复合材料在输电线路的应用与建议

蒋声婴，梁 浩

（1.上海市电力公司电力经济技术研究院，上海 200002；2.上海电力设计院有限公司，上海 200025）

1 复合材料

1）复合材料的定义 复合材料（Composite materials）是指由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料，通过复合工艺组合而成的新材料，它既能保留原有组分材料的主要特色，又通过材料设计使各组分的性能互补并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一般材料的简单混合有本质的区别。按照基体的不同，主要分为金属基复合材料、树脂基复合材料及陶瓷基复合材料。复合材料经过多年的发展，已经成为与金属材料、无机非金属材料、高分子材料并列的四大材料体系之一。

2）树脂基复合材料的应用 树脂基复合材料也称为纤维增强塑料，是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。这类材料是用纤维及其织物增强热固性（或热塑性）树脂基体，经复合而成。以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料，俗称玻璃钢，目前已经形成产业。树脂基复合材料于1932年在美国问世，二次世界大战以后，这种材料迅速扩张到民用，各种新工艺、新技术、新产品不断涌现，质量不断提高，应用领域不断扩大，并逐步实现了机械化、自动化、规模化生产。1971年前，我国的热固性树脂基复合材料主要用于军工产品，20世纪70年代后期转向民用。到2009年，我国复合材料产量高达323万t，先后超过德国和日本，位居世界第二位，仅略低于美国水平。目前，我国生产的复合材料用的主材料基本配套，玻璃纤维与树脂的品质，不少已经达到国际水准，价格具有竞争力。

3）成型工艺 树脂基复合材料的成型方法较多，根据基体、增强材料的不同方法各异。主要有模压、层压、卷管、缠绕、手糊、喷射、树脂注射模塑（RTM）、拉挤成型及衍生出来的各种工艺。

2 复合材料在电缆线路的应用

2.1 高强度电缆支架

电缆支架是在变电站电缆层、电缆工作井（沟）、电缆隧道以及其他电力电缆构筑物中，用来支撑和固定电缆的支架，对电缆安装和运行有着十分重要的作用。长期以来，架设电缆均采用金属制电缆支架。传统金属支架在生产过程中资源和能耗大、工序多；在潮湿等恶劣环境条件下，传统金属支架易锈蚀，维护费用高、使用寿命短，影响设施的安全和无故障使用期。

目前，高强度复合材料电缆支架主要以模压工艺成型，如图1所示。

图1 高强度复合材料电缆支架

高强度复合材料电缆支架与镀锌角钢支架的主要技术经济性能比较，如表1所示［1］。

表1 两种电缆支架的技术经济性能比较

由表1可知，由热固性复合材料制作的电缆支架具有强度高、可设计性好；刚度大、不变形、耐腐蚀；防火性能优、绝缘性能好、使用寿命长等一系列的优点。

2.2 热固性电缆沟盖板

电缆沟盖板主要用于防止地下电缆受到外界的损伤，同时起到保护行人，美化城市或园区街道的作用。电缆沟盖板以往采用钢筋混凝土配合钢构件制作，重量大、易开裂、钢构件易锈蚀。如今使用复合材料制作的电缆沟盖板具有重量轻、加工灵活、易调节、易安装、易维修，不仅成本低而且不易被偷盗。由复合材料制作的圆型电缆沟盖板，如图2所示。

图2 复合材料圆型电缆沟盖板

2.3 玻璃钢电缆保护管

电缆保护管主要用于电力电缆穿越地面障碍物、城市道路、交通道口及特殊环境时的穿管敷设，对电缆起保护作用。玻璃钢电缆保护管具有高强度、重量轻、不变形、内表光滑、防腐蚀等优点，被广泛用于城市电网建设中。玻璃钢电缆保护管用于电力电缆穿越地面障碍物，如图3所示。

图3 玻璃钢电缆保护管的应用

总之，由于复合材料具有重量轻、强度高、表面光滑等特点，还可作为电力牵引绳、电缆穿管器等电缆施工工器具的制作材料，为取代传统的牵引钢丝绳、金属穿管器等器具，提供了很好的材料选择。

3 复合材料在架空线路的应用

3.1 复合材料低压输电杆

低压输电杆以往大多为木质杆、钢筋混凝土杆和钢管杆等，这些传统电杆存在许多弊端：木质电杆长期在水分侵蚀下容易腐烂，易受虫害和鸟害的侵扰，而且消耗木材资源；钢筋混凝土电杆的制作工艺复杂、重量重、制耗钢筋耗电大；钢管电杆虽然结构牢固、导电性好，但是电气尺寸较大，随着杆体高度的增加，其制作成本较高而且资源消耗较大。由复合材料制作的低压输电杆具有重量轻、强度大、绝缘性能好、耐腐蚀、耐紫外线、耐高温、防虫防鸟、防偷盗、环境适应性好等优点，得到越来越广泛的应用。由复合材料制作的低压输电杆，如图4所示。

