摘要：本文介绍了复合材料杆塔的技术优势，对绝缘杆塔在生产、应用中的防雷与接地技术、塔材加工工艺、杆塔结构优化设计、杆塔的无损检测及经济效益等关键问题进行了分析。

    0 引言
    为了有效避免污闪、风偏、鸟害故障的发生，国网系统每年花费大量资金进行技术改造工作。新型复合材料杆塔采用玻璃纤维增强树脂和硅橡胶等绝缘材料制成，其特有的绝缘方式不仅可缩短或去掉绝缘子，降低杆塔高度，从而节约输电线路工程投资成本和土地资源，还可消除闪络、风偏对电网安全运行造成的影响。

    1 复合材料杆塔的构成材料选择及其特性
    目前，绝缘杆塔主要由复合材料构成，而复合材料按基体材料可分为聚合物基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。由于金属基复合材料有良好的导电性，而研究复合杆塔的主要目的就是增大导线对地的绝缘距离，因此从导电性上来说，金属基复合材料与传统铁质杆塔无异，不予考虑。陶瓷基复合材料主要用于耐高温的场合，而且制造工艺复杂，目前也缺少耐高温纤维，所以陶瓷基复合材料发展缓慢，生产成本也相对较高。聚合物基复合材料相对成熟，各方面特性也较优良，是生产复合材料杆塔的理想材料。实际上，国外相对成熟的复合材料杆塔均采用聚合物基复合材料。
    除了以上特点外，聚合物基复合材料杆塔还有以下独特的优点（以玻璃纤维增强树脂基复合材料为例）。
   （1）比强度、比模量高。玻璃纤维增强树脂基复合材料的密度为1.5～2. 0g/cm3，只有普通碳钢的1/4～1/5、比铝合金还要轻1/3左右，而机械强度超过普通碳钢的标准，比强度大大超过普通碳钢。复合材料的高强度和高模量来源于增强纤维的高性能和低密度，玻璃纤维由于模量相对较低、密度较高，因此玻璃纤维树脂基复合材料的比模量低于金属材料。
   （2）耐疲劳性能好，安全性能高。金属材料疲劳破坏时，无明显预兆，突发性强；而复合材料疲劳破坏时，有明显预兆。由于复合材料基体中大量的独立纤维是力学上典型的静不定体系，当少数纤维发生断裂时，其失去部分载荷又会通过基体的传递而迅速分散到其它完好的纤维上，因此复合材料在短期内不会丧失承载能力。
   （3）瞬时耐高温、耐烧灼性好。玻璃钢的导热系数只有金属的1%。据相关数据分析，在丙烷火焰直接作用下，复合材料杆塔会以有限的火焰闷烧，而当丙烷火焰移开时就停止闷烧，火焰熄灭。涂有防火材料的复合杆塔能耐受两次森林大火的袭击而不失去其承载能力。
   （4）优异的绝缘性能和电磁性。玻璃纤维增强树脂基复合材料是一种优良的电气绝缘材料。复合材料杆塔能减小导线与塔身间隙，使输电线路结构更为紧凑，减少线路走廊宽度。复合材料还不受电磁干扰，可改善塔基周围的电磁环境。
   （5）耐化学腐蚀。复合材料具有优良的耐化学腐蚀性能。如玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料，在含氯原子的酸性环境中可长期使用，从而为酸碱腐蚀严重地区的杆塔提出了解决方案。
   （6）防污闪、湿闪。绝缘子和复合材料杆塔的配合，使污秽和潮湿环境下的爬电距离显著增加，且杆塔可设计成自清洁能力较强的结构，减少污闪、湿闪事故的发生。
   （7）利于带电作业。复合材料杆塔的绝缘距离较大，有利于带电更换线路绝缘子等高空带电作业，简化带电作业的操作步骤。
   （8）不生锈、防紫外线、防鸟害、环境适应性好。

