蔣聲嬰，梁 浩

（1.上海市電力公司電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，上海 200002；2.上海電力設計院有限公司，上海 200025）

1 復合材料

1）復合材料的定義 復合材料（Composite materials）是指由有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不同材料，通過復合工藝組合而成的新材料，它既能保留原有組分材料的主要特色，又通過材料設計使各組分的性能互補并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得新的優(yōu)越性能，與一般材料的簡單混合有本質(zhì)的區(qū)別。按照基體的不同，主要分為金屬基復合材料、樹脂基復合材料及陶瓷基復合材料。復合材料經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)成為與金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料并列的四大材料體系之一。

2）樹脂基復合材料的應用 樹脂基復合材料也稱為纖維增強塑料，是目前技術(shù)比較成熟且應用最為廣泛的一類復合材料。這類材料是用纖維及其織物增強熱固性（或熱塑性）樹脂基體，經(jīng)復合而成。以玻璃纖維作為增強相的樹脂基復合材料，俗稱玻璃鋼，目前已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)。樹脂基復合材料于1932年在美國問世，二次世界大戰(zhàn)以后，這種材料迅速擴張到民用，各種新工藝、新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，質(zhì)量不斷提高，應用領域不斷擴大，并逐步實現(xiàn)了機械化、自動化、規(guī)?；a(chǎn)。1971年前，我國的熱固性樹脂基復合材料主要用于軍工產(chǎn)品，20世紀70年代后期轉(zhuǎn)向民用。到2009年，我國復合材料產(chǎn)量高達323萬t，先后超過德國和日本，位居世界第二位，僅略低于美國水平。目前，我國生產(chǎn)的復合材料用的主材料基本配套，玻璃纖維與樹脂的品質(zhì)，不少已經(jīng)達到國際水準，價格具有競爭力。

3）成型工藝 樹脂基復合材料的成型方法較多，根據(jù)基體、增強材料的不同方法各異。主要有模壓、層壓、卷管、纏繞、手糊、噴射、樹脂注射模塑（RTM）、拉擠成型及衍生出來的各種工藝。

2 復合材料在電纜線路的應用

2.1 高強度電纜支架

電纜支架是在變電站電纜層、電纜工作井（溝）、電纜隧道以及其他電力電纜構(gòu)筑物中，用來支撐和固定電纜的支架，對電纜安裝和運行有著十分重要的作用。長期以來，架設電纜均采用金屬制電纜支架。傳統(tǒng)金屬支架在生產(chǎn)過程中資源和能耗大、工序多；在潮濕等惡劣環(huán)境條件下，傳統(tǒng)金屬支架易銹蝕，維護費用高、使用壽命短，影響設施的安全和無故障使用期。

目前，高強度復合材料電纜支架主要以模壓工藝成型，如圖1所示。

圖1 高強度復合材料電纜支架

高強度復合材料電纜支架與鍍鋅角鋼支架的主要技術(shù)經(jīng)濟性能比較，如表1所示［1］。

表1 兩種電纜支架的技術(shù)經(jīng)濟性能比較

由表1可知，由熱固性復合材料制作的電纜支架具有強度高、可設計性好；剛度大、不變形、耐腐蝕；防火性能優(yōu)、絕緣性能好、使用壽命長等一系列的優(yōu)點。

2.2 熱固性電纜溝蓋板

電纜溝蓋板主要用于防止地下電纜受到外界的損傷，同時起到保護行人，美化城市或園區(qū)街道的作用。電纜溝蓋板以往采用鋼筋混凝土配合鋼構(gòu)件制作，重量大、易開裂、鋼構(gòu)件易銹蝕。如今使用復合材料制作的電纜溝蓋板具有重量輕、加工靈活、易調(diào)節(jié)、易安裝、易維修，不僅成本低而且不易被偷盜。由復合材料制作的圓型電纜溝蓋板，如圖2所示。

