金屬熱處理技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢研究

西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院、國網(wǎng)河南省電力公司鄭州供電公司的研究人員邱雪梅、黃譯丹、李雍、李舜、周悅，在2017年第9期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，桿塔在輸電線路中占有非常重要的位置。復(fù)合材料作為一種質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、易安裝、絕緣性好的優(yōu)質(zhì)材料已廣泛運用于輸電線路中。

目前所使用的復(fù)合材料輸電塔有幾種形式，半絕緣結(jié)構(gòu)式復(fù)合桿塔、非格構(gòu)式全復(fù)合桿塔、復(fù)合橫擔(dān)輸電桿塔。未來我們可以根據(jù)工程實際要求研制更多類型的復(fù)合塔。

目前現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)對供電可靠性、安全性、高效性的要求逐漸增高，電力負(fù)荷需求日漸增大，使得電力輸電網(wǎng)絡(luò)、電力行業(yè)面臨越發(fā)嚴(yán)峻的考驗；而我們還面臨著一系列的環(huán)境問題，如土地資源使用率高，有色金屬使用量增大，能源分布不均勻，綠色能源使用率低。電能質(zhì)量好，供電可靠、經(jīng)濟(jì)安全、高效節(jié)能和環(huán)境友好性需求也已提高，所以電力建設(shè)同樣面臨著嚴(yán)峻的考驗及各種問題。

桿塔在輸電線路中占據(jù)十分重要的位置，在整個線路工程中,其施工、運輸、安裝、維護(hù)都需消耗很大的人力物力 [1]。目前輸電技術(shù)的不斷進(jìn)步，電壓等級不斷升高，輸電線路對桿塔材料性能的要求也越來越高[2]。

1傳統(tǒng)輸電塔存在的問題

傳統(tǒng)輸電線路桿塔存在質(zhì)量大、易銹蝕、易開裂、壽命短等缺點[3]。再加上長期裸露在外長期受到風(fēng)雨、大氣污穢、雷擊、鳥害等等的影響，容易出現(xiàn)各種安全隱患，歸納起來如下。

（1）腐蝕: 木桿極易被腐蝕，使用壽命大概為30年左右就開始腐爛，且一旦受腐蝕就會持續(xù)受腐蝕，直至失去強(qiáng)度。金屬電桿一旦發(fā)生生銹腐蝕減少了使用壽命，增加了維修成本[4]。

（2）安裝成本: 輸電線路大多經(jīng)過偏遠(yuǎn)山區(qū)，這將使電力桿塔在安裝前需經(jīng)過復(fù)雜的運輸過程來搬運沉重的鋼質(zhì)、木質(zhì)水泥質(zhì)桿塔，使得安裝費用增高。

（3）事故與其他問題: 不同電壓等級的輸電線路，不管是交流還是直流只要長期裸露在室外，則有可能遭受風(fēng)霜、雪雨、污穢、雷擊等的影響發(fā)生雷擊、污閃[5]。

目前隨著輸電線路增多電壓等級增高，輸電網(wǎng)絡(luò)變密，輸電線路走廊資源利用率變得越來越高，急需縮減走廊寬度、提高線路輸送力[6-7]。研制電力輸電塔桿，需考慮其是否能抵御覆冰、地震、大風(fēng)、暴雪等自然災(zāi)害因此研發(fā)復(fù)合材料輸電桿塔勢在必行。

2復(fù)合塔優(yōu)勢

復(fù)合塔是與之前所使用的桿塔對比其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在如以下點[4]：

（1）運輸、安裝、運行、維護(hù)成本低

復(fù)合材料電桿的質(zhì)量輕[8]，約為木材桿的1/3、砼桿的1/10、鋼鐵材質(zhì)桿的1/2，方便運輸和安裝、免維護(hù)或維護(hù)成本低、節(jié)省勞動力資源。

（2）環(huán)境適應(yīng)性好

復(fù)合材料能適應(yīng)各種有機(jī)溶劑和腐蝕劑。所以復(fù)合材料桿塔特別適合用在沿海、強(qiáng)紫外線、潮濕、強(qiáng)紫外線地區(qū)、以及工業(yè)發(fā)達(dá)，酸雨多發(fā)地。

（3）絕緣性能好

良好的絕緣性，除了能避免風(fēng)偏及污閃事故，減小塔身與導(dǎo)線間的距離并且縮短線路走廊寬度，保障線路在安全運行下水平，減少雷擊事故發(fā)生，降低桿塔底座的電磁場對周圍環(huán)境的影響。

（4）防盜防損

使用鋼鐵材質(zhì)的桿塔，會易被盜和被破壞，所以在這樣的情況下可以使用復(fù)合材料替代鋼質(zhì)桿塔，可有效防止塔材被盜，以保證線路安全運行，減少經(jīng)濟(jì)損失。

