FRP复合材料杆塔横担研究应用现状及分析

朱岸明，杨大渭，刘云贺，马辉，王振山，郭宏超

（1. 国网陕西省电力公司，陕西 西安 710048；2. 西安理工大学 土木建筑工程学院，陕西 西安 710048）

随着社会经济的快速发展和科学技术的进步，人类生产和生活对电力需求剧增且对供电质量要求也越高，而输电网线在运行过程中始终存在风险，各种电网跳闸事故造成供电质量下降，甚至带来危及输电网线的安全。现有统计资料表明，每年架空输电线路总跳闸数中由于污闪和雷击引起的线路跳闸事故几乎占了60%以上，这对供电电网的安全稳定运行带来了长期的困扰和影响，特别在我国南方沿海雷电活动强烈和西北地区大气污染严重的地区，上述情况则更为严重[1-2]。架空输电网线是裸露在自然环境中一种人工建造物，其中杆塔结构是输电线路承受外荷载作用的重要组成部分，因此杆塔的结构性能好坏直接关系到输电网线的安全性和可靠性。根据杆塔使用材料的不同，目前杆塔的种类主要可分为以下几类：木质杆、钢筋混凝土杆、钢管杆、钢管混凝土杆以及预应力钢筋混凝土杆等。传统杆塔质量较重，且在外荷载和环境作用下已易开裂、锈蚀，甚至腐烂等，表现出较差的耐久性，造成杆塔的使用寿命减少。此外，传统杆塔的施工运输和运行维护较为困难，故在杆塔施工运输和运行维护方面需投入较大的人力和物力。国内外电力人员为寻求经济有效的解决途径，作了以下尝试如降低雷击跳闸率、优化杆塔设计、提高电网绝缘水平以及降低接地电阻等，虽然获得了一定的效果，但并未彻底解决上述问题。

随着新型材料的不断发展，特别是玻璃纤维与树脂FRP复合材料在制造技艺上的不断发展，复合材料强度高、质量较轻、加工简便、耐久性较好、绝缘性能好等优点尤为突出，己广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑工程以及电气工业等诸多领域[3-5]。鉴于此，用FRP复合材料替代传统杆塔材料来解决杆塔的存在问题是一种必然选择。此外，FRP复合材料杆塔可以减少绝缘子的使用，从而减少绝缘子污闪的发生。另外，由于FRP复合材料的绝缘性较好，从而削弱了杆塔构件之间电场的不均匀性，减小杆塔尺寸，实现线路造价降低和输送功率的增大。因此，FRP复合材料在杆塔结构具有广泛的应用情景。

1 FRP复合材料及其特点

所谓复合材料就是由两种或两种以上材料复合而形成的新型材料，该材料具有明显组成界面，能够充分发挥各组成材料的各自优势，并能获得各组成材料所不具备的性能[1-2]。纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，简称FRP）就是众多复合材料中一种，该复合材料主要由纤维和树脂组成的，树脂基体将纤维缠绕成整体复合材料。目前，国内外己研制了多种纤维增强复合材料，主要包括：碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、聚烯纤维、陶瓷纤维以及玄武岩纤维等[6]。

FRP复合材料中树脂基体主要是将纤维材料粘接在一起，使其均匀受力，并根据需要制成相应的构件。树脂是指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物，它具有化学性稳定、抗腐蚀能力强以及高合电性能，是一种良好的绝缘材料。此外，该材料具有高抗拉强度、质轻；变形能力和抗疲劳能力强，表现出良好的力学性能[1-2]。

生产工艺对FRP复合材料的物理力学性能具有较为显著的影响。不同加工工艺的FRP复合材料力学性能存在较大差别。目前常用生产工艺法主要有缠绕成型法、拉挤成型法和模压成型法。在输电复合材料杆塔中，主材一般采用缠绕成型工艺，而辅材采用拉挤成型工艺。另外，FRP复合材料连接部位设计也是复合杆塔结构设计的重点。目前FRP复合材料构件主要采用胶接、螺栓连接、螺栓-胶接混合连接和设置预埋金属件4种连接方式。其中，螺栓连接和胶接方式应用最为广泛[6-13]。

综合上述可知，FRP复合材料具有优良的力学性能，加工成型工艺成熟，且连接方式简便灵活，再加上其耐腐蚀和电绝缘性好，故该种复合材料在输电杆塔结构中具有推广价值。事实上，国内外相关公司和研究学者已积极开展复合材料杆塔的研究应用工作。

