复合材料杆塔研究现状及发展趋势
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
西华大学电气与电子信息学院、国网河南省电力公司郑州供电公司的研究人员邱雪梅、黄译丹、李雍、李舜、周悦，在2017年第9期《电气技术》杂志上撰文指出，杆塔在输电线路中占有非常重要的位置。复合材料作为一种质量轻、强度高、耐腐蚀、易安装、绝缘性好的优质材料已广泛运用于输电线路中。
目前所使用的复合材料输电塔有几种形式，半绝缘结构式复合杆塔、非格构式全复合杆塔、复合横担输电杆塔。未来我们可以根据工程实际要求研制更多类型的复合塔。
目前现代产业对供电可靠性、安全性、高效性的要求逐渐增高，电力负荷需求日渐增大，使得电力输电网络、电力行业面临越发严峻的考验；而我们还面临着一系列的环境问题，如土地资源使用率高，有色金属使用量增大，能源分布不均匀，绿色能源使用率低。电能质量好，供电可靠、经济安全、高效节能和环境友好性需求也已提高，所以电力建设同样面临着严峻的考验及各种问题。
杆塔在输电线路中占据十分重要的位置，在整个线路工程中,其施工、运输、安装、维护都需消耗很大的人力物力 [1]。目前输电技术的不断进步，电压等级不断升高，输电线路对杆塔材料性能的要求也越来越高[2]。
1传统输电塔存在的问题
传统输电线路杆塔存在质量大、易锈蚀、易开裂、寿命短等缺点[3]。再加上长期裸露在外长期受到风雨、大气污秽、雷击、鸟害等等的影响，容易出现各种安全隐患，归纳起来如下。
（1）腐蚀: 木杆极易被腐蚀，使用寿命大概为30年左右就开始腐烂，且一旦受腐蚀就会持续受腐蚀，直至失去强度。金属电杆一旦发生生锈腐蚀减少了使用寿命，增加了维修成本[4]。
（2）安装成本: 输电线路大多经过偏远山区，这将使电力杆塔在安装前需经过复杂的运输过程来搬运沉重的钢质、木质水泥质杆塔，使得安装费用增高。
（3）事故与其他问题: 不同电压等级的输电线路，不管是交流还是直流只要长期裸露在室外，则有可能遭受风霜、雪雨、污秽、雷击等的影响发生雷击、污闪[5]。
目前随着输电线路增多电压等级增高，输电网络变密，输电线路走廊资源利用率变得越来越高，急需缩减走廊宽度、提高线路输送力[6-7]。研制电力输电塔杆，需考虑其是否能抵御覆冰、地震、大风、暴雪等自然灾害因此研发复合材料输电杆塔势在必行。
2复合塔优势
复合塔是与之前所使用的杆塔对比其优势主要体现在如以下点[4]：
（1）运输、安装、运行、维护成本低
复合材料电杆的质量轻[8]，约为木材杆的1/3、砼杆的1/10、钢铁材质杆的1/2，方便运输和安装、免维护或维护成本低、节省劳动力资源。
（2）环境适应性好
复合材料能适应各种有机溶剂和腐蚀剂。所以复合材料杆塔特别适合用在沿海、强紫外线、潮湿、强紫外线地区、以及工业发达，酸雨多发地。
（3）绝缘性能好
良好的绝缘性，除了能避免风偏及污闪事故，减小塔身与导线间的距离并且缩短线路走廊宽度，保障线路在安全运行下水平，减少雷击事故发生，降低杆塔底座的电磁场对周围环境的影响。
（4）防盗防损
使用钢铁材质的杆塔，会易被盗和被破坏，所以在这样的情况下可以使用复合材料替代钢质杆塔，可有效防止塔材被盗，以保证线路安全运行，减少经济损失。
综上所述，复合材料具有的特性非常适合用在输电行业中。复合材料杆塔有更优的特性，我们可以将这样的优点与合理的结构设计相结合，使复合材料杆塔取代其他材质的输电线杆塔运用在输电线路中。
我国经济的目前正在飞速发展，用电需求的地域越来越广，用电量也日趋增大，电力供应非常紧张，再加上能源分配不均匀，所以我们急需要有利的措施解决我国幅员辽阔能源配置问题。
目前，我国已经开展了特高压交直流输电工程、智能电网和城乡电网大改造等工程，这些工程急需像把复合材料这样的材质作为输电杆塔，以降低成本、提高性能。因此，将综合性能最优的复合材料运用在杆塔在实际输电线路建设中一定会有广阔的应用前景[9]。
3国内外工程研究现状
复合材料杆塔已经在某些电压等级的输电线路中进行试点挂网运行了，主要有的电压等级有110、220、330、500、750 kV 等[10]。电压等级稍微高一些，荷载较大的线路，并不是全塔都使用复合材料，因为需要考虑接地方式，增加设计难度。对于电压等级较高的输电线路，一般采用复合材料横担杆塔作为输电塔[11]。
3.1 国外工程现状
复合材料运用在输电杆塔上的的研究、开发及应用属美国最为早，技术也最成熟[12]。美国于1954年就已经将复合材料制成输电杆塔安装在高浓度盐雾的夏威夷岛上[13]，到目前为止依旧运行。
又有一公司于1993—1995年制成了复合材料配电杆塔及输电杆塔，并且制定了相关的机械和电气标准[8]。1996 年3月，在高盐度及高污染地区一条220 kV 的输电线路上安装了三基格构式复合材料试验塔，未发现机械或电气损伤[13]。