圖2 復合材料圓型電纜溝蓋板

2.3 玻璃鋼電纜保護管

電纜保護管主要用于電力電纜穿越地面障礙物、城市道路、交通道口及特殊環(huán)境時的穿管敷設，對電纜起保護作用。玻璃鋼電纜保護管具有高強度、重量輕、不變形、內(nèi)表光滑、防腐蝕等優(yōu)點，被廣泛用于城市電網(wǎng)建設中。玻璃鋼電纜保護管用于電力電纜穿越地面障礙物，如圖3所示。

圖3 玻璃鋼電纜保護管的應用

總之，由于復合材料具有重量輕、強度高、表面光滑等特點，還可作為電力牽引繩、電纜穿管器等電纜施工工器具的制作材料，為取代傳統(tǒng)的牽引鋼絲繩、金屬穿管器等器具，提供了很好的材料選擇。

3 復合材料在架空線路的應用

3.1 復合材料低壓輸電桿

低壓輸電桿以往大多為木質(zhì)桿、鋼筋混凝土桿和鋼管桿等，這些傳統(tǒng)電桿存在許多弊端：木質(zhì)電桿長期在水分侵蝕下容易腐爛，易受蟲害和鳥害的侵擾，而且消耗木材資源；鋼筋混凝土電桿的制作工藝復雜、重量重、制耗鋼筋耗電大；鋼管電桿雖然結(jié)構(gòu)牢固、導電性好，但是電氣尺寸較大，隨著桿體高度的增加，其制作成本較高而且資源消耗較大。由復合材料制作的低壓輸電桿具有重量輕、強度大、絕緣性能好、耐腐蝕、耐紫外線、耐高溫、防蟲防鳥、防偷盜、環(huán)境適應性好等優(yōu)點，得到越來越廣泛的應用。由復合材料制作的低壓輸電桿，如圖4所示。

圖4 復合材料低壓輸電桿

3.2 復合材料輸電格構(gòu)塔

1）塔身構(gòu)件 輸電鐵塔位于野外、郊區(qū)，污染、海鹽離子、潮濕氣候等因素，都會導致傳統(tǒng)鐵塔鋼構(gòu)件受蝕，不但使用壽命較短，而且維護成本較高。與傳統(tǒng)的鋼材相比，復合材料絕緣性好，不僅易于解決輸電線路的風偏和污閃事故，還可減小桿塔高度及輸電走廊寬度，具有環(huán)境友好、資源節(jié)約的優(yōu)勢。與同樣尺寸的鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)塔相比，塔重減輕20%以上，同時還可降低格構(gòu)塔的運輸和組裝成本，尤其是復合材料格構(gòu)塔具有耐腐蝕、強度大等特點，可降低輸電線路的維護成本，如圖5所示。

2）格構(gòu)橫擔 橫擔用來安裝絕緣子及金具，以支承導地線，并使之按規(guī)定保持一定的安全距離。采用復合材料格構(gòu)橫擔作為高壓輸電線路支撐導線的絕緣部件，可以有效地減小輸電走廊寬度，簡化桿塔結(jié)構(gòu)，方便安裝，降低輸電線路投資，對人口密集的城市電網(wǎng)改造和新建配電線路，具有良好的經(jīng)濟和社會效益。由復合材料制作的格構(gòu)橫擔，如圖6所示。

3.3 碳纖維復合芯導線

碳纖維復合芯導線具有高輸送量、低弧垂、耐高溫、自重輕、熱膨脹系數(shù)小、比強度高等優(yōu)異特性，可使導線在高溫下穩(wěn)定運行，從而提高輸電量。碳纖維復合芯導線如圖7所示，在上海電網(wǎng)的增容改造中已得到廣泛的應用。

圖5 復合材料輸電格構(gòu)塔

圖6 復合材料格構(gòu)橫擔

圖7 碳纖維復合芯鋁導線

3.4 復合材料絕緣子

復合材料絕緣子由玻璃纖維樹脂芯棒、合成材料護套、傘裙和兩端的連接金具組成，可有效減小橫擔長度和輸電走廊寬度。2011年，上海電網(wǎng)500 k V練塘站220 k V出線工程中，首次在鋼管電桿上應用220 k V復合絕緣子橫擔，在苛刻的輸電走廊寬度下，滿足了電氣及工程施工要求。