图4 复合材料低压输电杆

3.2 复合材料输电格构塔

1）塔身构件 输电铁塔位于野外、郊区，污染、海盐离子、潮湿气候等因素，都会导致传统铁塔钢构件受蚀，不但使用寿命较短，而且维护成本较高。与传统的钢材相比，复合材料绝缘性好，不仅易于解决输电线路的风偏和污闪事故，还可减小杆塔高度及输电走廊宽度，具有环境友好、资源节约的优势。与同样尺寸的钢结构格构塔相比，塔重减轻20%以上，同时还可降低格构塔的运输和组装成本，尤其是复合材料格构塔具有耐腐蚀、强度大等特点，可降低输电线路的维护成本，如图5所示。

2）格构横担 横担用来安装绝缘子及金具，以支承导地线，并使之按规定保持一定的安全距离。采用复合材料格构横担作为高压输电线路支撑导线的绝缘部件，可以有效地减小输电走廊宽度，简化杆塔结构，方便安装，降低输电线路投资，对人口密集的城市电网改造和新建配电线路，具有良好的经济和社会效益。由复合材料制作的格构横担，如图6所示。

3.3 碳纤维复合芯导线

碳纤维复合芯导线具有高输送量、低弧垂、耐高温、自重轻、热膨胀系数小、比强度高等优异特性，可使导线在高温下稳定运行，从而提高输电量。碳纤维复合芯导线如图7所示，在上海电网的增容改造中已得到广泛的应用。

图5 复合材料输电格构塔

图6 复合材料格构横担

图7 碳纤维复合芯铝导线

3.4 复合材料绝缘子

复合材料绝缘子由玻璃纤维树脂芯棒、合成材料护套、伞裙和两端的连接金具组成，可有效减小横担长度和输电走廊宽度。2011年，上海电网500 k V练塘站220 k V出线工程中，首次在钢管电杆上应用220 k V复合绝缘子横担，在苛刻的输电走廊宽度下，满足了电气及工程施工要求。

3.5 复合材料间隔棒

用复合材料制造的相间间隔棒如图8所示，阻尼间隔棒如图9所示。由于用复合材料制造的间隔棒，具有良好的抗弯曲、抗冲击能力；防污能力强，防震和防脆性好；重量轻，安装方便，免维护，不需要人工清扫等特点，正在电力工程中推广应用。由于目前复合材料间隔棒的单价较贵，尚未普及。

图8 复合材料相间间隔棒

图9 复合材料阻尼间隔棒

4 制约复合材料应用的主要因素

1）成本 输电线路应用的复合材料产品，均具有维护成本低的特点，但是其制造成本与现在的传统产品相比，仍然偏高。其主要原因是产品模具的开发和原材料的成本较高。只有在原材料价格降低及产品能够大批量应用后，其成本才会有效减低。

2）技术规范 虽然国内复合材料产品从20世纪70年代已经应用，但是到迄今为止，输电线路复合材料产品的相关技术规范和标准仍是空白。这不仅制约了复合材料产品在输电线路工程设计中的应用，还制约了相关产业及技术的进一步发展。

3）材料特性 复合材料虽然具有轻质高强、耐腐蚀、轴向刚度大等一系列的优异特性，但由于其弹性模量较小，在相同荷载作用下，单柱截面的复合材料电杆侧向变形与传统钢筋混凝土电杆和钢管电杆相比相差较大，无法满足输电线路杆的使用要求。正因为以上原因，复合材料的输电单杆现仅应用于直线杆，转角杆由于侧向荷载较大导致侧向变形过大，尚无法在实际工程中使用。针对以上原因，对于单柱截面杆，优化柱截面的型式、添加刚度增强构件等手段来增加杆体刚度，这也是今后要攻克的技术难题。同时，由于复合材料所具的绝缘性，输电杆的接地方法也需要进一步研究。

4）连接 传统钢筋混凝土电杆、钢管电杆的连接节点刚度较大，能较好地抵抗变形并传递荷载，与之特性相比，复合材料杆件之间的连接难度较大。在保证可靠连接的基础上，如何较好地传递荷载并抵抗变形，不仅需要在工艺上深化革新，更需要在构造上加以完善。

5 结论与建议

1）复合材料是输电线路的一种新材料，适合的成型工艺主要有纤维缠绕、拉挤及其衍生工艺。

2）复合材料由于其材料特性方面的优异性能，已在电缆和架空线路上研发了多种适用产品，为输电线路新产品、新工艺的应用、新技术的开发，提供了坚实的材料基础及良好的应用前景。

3）与输电线路中复合材料产品的制备和应用相关的一系列关键技术问题，有待探索及解决。例如：快速低成本的制造技术；复合材料杆塔设计规范等相关技术标准的推出；复合材料高效节点连接技术的研究；复合材料电气性能的进一步提高；复合材料防老化技术及寿命评价等。

4）复合材料作为一种新型材料，其设计理论、设计思想和传统的金属材料有较大的区别。因此，不能简单地采用等强度或等刚度替换的设计，需要根据其应用环境、应力水平、功能需求等方面的因素综合设计，并进行结构功能一体化设计。

［1］ 李明，杨志萍，项佩中.玻璃钢电缆支架的推广应用［J］.电力与能源，2011，32（5）：421-423.