電桿、電塔結構是輸電、通訊、鐵路、機場、市政等基礎設施中一類重要的特種支撐結構物，其結構性能直接影響線路的安全性、經濟性和可靠性。傳統輸電桿（包括木桿、水泥桿、鋼桿及鐵塔）在長期運行中各種各樣的缺陷正逐步暴露出來。由于纖維增強樹脂基復合材料（以下簡稱復合材料）具有輕質高強、耐腐蝕、電絕緣、性能可設計等特點，是輸電桿及桿塔結構材料較理想的選擇，開始受到國內外電力行業的關注。國外復合材料電桿的研究起步較早，批量生產的電桿已在歐美地區得到應用。美國由于其特殊的地理特點，復合材料電桿的研究開發和應用最為成熟。
電桿材料應用現狀
國內外架空輸電線路中使用較為廣泛的桿塔主要有木質桿、鋼管桿和鐵塔等幾類。占有世界大半電桿市場的美加地區，現有電桿采用的主要是木材，在美國只有俄勒岡州使用混凝土桿。混凝土或預應力混凝土桿主要應用于南美洲、歐洲、非洲、亞洲等森林資源較為貧乏的地區或發展中國家。鐵塔是世界各國超高壓輸電線路中常用的桿塔型式。
我國基本不再使用木質桿，混凝土桿以前在35kv~110kv線路上大量使用，在新建及330kv以下線路運輸和施工條件較好的平原和丘陵地區也得到一定應用。鋼管桿和鋼管混凝土桿在近年城市電網建設和改造中應用較多，而在220kv及以上的線路中，多采用格架式鐵塔。
1.傳統電桿存在的問題
傳統的輸電電桿塔普遍存在質量大、易腐爛、銹蝕或開裂等缺陷，使用壽命較短，并且施工運輸和運行維護困難，容易出現各種安全隱患。歸納起來主要有以下幾個問題。
腐蝕
木桿受腐蝕因素影響，平均壽命為30年。木桿維修費用為每桿每5年35美元，并且一旦腐蝕開始就會持續進行直至失去強度。木桿的維護主要用雜芬油類的防腐劑，這種防腐劑被認為是一種危險的廢料，極大影響了環境。在美國，每1根電桿造成污染的環保復原費用達1萬美元。
金屬電桿存在生銹腐蝕問題，腐蝕減少了服役期，增加了全壽命周期內的維修成本。
安裝成本
傳統電桿的安裝費用問題在于偏遠地區缺少運力和運輸設備來搬運沉重的鋼桿、木桿，水泥桿重量太大，造成運輸與安裝費用比其他材料更高一籌。有時為了安裝到位甚至還需要鋪設專門的道路來運輸，這使得費用進一步提高。
事故與其他問題
長期運行經驗表明：不同電壓等級交、直流輸電線路皆存在雷擊事故和污閃事故，雷擊事故和污閃事故在每年的輸電線路跳閘事故中幾乎各占50%.大量的使用復合絕緣子仍不能徹底解決雷擊和污閃事故。
高寒地區混凝土桿常發生凍融循環破壞，而鐵塔常發生低溫冷脆破壞。鋼材還易被人為偷盜破壞。
2.其他改進型電桿
除一般類型電桿外，還有以下一些改進型電桿。
（1）無覆層耐侵蝕的鋼材。保持了鋼的優點，且無須防腐蝕層。
（2）電弧爐回收鋼。一些鋼材的最初費用可以通過這種回收來得到補償。鋼材的運輸費用仍然極其昂貴，特別是運到邊遠地區，電桿或鍍鋅或用密封劑涂覆，會增加維修費用。
（3）鋼筋混凝土也是替代木材的一種材料。但水泥桿重量太大，造成運輸與安裝費用比其他材料都要高。
（4）玻纖混凝土桿具有和復合材料一樣的非電導性和無腐蝕性。復合材料電桿的纖維纏繞工藝還有價格優勢，但由于應用得少，目前在使用可靠性方面還存在疑問。
復合材料電桿的技術優勢
復合材料電桿及桿段的制造技術在國外已有50多年的歷史。復合材料的優勢主要在集中在以下幾方面：
1.安裝、維護成本低
復合材料電桿的質量約為木質桿的1/3,混凝土桿的1/10,鋼質桿的1/2,可大幅度降低運輸和施工安裝成本，尤其是在人難以到達的山林和偏遠地區。復合材料電桿的輕質特點使其可用直升機運載，輕質還意味著安裝速度加快和節省人力。復合材料電桿是一種免維護或低維護結構，這對保障線路安全和降低輸電線路的維護成本很有意義。
2.環境適應性好
復合材料電桿對酸、堿、鹽及有機溶劑等腐蝕介質的耐腐蝕性能和耐候性能優良，因此特別適合沿海地區、內陸鹽漬土，以及工業區和酸雨多發地區等對混凝土和鋼質桿塔有特殊防腐要求的環境。
3.電絕緣性能好