綜上所述，復(fù)合材料具有的特性非常適合用在輸電行業(yè)中。復(fù)合材料桿塔有更優(yōu)的特性，我們可以將這樣的優(yōu)點與合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合，使復(fù)合材料桿塔取代其他材質(zhì)的輸電線桿塔運用在輸電線路中。

我國經(jīng)濟(jì)的目前正在飛速發(fā)展，用電需求的地域越來越廣，用電量也日趨增大，電力供應(yīng)非常緊張，再加上能源分配不均勻，所以我們急需要有利的措施解決我國幅員遼闊能源配置問題。

目前，我國已經(jīng)開展了特高壓交直流輸電工程、智能電網(wǎng)和城鄉(xiāng)電網(wǎng)大改造等工程，這些工程急需像把復(fù)合材料這樣的材質(zhì)作為輸電桿塔，以降低成本、提高性能。因此，將綜合性能最優(yōu)的復(fù)合材料運用在桿塔在實際輸電線路建設(shè)中一定會有廣闊的應(yīng)用前景[9]。

3國內(nèi)外工程研究現(xiàn)狀

復(fù)合材料桿塔已經(jīng)在某些電壓等級的輸電線路中進(jìn)行試點掛網(wǎng)運行了，主要有的電壓等級有110、220、330、500、750 kV 等[10]。電壓等級稍微高一些，荷載較大的線路，并不是全塔都使用復(fù)合材料，因為需要考慮接地方式，增加設(shè)計難度。對于電壓等級較高的輸電線路，一般采用復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔作為輸電塔[11]。

3.1 國外工程現(xiàn)狀

復(fù)合材料運用在輸電桿塔上的的研究、開發(fā)及應(yīng)用屬美國最為早，技術(shù)也最成熟[12]。美國于1954年就已經(jīng)將復(fù)合材料制成輸電桿塔安裝在高濃度鹽霧的夏威夷島上[13]，到目前為止依舊運行。

又有一公司于1993—1995年制成了復(fù)合材料配電桿塔及輸電桿塔，并且制定了相關(guān)的機(jī)械和電氣標(biāo)準(zhǔn)[8]。1996 年3月，在高鹽度及高污染地區(qū)一條220 kV 的輸電線路上安裝了三基格構(gòu)式復(fù)合材料試驗塔，未發(fā)現(xiàn)機(jī)械或電氣損傷[13]。

日本也早就開展了復(fù)合橫擔(dān)的研究，19世紀(jì)將復(fù)合材料運用在輸電桿塔上解決了風(fēng)偏引起的閃絡(luò)事故。加拿大RS公司采用聚氨酯樹脂體系研究出了模段式復(fù)合材料組合輸電桿，與常規(guī)的不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料相比強(qiáng)度更大、耐沖擊力強(qiáng)度更大[14]。荷蘭提出利用復(fù)合桿的絕緣性能來優(yōu)化電磁場對環(huán)境的影響[15]。目前各國已經(jīng)定制了復(fù)合自己公司的復(fù)合材料相關(guān)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 國內(nèi)工程現(xiàn)狀

我國早已對復(fù)合材料輸電桿進(jìn)行研究，由于當(dāng)時條件有限，材料性能不夠成熟，工藝水平達(dá)不到要求，并未得到普及運用。最近幾年，隨著纖維材料制作工藝的流程改善， 2009年將全面實施“兩型三新”線路建設(shè)，使復(fù)合材料廣泛運用在輸電桿塔上[13]。

目前由復(fù)合材料制成的220 kV電壓等級及以下等級的搶修塔，已經(jīng)在工程中得到大量的應(yīng)用。同時，利用復(fù)合材料制成的輸電桿塔進(jìn)行220 k V的茅薔線輸電線路改造，該工程是將復(fù)合塔第一次應(yīng)用于我國高電壓等級的輸電線路中。

2010年3月，我國第一基格構(gòu)式復(fù)合材料桿塔在加載200%電壓的情況下成功的進(jìn)行了真型試驗，4月該復(fù)合塔成功在銀川東換流站—紅柳溝接地級項目中投入使用。國家電網(wǎng)公司復(fù)合材料科技項目試點工程，是國內(nèi)首條采用格構(gòu)式的110kV輸電工程。

2012年，上海500kV練塘變電站220kV出線工程是目前為止國內(nèi)復(fù)合絕緣橫擔(dān)首次在220 kV架空輸電線路中的應(yīng)用實例[16]。該項目使用了復(fù)合材料橫擔(dān)大大縮小了靜態(tài)線路走廊寬度，同時使線路綜合走廊寬度縮小4m多。