    2 复合材料杆塔在应用中的关键问题
    复合材料杆塔是一种新型杆塔，要完成其开发、研制、生产并投入电网实际运行，需解决材料、材料制造工艺、材料试验、杆塔设计、杆塔检测等关键问题。
    2.1防雷与接地方式
    对于35kV及以下电压等级的配电网系统，由于输电线路杆塔较低，一般不宜遭受直击雷，感应雷过电压的威胁也会因复合绝缘杆塔较大的爬电距离而大大降低。
    对于110KV及以上高电压等级的输电线路，由于感应雷过电压一般不超过500kV，线路设计的绝缘等级足以承受，因此危害最大的是直击雷，规程规定110KV及以上电压等级线路要全程架设避雷线。对于传统铁质杆塔，架设在塔顶的避雷线可通过铁塔接地；但对于绝缘的复合材料杆塔，必须设计合理的避雷线接地方式，考虑防雷方式和效果。
    2.1.1复合材料整体绝缘杆塔
   （1）架空地线经接地引下线接地主要有两种方式。方式一，地线垂直导线方向悬空引下接地，即在垂直导线方向上增加原地线横担的长度，使地线在塔头处距离导线外侧一段距离后平行于杆身悬空引下，并在低于导线悬挂高度处回到塔身，沿身引下接地，如图1所示。方式二，地线顺线路方向悬空引下接地，即在杆塔顶部增加顺线路方向的地线横担，使地线在塔头处离开塔身一段距离后平行于杆身悬空引下，并在低于导线悬挂高度处回到塔身，沿塔身引下接地，如图2所示。这两种方式都采用一根相对较细的导线接地，从而将增大杆塔的冲击接地阻抗，导致雷击塔顶或架空地线时形成的雷电冲击电流偏大。



   （2）地线分段接地。每隔若干基杆塔架设一条接地引下线将复合材料杆塔顶端接地，或竖立一基传统钢结构铁塔，在有直击雷过电压时，雷电流会通过该基杆塔泄人大地，从而避免雷电过电压侵入变电站。

    2.1.2复合材料局部绝缘杆塔
    复合材料局部绝缘杆塔只有横担部分采用复合材料，塔身主体仍沿用传统铁塔设计型式，其防雷接地设计不发生变化。对于复合材料整体绝缘杆塔，由于塔身整体绝缘，若只采用接地引下线使避雷线接地，则将增大杆塔的冲击接地阻抗，在地线或塔顶遭受雷击时，电位抬升更大，易发生反击跳闸。如果只有横担采用复合绝缘材料，杆塔其它部位仍采用金属塔材，那么基本不改变塔体原冲击接地阻抗，即不改变传统杆塔防雷效果，同时这种方案也相对易于实现，操作性更强。因此，对于110KV及以上电压等级线路，优先推荐操作性更强的横担绝缘的局部绝缘杆塔设计型式。
    2.2塔材加工工艺
    国外复合材料杆塔的加工工艺主要有缠绕成型工艺（如图3所示）和拉挤成型工艺（如图4所示）。缠绕成型工艺生产的产品比强度大、可靠性高、生产率高、材料成本低。但在湿法缠绕过程中，由于纱布浸胶缠绕，纱布质量不易控制和检验，同时胶液中尚存大量溶剂，固化时易产生气泡，缠绕过程中张力也不易控制，因此缠绕成型工艺制品形状有局限性，可用来生产复合材料杆塔的构件或组合式复合材料杆塔。拉挤成型是复合材料成型工艺中的一种特殊工艺，其生产过程完全实现自动化控制，生产效率高。拉挤成型制品中纤维含量可高达80%，浸胶在张力下进行，能充分发挥增强材料的作用，产品强度高，纵、横向强度可任意调整，满足不同力学性能制品的使用要求，生产过程中无边角废料，不需后加工，故较其它工艺省工、省原料、省能耗，制品质量稳定，重复性好，长度可任意切断。在绝缘杆塔的研制开发过程中应通过对不同加工工艺生产的复合材料型材进行比较，选择满足复合材料杆塔的力学性能和电气性能的生产工艺。

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