2 复合材料杆塔横担研究应用现状

2.1 复合材料杆塔应用状况

2.1.1 复合材料杆塔国外应用现状

由于具有良好的综合性能，复合材料杆塔已在欧美等西方发达国家得到了一定推广应用，尤其美国在该方面的研究应用最为成熟。美国研制开发了多种复合材料杆，例如美国Ebert Composites公司、Powertrusion Composites公司以及Shakespear公司等公司均研发了各自复合材料杆塔产品，如图1～图3所示。1996年，Ebert 公司研制的复合材料杆塔在加利福尼亚奥蒙德比奇发电站得到了推广应用，运行结果表明，这些复合材料杆塔直至2000年仍能保持较好的稳定性能。1993年～1995年，Shakespeare公司研制的复合材料输电杆及配电杆应用于美国山区输电杆塔结构中。加拿大RS公司开发研制了独特设计的复合材料杆塔，如图4所示。该复合材料杆塔具有质轻高强、耐冲击力、绝缘性好以及施工方便等优点，被美国南加州爱迪生公司的“未来电路”输电网线项目选中。另外，2005年，荷兰Movares公司设计完成了荷兰电网一条长1.5 km的380/150 kV试验线路项目，该方案旨在利用复合材料杆塔的电气绝缘性能以改善输电线路电磁场对环境的影响[1-6]。

图1 Ebert复合材料电杆Fig. 1 Ebert composite material towers

图2 Powertrusion复合材料电杆Fig. 2 Powertrusion composite material towers

图3 美国220 V及115 V复合材料输电杆Fig. 3 Composite material towers of 220V&115V in USA

图4 加拿大RS公司复合材料电杆Fig. 4 RS composite material towers in Canada

2.1.2 复合材料杆塔国内应用现状

1995年，温岭市电力绝缘器材有限公司成功研制了220 kV、110 kV复合材料横担和杆头及抢修塔等，其中复合抢修塔已经进行了多项物理性能和电气试验，并在实际电网工程中得到应用。2006年，鞍山铁塔开发研制中心和辽宁省电力公司联合研发了高强度复合材料杆塔，采用两段插接八边形20 m长杆，端部加载30 kN作用下，杆顶挠度为2 m。2007年，广东电网公司项目选用了加拿大RS公司的复合材料杆塔，并对其进行力学真型试验研究。此外，该项目还开展了包括机械性能、电气性能、老化性能等关键问题的研究。2009年，国家电网公司基建部选取了典型环境的试点工程，开展了复合材料杆塔的材料性能、电性能、老化性能、防覆冰材料、等试验、连接技术以及防雷接地试验等研究，并在试点线路上进行了复合杆塔及复合横担运行试验，如图5所示[1-3]。目前，国内多家企业如鞍山远达电网工程有限公司、江苏神马电力股份有限公司、常熟风范电力设备股份有限公司等对复合材料输电杆塔及横担具有生产加工能力，并应用于实际工程当中，如图6～图7所示。

图5 复合材料杆塔真型试验Fig. 5 Real-type test of composite material poles and towers

图6 带内衬套管连接及复合横担Fig. 6 Casing connection and composite cross arms

图7 江苏神马电力股份有限公司复合材料横担Fig. 7 Composite cross arms made by Jiangsu Shenma Electric Power Co.，Ltd.

上述国内外复合材料杆塔横担的研究应用情况，为复合材料输电杆塔的进一步推广应用奠定了坚实的基础，特别是我国已有多家企业具备复合材料输电架生产加工能力，这为该复合材料输电杆塔在我国的推广应用提供了强有力的物质支撑。

2.2 复合材料杆塔横担设计研究

从现有研究结果可知[14]，复合材料横担主要有三种设计形式，归纳如下：

1）杆塔型式。依据输电线路导线布置方式，为尽量简化构造，复合材料杆塔可选择“门型”塔和“上字型”两种。由于“上字型”杆塔具有节点容易处理、构造简单以及节省线路等优点，目前采用“上字型”的复合材料杆塔应用较多。该类型杆塔横担部分采用复合材料，而塔身采用传统钢结构，复合杆塔构件之间采取螺栓进行连接。

2）悬垂串长设计。现有研究结果表明，由于复合材料横担的绝缘性能，当采用复合材料横担时，横担和导线之间可不采用悬垂绝缘子串，从而可以减少输电杆塔塔头风偏放电故障，保证了输电网线的安全可靠运行。