2013年1月15日，長鳳線220kV輸電線路帶電投運，這條輸電線路使用了多種結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料塔，這種情況是第一次試點應(yīng)用。首次將取消懸垂與耐張絕緣子的全復(fù)合材料桿塔及全復(fù)合節(jié)點連接的復(fù)合材料桿塔應(yīng)用于220kV線路，在復(fù)合材料桿塔輸電防雷設(shè)計方面，220kV復(fù)合材料桿塔采用引下線順線方向懸空接地型式，并得到引下線與桿身不同距離的防雷特性。

同年，在四川眉山重污穢地區(qū)實行110kV復(fù)合材料桿塔試點應(yīng)用，也是首次在110kV輸電線路中間間隔穿插架設(shè)多基復(fù)合材料桿塔。

3.3 我國研究現(xiàn)狀

國內(nèi)研究現(xiàn)狀可分為三類：半絕緣結(jié)構(gòu)式復(fù)合桿塔（塔頭為復(fù)合材料、下橫擔(dān)以下的部位是鋼鐵材料）、非格構(gòu)式全復(fù)合桿塔、復(fù)合橫擔(dān)輸電桿塔。

對于第一類桿塔，如天思線110kV輸電線中使用復(fù)合塔就是這類塔。該類塔的塔頭為復(fù)合材料，塔身為金屬角鋼結(jié)構(gòu)組成的“半絕緣結(jié)構(gòu)格構(gòu)式復(fù)合材料桿塔”，并且要單獨架設(shè)避雷線和接地引下線以確保其耐雷性能。

與常規(guī)塔相比雷電沖擊絕緣強(qiáng)度和耐雷水平有所提高，雷擊閃絡(luò)跳閘率有所降低。但需考慮垂直引下線離塔身距離和下相橫擔(dān)與金屬塔身距離的最佳值，比較復(fù)雜。

對于第二類桿塔，比如對四川眉山天思線路中所選中的110kV單桿雙回復(fù)合塔的塔頭進(jìn)行了整塔絕緣間隙工頻、操作、雷電沖擊放電特性研究[17]。確定了110~220kV全復(fù)合材料桿塔接地引下線按順線方向懸空引下為最佳防雷接地結(jié)構(gòu)形式。

采用ATP-EMTP搭建仿真模型，用壓控開關(guān)模型模擬空氣間隙對復(fù)合材料桿塔進(jìn)行對該桿塔進(jìn)行防雷性能研究。該全復(fù)合桿塔存在和第一類桿塔一樣的情況，需單獨架設(shè)避雷線和接地引下線。

對于第三類桿塔，在新疆與西北主網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)工程中所使用的電壓等級為750 kV的復(fù)合橫擔(dān)直線塔就是這類桿塔[18-19]。該線路中這七基塔采用干字型復(fù)合橫擔(dān)直線塔，并對該類型桿塔與常規(guī)塔進(jìn)行電位分布進(jìn)行對比，并且研究了加均壓、屏蔽環(huán)對橫擔(dān)電位分布的影響。

對于如此高的電壓等級沒有對該桿塔做雷電性方面的研究，且其他使用復(fù)合橫擔(dān)的線路中有的是非格構(gòu)式桿塔，且使用的是含有中間法蘭的復(fù)合橫擔(dān)，該橫擔(dān)在中間法蘭的位置具有較高場強(qiáng)，易產(chǎn)生電暈、電腐蝕。

4 發(fā)展趨勢

針對我國特殊的地形地貌、天氣環(huán)境、能源分布，可以考慮用如下方法緩解走廊線路緊張，能源分配不均等問題。

（1）考慮緩解輸電線路走廊緊張問題，可以適當(dāng)縮減橫擔(dān)長度?？s短復(fù)合材料絕緣子的長度，甚至取消懸垂絕緣串，以縮減成本。

（2）在滿足輸電線路結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、尺寸要求的情況下需要研究其場強(qiáng)和電位分布。需運用有限元分析軟件分析其電磁環(huán)境。

（3）此類型桿塔未來可以運用在同塔多回輸電線路中，及更高電壓等級的同塔多回輸電線路中。

（4）復(fù)合材料橫擔(dān)輸電桿塔與全復(fù)合材料輸電桿塔相比，可以不用考慮接地引下線的問題，方便設(shè)計。

（5）復(fù)合材料輸電塔可以用來改造老舊桿塔。因為老舊輸電線路運行多年后周圍或許是被植被覆蓋，也肯能存在與其他線路分享狹窄的走廊。對于這樣的情況，使用復(fù)合材料塔替換老舊桿塔，可以緩解走廊緊張，并且運輸方便、易維護(hù)和安裝可以縮減成本。

（6）研究復(fù)合材料桿塔需要運用電磁暫態(tài)仿真軟件考慮其空氣間隙閃絡(luò)問題[20],以保證其耐雷性能[21-22]。