利用玻璃鋼桿代替傳統鐵塔新技術不但在重量上可以減輕一半，易于安裝和施工，同時還可以解決閃絡事故率居高不下的問題，復合材料桿電氣絕緣性能優良，可避免鐵塔易出現的雷擊事故發生，還可以設計減少導線與塔身間隙，使輸電線路結構更為緊湊，可減少線路走廊寬度，這在土地資源稀缺的情況下尤其重要。
4.防盜防損
在特殊地區，還可以有效地防止塔材盜竊等人為破壞。
復合材料電桿比傳統的電桿具有更好的綜合性能，通過合理的設計，復合材料桿可以滿足輸電線路對桿塔結構的各項性能要求。
復合材料電桿市場及國內外開發情況
世界上最大的電桿市場在美加，其次是北歐及歐洲其他地區。復合材料電桿的制造與應用主要集中在北美和歐洲。
美國Sharkspeare公司是最早開發復合材料電桿的公司。該公司1996年在美國申請電桿設計制造方法專利，1998年在英國申請專利。另外美國的Powertrusion公司和美國北太平洋復合材料公司也在從事復合材料電桿的生產。
加拿大RS公司上世紀90年代中期開始開發復合材料電桿。因其獨創的RS模段式復合材料組合輸電線桿制造工藝，2005年通過其子公司---RS科技公司獲得了由美國復合材料制造協會（ASWA）頒發的制造技術創新獎。RS電桿為組合套接結構式電桿。電桿采用的是纖維增強熱固性樹脂復合材料，基體為VersionTM聚氨酯。RS公司在完成36m電桿測試后即能夠進行世界上最大復合材料電桿的商業化生產，公司還將開發41m電桿。
從1992年起，美國在制定發展計劃中就提出了由復合材料采用無螺栓裝配構成桿塔的研究計劃。它由EbertComposites公司與加利福尼亞兩家公用事業公司---圣地亞哥煤氣電力公司（SDGE）和南加利福尼亞愛迪生公司（SCE）一道開發，并已在加利福尼亞奧克斯納德的奧蒙德比奇發電站安裝三基這種試驗桿塔，而且環境位于高鹽污染地區的南加利福利亞海濱。運行資料表明，這些桿塔可穩定使用較長時間。
國內復合材料電桿開發應用尚處于空白。只有江蘇遠東集團公司以及深圳市電管局金隅RSTechnologies（RS分公司）公司合作并簽署合同，購買RS組合式復合材料電桿在國內應用。
復合材料電桿的性價比
因為目前建筑行業對復合材料仍普遍陌生，而鋼制電桿因初裝費用低廉和用戶熟悉，仍然是造成復合材料電桿早期難以推廣應用的主要障礙。在輸電線路的經濟分析中，通常注重建設期間的費用投資，往往忽視了結構全壽命周期費用的分析，這里主要指線路桿塔的維護費用。隨著電網建設的不斷擴大，輸電線路架設長度要求增加，其線路運行出現的事故及維護問題便顯得日益突出。因此設施的運輸、安裝及維護費用問題將會得到逐步重視。附表對比出了美加復合材料電桿在全壽命周期的價格優勢。
以上計算不含運輸、安裝及環保處理費用（對木桿來說每桿達1萬美元）,否則在全壽命周期內各材料電桿相對于復合材料費用將成倍增加。從附表數據可看出，復合材料電桿盡管初裝成本較高，但其極低的運行維護費用，80年的壽命，使其綜合性價比要優越于其他材料電桿。在地況復雜、土質較疏松的地區，其運輸、安裝極為困難，FRP桿的優越性就會充分體現出來。而且，復合材料組合式電桿一旦在桿體某處有損傷，可以單獨更換該段而不用整體更換，節省很大費用。美國南加利福尼亞愛迪生公司對復合材料電桿的試運行經驗已證實了復合型桿塔產生的好處，該公司估計5年中的維護費用就可節約3500美元。
在中國這個山地面積占國土總面積70%以上的國家，復合材料電桿運輸和安裝費用低廉具有特別重要的意義。用卡車裝運復合材料電桿，其裝載量數十倍于混凝土電桿裝載量。
設計標準及試驗方法
復合材料電桿在美加的應用非常廣泛，但與類似英國等國家的氣候又大不相同，其應用標準也有所不同。
標準的設計通常比較復雜，主要思路是規定在極限條件下或最嚴重的載荷下，電桿允許產生偏差的水平。評價電桿結構性能的兩個首要指標是承載力和剛度。單桿結構的設計主要根據抗風吹彎曲承載能力大小，通常進行全尺寸電桿的懸臂梁彎曲試驗，將電桿作為懸臂梁，在電桿不同位置施加載荷。
成型工藝進展