3）最小塔头设置。为尽量简化复合材料横担的构造，采用“上字型”复合材料杆塔时，将传统水平排列的导线布置方式改成三角排列方式，进而达到简化输电杆塔塔头构造的目的。

2.3 复合材料杆塔横担受力性能研究

在输电杆塔中，横担是一个十分重要的组成构件，它是电网输电杆塔中各向导线连接的重要部位，是确保电网正常安全运行的前提条件。由于FRP复合材料的物理力学性能特点，复合材料被用于制作复合横担是其应用的必然选择。事实上，目前复合材料横担已经在实际工程得到了一定的应用，相关学者对复合横担的受力性能及计算方法进行了一定的研究，现归纳如下。

徐欣等人[15]完成了110 kV不挂绝缘子复合材料横担的设计和制造工作，并实现安全挂网运行，FRP材料参数如表1所示。结果证明，该复合横担改变了传统横担需要悬挂绝缘子的特点，降低了风偏放电的风险，改善了硅橡胶伞裙绝缘横担不可走人，易受虫鸟侵蚀的缺点，同时又不像瓷绝缘横担那样容易脆裂受损。结合光老化、中性盐雾老化、湿热老化、水浸泡、高低温循环试验、超低温试验结果，表明该复合横担具有较好的耐老化性能。

表1 FRP 材料性能参数Tab. 1 FRP material performance parameters

王军等人[16]研制了110 kV输电线路杆塔绝缘横担，测试结果表明，采用绝缘横担替代原钢质横担，提高了对地和对交义跨越物的安全距离，增强了架空输电线路的安全可靠性，从而降低输电线路改造维修成本。

柳欢欢等人[17]提出了一种复合材料输电杆塔的设计方法，对杆塔底径、锥度以及厚度等进行了优化设计，使杆塔满足设计要求且质量最轻。利用ANSYS软件建立了110 kV复合杆塔计算模型，并通过杆塔真型试验验证了该模型的合理性，杆塔挠度计算值与实侧值误差范围在0.04%～7.8%之间。

曹宁[1]对110 kV输电线路复合材料杆塔进行了应用研究。通过试验方法研究了复合材料的基本物理力学性能、机械连接特点以及电气性能。在此基础上，分析了复合材料杆塔在高压输电线路中的推广价值和应用前景。

迟兴江[6]提出了110 kV输电线路新型绝缘杆塔的设计方案，分别设计了门型和上字型这两种杆塔塔型。建立该新型绝缘杆塔的仿真模型，通过有限元计算得到绝缘杆塔对地l m处的场强和导线表面场强，对比分析了绝缘杆塔和钢结构杆塔的电气性能，结果表明新型绝缘杆塔电气性能优于钢结构杆塔，并对新型绝缘杆塔进行了优化设计。

王晓丽等人[18]对220 kV架空输电线路复合绝缘横担的应用进行了研究，分别介绍了复合绝缘横担设计方案、数值仿真模拟、试验研究以及施工全过程等。这是我国复合绝缘横担首次应用于220 kV架空输电线路中，为复合材料横担在高压输电线路中应用奠定一定的基础。

左玉玺等人[19]通过电气试验（如图8所示）和有限元模拟（如图9所示）对750 kV输电线路复合材料横担进行了研究，验证了复合横担具有良好的绝缘性能和耐久性，可满足实际工程需要。通过经济性分析，表明复合材料横担具备良好的经济效益，具有广阔的应用前景。

图8 复合横担人工污秽试验Fig. 8 Artificial contamination tests of composite cross arms

图9 电场有限元计算电位分布曲线Fig. 9 Computing potential distribution curve of electric field finite element

施荣等人[20]对750 kV输电杆塔复合横担选型及承载力进行了研究。通过力学知识对复合横担进行了承载力计算，并与试验结果进行对比，表明计算结果与试验结果吻合较好，验证了该复合横担塔设计较为合理，可为其推广应用提供依据。

杨熙等人[21]对750 kV输电线路复合横担均压特性进行了研究。通过有限元计算分析了不同设计方案下复合横担的电场分布和电位规律，研究了横担端部及中间法兰配置屏蔽环、均压环对复合横担电位分布的影响程度（如图10～11所示），表明取消悬垂串、增加横担长度且配置均压屏蔽装置的复合横担电位分布优于普通直线杆塔横担。实际运行测试表明，复合横担电气性能良好，满足设计要求。

孙强等人[22]对750 kV复合横担连接节点受力进行了计算分析。该复合横担节点采用套筒式连接方式，该连接节点设计既要保证足够承载力，又要满足电气性能要求。在此基础上，对复合横担端部节点进行有限元计算，分析了胶装高度处胶孰剂的应力分布规律，结果表明复合横担套筒式连接节点设计较为合理，可满足受力要求。

图10 中间法兰对横担电位分布的影响Fig. 10 Influence of middle flange on the potential distribution of cross arms