3.5 復合材料間隔棒

用復合材料制造的相間間隔棒如圖8所示，阻尼間隔棒如圖9所示。由于用復合材料制造的間隔棒，具有良好的抗彎曲、抗沖擊能力；防污能力強，防震和防脆性好；重量輕，安裝方便，免維護，不需要人工清掃等特點，正在電力工程中推廣應用。由于目前復合材料間隔棒的單價較貴，尚未普及。

圖8 復合材料相間間隔棒

圖9 復合材料阻尼間隔棒

4 制約復合材料應用的主要因素

1）成本 輸電線路應用的復合材料產(chǎn)品，均具有維護成本低的特點，但是其制造成本與現(xiàn)在的傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，仍然偏高。其主要原因是產(chǎn)品模具的開發(fā)和原材料的成本較高。只有在原材料價格降低及產(chǎn)品能夠大批量應用后，其成本才會有效減低。

2）技術(shù)規(guī)范 雖然國內(nèi)復合材料產(chǎn)品從20世紀70年代已經(jīng)應用，但是到迄今為止，輸電線路復合材料產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標準仍是空白。這不僅制約了復合材料產(chǎn)品在輸電線路工程設計中的應用，還制約了相關(guān)產(chǎn)業(yè)及技術(shù)的進一步發(fā)展。

3）材料特性 復合材料雖然具有輕質(zhì)高強、耐腐蝕、軸向剛度大等一系列的優(yōu)異特性，但由于其彈性模量較小，在相同荷載作用下，單柱截面的復合材料電桿側(cè)向變形與傳統(tǒng)鋼筋混凝土電桿和鋼管電桿相比相差較大，無法滿足輸電線路桿的使用要求。正因為以上原因，復合材料的輸電單桿現(xiàn)僅應用于直線桿，轉(zhuǎn)角桿由于側(cè)向荷載較大導致側(cè)向變形過大，尚無法在實際工程中使用。針對以上原因，對于單柱截面桿，優(yōu)化柱截面的型式、添加剛度增強構(gòu)件等手段來增加桿體剛度，這也是今后要攻克的技術(shù)難題。同時，由于復合材料所具的絕緣性，輸電桿的接地方法也需要進一步研究。

4）連接 傳統(tǒng)鋼筋混凝土電桿、鋼管電桿的連接節(jié)點剛度較大，能較好地抵抗變形并傳遞荷載，與之特性相比，復合材料桿件之間的連接難度較大。在保證可靠連接的基礎上，如何較好地傳遞荷載并抵抗變形，不僅需要在工藝上深化革新，更需要在構(gòu)造上加以完善。

5 結(jié)論與建議

1）復合材料是輸電線路的一種新材料，適合的成型工藝主要有纖維纏繞、拉擠及其衍生工藝。

2）復合材料由于其材料特性方面的優(yōu)異性能，已在電纜和架空線路上研發(fā)了多種適用產(chǎn)品，為輸電線路新產(chǎn)品、新工藝的應用、新技術(shù)的開發(fā)，提供了堅實的材料基礎及良好的應用前景。

3）與輸電線路中復合材料產(chǎn)品的制備和應用相關(guān)的一系列關(guān)鍵技術(shù)問題，有待探索及解決。例如：快速低成本的制造技術(shù)；復合材料桿塔設計規(guī)范等相關(guān)技術(shù)標準的推出；復合材料高效節(jié)點連接技術(shù)的研究；復合材料電氣性能的進一步提高；復合材料防老化技術(shù)及壽命評價等。

4）復合材料作為一種新型材料，其設計理論、設計思想和傳統(tǒng)的金屬材料有較大的區(qū)別。因此，不能簡單地采用等強度或等剛度替換的設計，需要根據(jù)其應用環(huán)境、應力水平、功能需求等方面的因素綜合設計，并進行結(jié)構(gòu)功能一體化設計。

［1］ 李明，楊志萍，項佩中.玻璃鋼電纜支架的推廣應用［J］.電力與能源，2011，32（5）：421-423.