纖維纏繞是復合材料電桿最常用的成型工藝，也有許多其他中空圓筒結構成型方法，如離心澆鑄、真空注塑（VI）和RTM等，但因經濟原因并未得到普及。對高效率商業化生產來說，自動化程度高低是極為重要的，而纖維纏繞工業節省原材料，纖維鋪放靈活機動，很適合于成型這種結構產品。采用的基體主要為改性聚酯、環氧乙烯基脂樹和改性聚氨酯，增強纖維一般為性能良好、價格低廉的無堿玻璃粗紗。
1.纖維纏繞工藝
將浸過聚酯樹脂的玻纖粗紗按照指定線型連續纏繞在軸上。控制芯軸轉速和軸與絲嘴的相對運動速度可以調節到所需的纏繞角度，與軸向形成7度到將近90度范圍的纏繞角。纖維層數要根據電桿的等級性能的要求而定。纏繞完畢后加熱固化，固化完畢脫模。可用水壓裝置將管從芯軸上脫掉，然后后切割、打孔，安裝腳踏。
2.拉擠成型
拉擠成型使用拉擠成型機使纖維增強塑料連續成型的一種成型加工法，連續增強纖維浸漬活性樹脂后通過熱型模，材型即確定，再根據需要按照一定長度進行切割。此工藝近幾年發展最快，主要發展方向是為港口、輸電、土木等基礎設施工程和高層建筑工程提供厚壁結構板型件。該工藝比較適合于復合材料橫擔和多邊形電桿的制造，機場籬及其他類似結構也采用拉擠工藝。拉擠工藝可加工具有等橫截面、徑向強度和剛度較高的結構件。美國Elberta公司正在設計、試制高壓輸電塔的大型拉擠成型結構件，塔高25.58m,重2.59t,全部用復合材料件裝配組成。
3.復合工藝
隨著復合材料相關技術的發展，纖維纏繞工藝呈現出多工藝復合化的發展趨勢。
拉擠成型、帶鋪放、帶纏繞及纖維編織等與傳統纏繞工藝相結合，可以提高纏繞工藝的新結構適用性，擴大了纖維工藝的應用范圍，開創了纏繞技術的新局面。纖維纏繞技術有一個明顯的局限，就是沿制品軸向鋪設純縱向，即0度纖維（纖維與筒體母線夾角為0度）較為困難，從而限制了它在某些結構類管狀制品制造中的應用。將纖維纏繞與帶鋪放工藝、拉擠工藝結合起來可極大地解決這一問題。纖維鋪放技術集傳統纏繞技術與帶鋪放技術于一身，可進行任意角度纏繞，也可任意增減纖維，克服了傳統纏繞工藝的不足，改善了產品結構力學性能，可以作為比較先進的復合材料電桿生產工藝。
國外電桿的運行情況
從詹姆斯戴韋遜（Shakespeare公司研發部副主任）的綜述報道來看，1954年就有復合材料電桿制造，同時也進行了安裝使用，至今仍在服務中。在高度鹽霧腐蝕并經常經受颶風的夏威夷島上，已有使用了40多年的電桿，仍在繼續工作。
美國在復合材料電桿方面的研究開發和應用最為成熟。EbertComposites公司1996年研制復合材料輸電桿塔，并在加利福尼亞奧蒙德比奇發電站安裝了三基試驗桿塔，試驗環境位于高鹽污染地區的南加利福尼亞海濱。運行資料表明，這些桿塔直至2000年都能保持穩定的性能。觀察報告表明，投運最初7個月以后運行正常，沒有發現明顯放電痕跡，也沒發現機械損傷和電氣損傷。Shakespeare玻纖產品公司1993年~1995年相續研制成功復合材料配電桿及輸電桿，符合公用電工業的所有機械和電氣標準，首批架設的5000根用于美國山區的主配電協同，該地區冬季雪量可能超過3m厚，積雪期達6周，風速可達33m/s.
未來展望
復合材料電桿具有傳統電桿不具備的特殊優勢，在國外已經具有相當規模，在中國市場的主要意義將在于運輸、安裝成本的大幅降低，其開發應用將成為輸電行業基礎設施建設的一大趨勢。但是因為鋼制電桿初裝費用低廉，用戶比較熟悉，而對于復合材料還很陌生，所以復合材料電桿早期難以推廣應用。
總結起來，復合材料電桿及桿塔的開發應用存在以下兩大制約問題：制造成本與耐候老化問題。
若這兩大問題能夠得到解決，復合材料電桿將會替代傳統材料電桿，成為未來新一代輸電線路支撐結構。復合材料電桿在輸電線路上的應用將是電力工業基礎設施建設的一次革命，為復合材料大規模進入電力行業領域起到推動作用，具有不可估量的社會效益。但新事物的產生和被接納以至廣泛應用必然要經歷一段較長的時間，難度也是相當大的，這還需要復合材料研究機構、復合材料制造行業和電力部門的相互配合，共同努力。 |