图11 均压及屏蔽环对横担电位分布的影响Fig. 11 Influence of pressure and shielding on the potential distribution of cross arms

郑楠等人[14]对750 kV输变电工程复合外绝缘和复合绝缘子的研究应用现状进行了分析，介绍了西北主网750 kV线路工程复合化方面研究成果，并对复合外绝缘应用前景进行了展望。分析表明，实现电站外绝缘的全复合化是未来电网发展的趋势。

马贵斌[2]对FRP复合材料750 kV抢修杆塔进行了试验研究，分析了复合杆塔在大风工况下或安装工况下杆身的受力变形特征；利用SAP2000有限元软件分析了螺栓滑移和节点刚度等对杆塔受力性能的影响。另外，还研究了横担及吊杆在两种工况作用下的受力性能。分析结果表明，复合抢修杆塔具有较好的受力性能，满足工程需要。

邓鹤鸣等人[23]对复合材料横担进行了受力分析，确定了横担重要受力部位，提出了利用光纤光栅来监测复合横担应力变化的可行性；并通过试验研究了植入复合横担前不同中心波长的光纤光栅应变传感特性，初步设计了基于光纤光栅的复合材料横担应力监测系统，为其应用提供技术支持。

孙涛等人[24]依托800 kV 特高压直流输电工程，提出了FRP复合材料转动横担的设计方案，对其受力机理进行了分析，并利用有限元软件对杆塔网线模型进行仿真模拟分析，计算结果表明：在纵向不平衡张力作用下，复合材料横担发生转动时可以释放纵向不平衡张力，即减小了杆塔塔身及横担的受力大小，从而有效地减轻了复合杆塔重量，具有良好的社会经济效益。

3 复合材料横担研究存在的问题

从上述研究可知，FRP复合材料具有良好的力学性能，且制作工艺较为成熟，连接方式简便灵活，再加上其耐腐蚀和电绝缘性好，因此，该复合材料在输电杆塔中具有广阔的应用情景，但从上述研究中仍存在以下不足之处和需要解决的问题：

1）大部分复合材料横担设计及力学性能的研究是基于有限元模拟和理论分析方法，而很少学者是通过试验方法（特别是足尺试验）进行研究的，故分析结果存在一定的偏差，进而影响复合横担在输电杆塔结构中的推广应用，故复合横担受力性能足尺试验研究有待于进一步展开。

2）不同类型的复合材料横担在多向（三向导线或双向导线）荷载作用下的受力性能、破坏形态、荷载－位移关系、应力－应变分布规律、节点连接构造等也缺乏足够多的了解，相关工作有待于进一步展开。

3）复合材料横担刚度及其挠度问题缺少研究，这是复合横担推广应用中必须解决的问题，也是其在服役中正常使用的保证。

4）复合材料横担与拉索以及横担与杆塔之间的节点连接性能研究很少涉及，对其承载力、钢套管与复合材料之间的粘结强度、疲劳以及可靠性，这对提高复合横担整体受力性能至关重要，相关工作亟待展开。

5）复合材料横担的抗老化性能和热稳定性研究较少，抗老化反映了复合横担的耐久性，而热稳定性好坏是复合材料力学性能正常发挥的关键因素之一。这将直接影响到复合材料横担的正常使用和服役寿命。

6）现有研究中，复合材料横担受到的荷载较为单一，而对于复杂荷载（如风荷载、地震、疲劳荷载等）或荷载耦合作用下复合材料横担的力学性能研究极少，相关工作有待于展开。

4 结语

将具有良好力学性能、耐腐蚀和电绝缘性好的FRP复合材料应用于输电杆塔中是目前电网发展建设的优先方向之一。国内外对FRP复合材料在输电塔杆的应用进行了初步研究，相关学者和工程技术人员通过试验手段、有限元模拟和理论方法对复合材料杆塔和横担的力学性能进行了一定的研究和分析，得到了一系列研究成果，这对复合材料杆塔和横担的推广应用奠定了坚实的基础。但现有研究中仍存在一些不足和需解决的问题，今后研究方向主要体现在：复合材料杆塔横担足尺试验；不同类型复合横担在多向（双向或三向导线）荷载作用下的受力性能；复合横担的刚度及挠度；复合材料横担与拉索以及横担与杆塔之间的节点连接性能（承载力、钢套管与复合材料之间的粘结强度、疲劳以及可靠性）；复合材料横担的抗老化性能和热稳定性；复杂荷载或荷载耦合下复合材料横担的力学性能。本文可为FRP复合材料杆塔和横担的研究展望提供一些思路并为进一步推广应用FRP 复合材料横担提供理论基础和技术支持。

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