聚氨酯复合材料低挠度杆塔的研制及实验验证

张明龙，张延辉，郑凌娟，王 健，刘 伟，李衍川，钱 健，陈辉龙

(1 国网福建省电力有限公司电力科学研究院,福建福州 350007；2 博罗元鹏新材料有限公司,广东惠州 516100)

1 背景

近年来,由于沿海地区环境腐蚀严重、台风和雷暴频发,而在这些地区多数杆塔的使用年份较为久远,这就使得传统的塔杆在恶劣的天气下易发生倒杆甚至断杆的现象,同时这种恶劣的环境也会对输电线路造成严重的影响[1]。而复合材料具有很好的耐腐蚀和高强度的特性,自2013 年国内第一条全复合材料电杆供电线路建成以来,复合材料电杆已经在全国多省份得到了大量的应用[2-3]。

虽然经过多年的发展,但是复合材料电杆在使用时还存在一些问题,这些问题也限制了复合材料电杆应用。尽管复合材料电杆断裂弯矩足够大、绝缘防雷和耐酸碱盐腐蚀性能优良,能很好地保障供电安全,但是在载荷下的挠度值却比水泥电杆大很多,大约是水泥电杆的4倍。这样的特性使得传统复合电杆不便用在线路的转角和终端位置,用在这些位置时,电杆会出现明显的弯曲现象,对紧线操作也会造成一定的影响[4],如图1 所示。

图1 传统复合电杆的应用状况Fig.1 Application of traditional composite poles

鉴于复合材料电杆具备的这些优点,使得复合材料电杆已经在供电线路中得到了广泛的应用[5]。但是它挠度大的缺点也比较明显,低挠度的复合材料电杆的研制具有一定的现实意义。

2 设计方案

基于以上问题,本论文提出了一种材料成本相当、具有更高强度、更低挠度的复合材料电杆设计,使其具有更广泛的应用范围。

常规的复合材料电杆参照水泥电杆的标准尺寸,以Q 级15m 复合电杆为例,传统复合电杆是梢径190mm、根径350mm的锥形结构,此复合电杆在标准检验弯矩载荷下顶部挠度达到2m 左右。

我们增大复合电杆的设计直径后,做成梢径310mm、根径510mm的复合电杆,其挠度值从2m 降低到0.9m,弯矩强度值增加了50%,而材料成本仅增加了5%。

3 设计及实验

3.1 结构设计及材料

本复合材料电杆为树脂基复合材料,其基体材料为聚氨酯树脂,增强材料为玻璃纤维缠绕纱。在基体材料的选用上,本论文是使用脂肪族聚氨酯树脂作为该电杆的表面树脂,其拉伸强度为61MPa、弹性模量2.5GPa、断裂伸长率为6%,再选取芳香族聚氨酯树脂作为结构树脂,其拉伸强度为65MPa、弹性模量2.6GPa、断裂伸长率为4%,基体材料性能见表1。此外,复合材料电杆整体分为内结构层和外表层,表面层考虑了抗老化和防滑的功能,其基本结构如图2 所示。

表1 基体材料的性能Table 1 Properties of matrix materials

图2 复合材料电杆结构Fig.2 Structure of composite pole

3.2 结构的物理性能

按照国家标准分别对该复合材料电杆的结构进行了拉伸、压缩和弯曲测试实验,实验过程如图3 所示,试验后观察其变化状况,得出了该结构的性能参数:该结构在轴向拉伸强度为400MPa 时,拉伸处变形较均匀；轴向压缩强度在320MPa 时,无压坏迹象；轴向弯曲强度在500MPa 时,弯曲程度不明显,满足预期的性能要求。

图3 复合材料电杆的力学性能测试Fig.3 Test of mechanical properties of composite poles

3.3 结构的老化性能

按照标准对该复合材料电杆的结构进行了紫外光照老化测试实验。实验条件:灯管类型UVA-340；光照8h,(60±3)℃ BPT,0.89W/(m2•nm)@340nm；冷 凝4h,(50±3)℃ BPT；暴露时间1000h。实验过程如图4所示,试验后观察表观和物理性能的变化状况,得出了该结构紫外光老化性能指标:材料表面有黄变,没有出现表面材料粉化的现象；轴向弯曲强度在520MPa 时,弯曲程度不明显,满足预期的性能要求。

图4 复合材料电杆的老化性能测试Fig.4 Aging test of composite poles

3.4 电杆真型测试

为使设计能达到预期的效果,对复合电杆进行了真型测试和极限破坏测试,如图5 所示。

图5 复合材料电杆真型测试Fig.5 Test of true shape of composite poles

实验前,先对该电杆的物理性能进行了测试:电杆的梢径为351mm、根径552mm、长度15.01m、平均厚度10.2mm、重量372kg。在实验中,在塔杆顶端施加一个横向载荷,测得该塔杆在标准检验弯矩下的挠度值为0.7m,并在极限破坏实验中得出塔杆的断裂弯矩值为483kN•m,性能数据见表2。

表2 复合电杆性能数据Table 2 Properties of composite pole

4 对比分析

新设计制作的复合电杆与传统复合电杆、传统水泥电杆的对比数据见表3,可以看出:

表3 不同材质电杆的性能对比Table 3 Property comparison of poles made of different materials

(1)传统复合材料电杆与同等强度等级的水泥电杆相比,其重量是水泥电杆的1/5,断裂弯矩值是水泥电杆的1.5 倍,但是挠度值是水泥电杆的4 倍。

(2)大直径复合电杆1 与传统复合电杆相比,重量仅增加了5%,但是挠度值却降低了50%。断裂弯矩值是水泥电杆的2 倍,具有更强的抵御台风的能力。

(3)大直径复合电杆2 与传统复合电杆相比,重量仅增加了10%,但是挠度值是传统复合电杆的1/3,基本与传统水泥电杆的挠度值接近了。断裂弯矩值是水泥电杆的2 倍,具有更强的抵御台风的能力。

5 结论

(1)传统复合电杆的挠度过大,在架空线路中很多地段不适用,不利于复合电杆在电力行业的推广应用。

(2)大口径的复合电杆,重量和材料成本仅仅提高5%,但是挠度大幅度降低,接近传统水泥电杆的挠度值。强度富余很大,更适合于台风和大覆冰的极限工况。

(3)选择复合电杆直径尺寸时,选择比传统水泥电杆的直径大一个规格的尺寸比较合适。此时经济性和适用性更好。