日本也早就开展了复合横担的研究，19世纪将复合材料运用在输电杆塔上解决了风偏引起的闪络事故。加拿大RS公司采用聚氨酯树脂体系研究出了模段式复合材料组合输电杆，与常规的不饱和聚酯树脂复合材料相比强度更大、耐冲击力强度更大[14]。荷兰提出利用复合杆的绝缘性能来优化电磁场对环境的影响[15]。目前各国已经定制了复合自己公司的复合材料相关的应用标准。
3.2 国内工程现状
我国早已对复合材料输电杆进行研究，由于当时条件有限，材料性能不够成熟，工艺水平达不到要求，并未得到普及运用。最近几年，随着纤维材料制作工艺的流程改善， 2009年将全面实施“两型三新”线路建设，使复合材料广泛运用在输电杆塔上[13]。
目前由复合材料制成的220 kV电压等级及以下等级的抢修塔，已经在工程中得到大量的应用。同时，利用复合材料制成的输电杆塔进行220 k V的茅蔷线输电线路改造，该工程是将复合塔第一次应用于我国高电压等级的输电线路中。
2010年3月，我国第一基格构式复合材料杆塔在加载200%电压的情况下成功的进行了真型试验，4月该复合塔成功在银川东换流站—红柳沟接地级项目中投入使用。国家电网公司复合材料科技项目试点工程，是国内首条采用格构式的110kV输电工程。
2012年，上海500kV练塘变电站220kV出线工程是目前为止国内复合绝缘横担首次在220 kV架空输电线路中的应用实例[16]。该项目使用了复合材料横担大大缩小了静态线路走廊宽度，同时使线路综合走廊宽度缩小4m多。
2013年1月15日，长凤线220kV输电线路带电投运，这条输电线路使用了多种结构的复合材料塔，这种情况是第一次试点应用。首次将取消悬垂与耐张绝缘子的全复合材料杆塔及全复合节点连接的复合材料杆塔应用于220kV线路，在复合材料杆塔输电防雷设计方面，220kV复合材料杆塔采用引下线顺线方向悬空接地型式，并得到引下线与杆身不同距离的防雷特性。
同年，在四川眉山重污秽地区实行110kV复合材料杆塔试点应用，也是首次在110kV输电线路中间间隔穿插架设多基复合材料杆塔。
3.3 我国研究现状
国内研究现状可分为三类：半绝缘结构式复合杆塔（塔头为复合材料、下横担以下的部位是钢铁材料）、非格构式全复合杆塔、复合横担输电杆塔。
对于第一类杆塔，如天思线110kV输电线中使用复合塔就是这类塔。该类塔的塔头为复合材料，塔身为金属角钢结构组成的“半绝缘结构格构式复合材料杆塔”，并且要单独架设避雷线和接地引下线以确保其耐雷性能。
与常规塔相比雷电冲击绝缘强度和耐雷水平有所提高，雷击闪络跳闸率有所降低。但需考虑垂直引下线离塔身距离和下相横担与金属塔身距离的最佳值，比较复杂。
对于第二类杆塔，比如对四川眉山天思线路中所选中的110kV单杆双回复合塔的塔头进行了整塔绝缘间隙工频、操作、雷电冲击放电特性研究[17]。确定了110~220kV全复合材料杆塔接地引下线按顺线方向悬空引下为最佳防雷接地结构形式。
采用ATP-EMTP搭建仿真模型，用压控开关模型模拟空气间隙对复合材料杆塔进行对该杆塔进行防雷性能研究。该全复合杆塔存在和第一类杆塔一样的情况，需单独架设避雷线和接地引下线。
对于第三类杆塔，在新疆与西北主网联网工程中所使用的电压等级为750 kV的复合横担直线塔就是这类杆塔[18-19]。该线路中这七基塔采用干字型复合横担直线塔，并对该类型杆塔与常规塔进行电位分布进行对比，并且研究了加均压、屏蔽环对横担电位分布的影响。
对于如此高的电压等级没有对该杆塔做雷电性方面的研究，且其他使用复合横担的线路中有的是非格构式杆塔，且使用的是含有中间法兰的复合横担，该横担在中间法兰的位置具有较高场强，易产生电晕、电腐蚀。
4 发展趋势
针对我国特殊的地形地貌、天气环境、能源分布，可以考虑用如下方法缓解走廊线路紧张，能源分配不均等问题。
（1）考虑缓解输电线路走廊紧张问题，可以适当缩减横担长度。缩短复合材料绝缘子的长度，甚至取消悬垂绝缘串，以缩减成本。
（2）在满足输电线路结构强度、尺寸要求的情况下需要研究其场强和电位分布。需运用有限元分析软件分析其电磁环境。
（3）此类型杆塔未来可以运用在同塔多回输电线路中，及更高电压等级的同塔多回输电线路中。
（4）复合材料横担输电杆塔与全复合材料输电杆塔相比，可以不用考虑接地引下线的问题，方便设计。
（5）复合材料输电塔可以用来改造老旧杆塔。因为老旧输电线路运行多年后周围或许是被植被覆盖，也肯能存在与其他线路分享狭窄的走廊。对于这样的情况，使用复合材料塔替换老旧杆塔，可以缓解走廊紧张，并且运输方便、易维护和安装可以缩减成本。
（6）研究复合材料杆塔需要运用电磁暂态仿真软件考虑其空气间隙闪络问题[20],以保证其耐雷性能[21-22]。