(4)回 收/環(huán)境問題。(5 )成本問題。國(guó)家電網(wǎng)公司擬進(jìn)一 步開展復(fù)合材料在輸電桿塔上的應(yīng)用研究，解決應(yīng) 用瓶頸問題。
目前，風(fēng)范股份研發(fā)的絕緣復(fù)合材料鋼塔已在 國(guó)家電網(wǎng)示范工程，江蘇連云港供電公司220 kV茅 薔線改造工程中投運(yùn)。如果復(fù)合材料桿塔老化試驗(yàn) 方法及裝置項(xiàng)目在一年后通過專家驗(yàn)收，則從實(shí)驗(yàn) 室走出的復(fù)合材料桿塔可以廣泛應(yīng)用于輸電網(wǎng)絡(luò), 公司復(fù)合材料桿塔有望實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
5結(jié)束語
玻璃鋼/復(fù)合材料本身具有的技術(shù)性能優(yōu)勢(shì), 使復(fù)合材料桿塔比傳統(tǒng)的桿塔具有更好的綜合性 能，通過合理的設(shè)計(jì)，復(fù)合材料桿塔可以滿足輸電 線路對(duì)桿塔結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能要求。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的 高速發(fā)展，電力需求愈來愈大，電力供應(yīng)日趨緊張。 為解決我國(guó)的電力能源配置問題，我國(guó)正在實(shí)施一 系列特高壓輸電、電網(wǎng)改造等重大工程，這些工程 迫切需要研究開發(fā)低成本高性能的輸電桿塔結(jié)構(gòu)。 因此，復(fù)合材料桿塔在輸電工程中將有著廣闊的應(yīng) 用前景。
復(fù)合材料桿塔的開發(fā)成功需要在材料技術(shù)、結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、成型工藝和設(shè)備、試驗(yàn)技術(shù)等上取得 突破。在此基礎(chǔ)上，需要在國(guó)家電網(wǎng)公司的試點(diǎn)工 程應(yīng)用的引領(lǐng)下，通過電力設(shè)計(jì)單位及復(fù)合材料制 造單位的共同努力，實(shí)施復(fù)合材料桿塔的產(chǎn)業(yè)化和 大規(guī)模的應(yīng)用，其中風(fēng)險(xiǎn)與利益是共存的。