一种复合材料输电杆塔的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种复合材料输电杆塔，该杆塔适用于110千伏以下输电线路中，所述杆塔包括彼此垂直连接的塔身和横向构件，所述横向构件包括塔身顶端的地线支架和所述地线支架下方的横担，其特征在于：所述塔身通过复合材料管叠加而成。由于塔身为竹状可以增加杆塔塔身的抗拉/压刚度，抗弯刚度及转动刚度，能有效地减小风偏、覆冰对杆塔的影响，能增大在恶劣天气下杆塔的稳定性，可用于腐蚀严重地区，且具有造价较低、运输、安装、维修费用较小，减小线路走廊的优点。
【专利说明】一种复合材料输电杆塔
【技术领域】:
[0001]本实用新型涉及输电线路工程，更具体涉及一种竹节仿生形复合材料输电杆塔。【背景技术】:
[0002]目前，输电线路中的杆塔一般包括铁塔和混凝土杆，其中钢材是一种电导体，且质量重和易腐蚀，所以钢构架并不是最理想的杆塔材料。混凝土杆质量比钢材更重，从而造成运输和安装困难，且易受环境影响。而复合材料杆塔由于其优良的综合性能，如强度高、重量轻、耐腐蚀、绝缘性好等特点，已经逐步得到了应用。
[0003]复合材料目前已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近年更是得到了飞速发展。随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受。输电线路中复合绝缘子和复合芯导线的成功运行，进一步拓展了复合材料在电网中的应用范围。
[0004]杆塔用的复合材料主要选用玻璃钢复合材料，增强纤维通常选用玻璃纤维，树脂选用热固性树脂体系。主要特点包括:(I)轻质高强，拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400Mpa以上,密度一般小于2.2g/cm3 ;因此可降低杆塔的运输和施工难度,提高电网的建设效率，特别是在运输困难地区的应用。(2)耐腐蚀性好，复合材料内部树脂固化后具有致密的三维网络结构，具有优异的耐酸、碱、盐及有机溶剂等介质耐蚀性能；可降低沿海及重工业区杆塔的腐蚀程度，延长杆塔使用寿命，降低杆塔维护成本。(3)复合材料杆塔具有较好的绝缘性能，在110KV及以上电压等级线路可有效缩减线路走廊宽度(最大可压缩30%以上)，减少风偏事故，节约土地资源、降低输电线路整体运营维护成本。
[0005]复合材料可以通过选择合适的原材料和合理的铺层形式，使复合材料构件或复合材料结构满足使用要求。复合材料的抗疲劳性能良好。而一般金属的疲劳强度为抗拉强度的40?50%，可某些复合材料可高达70?80%。复合材料的疲劳断裂是从基体开始，逐渐扩展到纤维和基体的界面上，没有突发性的变化。因此，复合材料在破坏前有预兆，可以检查和补救。复合材料的一些特点非常适合用于杆塔结构，不仅可以克服传统的输电杆塔普遍存在的质量重、易腐烂、锈蚀或开裂、耐久性差、使用寿命较短等缺陷，还能有效缓解金属或混凝土杆塔在施工运输和运行维护中的困难。近年来，随着国内复合材料成本的进一步降低，复合材料制作工艺的不断进步，复合材料杆塔的研究与应用条件已经具备，实现复合杆塔的技术储备对电网运行具有重要的现实意义。
[0006]复合材料杆塔已在全球部分地区得到应用，其中研制开发和应用相对成熟的有RS和Stixmgwell等公司。RS公司开发的复合材料杆塔已在欧美地区投入使用。例如加拿大大湖电力公司在230kV输电系统中安装了大约300基门形复合材料杆塔，此外还有90基复合杆塔正在其它电压等级输电系统中投入使用。在挪威，一条长50公里的132kV输电线路将使用170基RS公司生产的门形复合材料杆塔。由于复合材料模量小，复合材料单杆在受力时变形较大，采用门形的复合材料杆塔能有效减小变形，而复合材料杆塔在服役的过程中也由可能产生裂纹，并且裂纹随纤维方向扩展。本实用新型的输电杆塔所采用的竹节仿生结构能够减小复合材料单杆的变形，并且能够利用节点阻止裂纹顺纤维方向扩展。
实用新型内容:
[0007]本实用新型的目的是提供一种竹节仿生形复合材料输电杆塔，该杆塔适用于110KV以下输电线路中。本实用新型中的竹节仿生形复合材料输电杆塔可以增加杆塔塔身的抗拉/压刚度，抗弯刚度及转动刚度，能有效地减小风偏、覆冰对杆塔的影响，能增大在恶劣天气下杆塔的稳定性，可用于腐蚀严重地区，且具有造价较低、运输、安装、维修费用较小，减小线路走廊的优点。
[0008]为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案:一种竹节仿生形复合材料输电杆塔，该杆塔适用于110KV以下输电线路中，所述杆塔包括彼此垂直连接的塔身和横向构件，所述横向构件包括塔身顶端的地线支架和所述地线支架下方的横担，所述塔身为竹状，所述塔身通过竹状复合材料管叠加而成。
[0009]本实用新型提供的一种竹节仿生形复合材料输电杆塔，所述复合材料管至少为三个，相邻两个所述复合材料管通过连接件相互插接。
[0010]本实用新型提供的一种竹节仿生形复合材料输电杆塔，所述连接件的材料为复合材料，所述连接件包括圆盘和设置在圆盘上下的圆柱体，所述圆柱体的半径与相连的所述复合材料管内径相同的，所述连接件通过粘结剂与所述复合材料管连接。
[0011]本实用新型提供的另一优选的一种竹节仿生形复合材料输电杆塔，所述复合材料管通过节间叠加而成，所述节间包括轴向平行段和对称设置在平行段两端的曲线段，相邻两个所述节间处为节点，所述节点为竹节结构。
[0012]本实用新型提供的再一优选的一种竹节仿生形复合材料输电杆塔，其特征在于:所述节间为3-6个，所述节点内部径向设有隔板。
[0013]本实用新型提供的又一优选的一种竹节仿生形复合材料输电杆塔，所述隔板的为圆形网状格构式铝板，所述隔板上下表面焊有铝板。
[0014]本实用新型提供的又一优选的一种竹节仿生形复合材料输电杆塔，所述复合材料管为叠层结构，所述叠层由内到外依次包括内层、中层和外层；所述内层为管状纤维层；所述中层和所述外层均为为竹状纤维层。
[0015]本实用新型提供的又一优选的一种竹节仿生形复合材料输电杆塔，
[0016]所述内层由内到外至少分为5层管状纤维层，所述内层的纤维沿管状纤维层由内至外与其轴向间的夹角依次为0°、45°、90°和135°的角度铺设纤维并按此角度循环铺设；
[0017]所述中层的纤维与所述中层轴向间的夹角为90°方向铺设；
[0018]所述外层纤维层至少为2层，所述外层的纤维沿外层纤维层由内至外与其轴向间的夹角为0°和90°的角度铺设纤维并按照此角度循环铺设。
[0019]本实用新型提供的又一优选的一种竹节仿生形复合材料输电杆塔，
[0020]所述内层为5层管状纤维层，所述内层的纤维沿管状纤维层由内至外与其轴向间的夹角依次为0°、45°、90°和135°的角度铺设纤维并按此角度循环铺设；
[0021]所述外层纤维层至少为2层，所述外层的纤维沿外层的纤维层由内至外与其轴向间的夹角为0°和90°的角度铺设。
[0022]本实用新型提供的又一优选的一种竹节仿生形复合材料输电杆塔，所述内层厚度至少为所述叠层厚度的40% ;所述中层最大的厚度至少为所述叠层厚度的30% ;所述外层厚度至少为所述叠层厚度的25%。
[0023]本实用新型提供的又一优选的一种竹节仿生形复合材料输电杆塔，所述中层的节点处纤维厚度大于中层的曲线段的区域纤维厚度。
[0024]本实用新型提供的又一优选的一种一种竹节仿生形复合材料输电杆塔，其特征在于:所述复合材料管的顶部和底部均通过密封胶进行密封。
[0025]本实用新型提供的又一优选的一种竹节仿生形复合材料输电杆塔，所述复合材料管的材料为复合材料，所述复合材料包括纤维和增强树脂，所述纤维采用高模量的纤维，所述增强树脂采用耐热，耐老化，绝缘性强的树脂材料。
[0026]本实用新型提供的又一优选的一种竹节仿生形复合材料输电杆塔，所述复合材料还包括绿色染色剂。
[0027]由于采用了上述技术方案，本实用新型得到的有益效果是:
[0028]1、本实用新型中输电杆塔通过布置竹节仿生节点，增大塔身的抗拉/压刚度，抗弯刚度及转动刚度来减小塔整体的变形；能够有效防止复合材料杆塔由于裂纹扩展而导致杆塔承载力快速下降，没有预兆而直接倒塌的危险；
[0029]2、本实用新型中输电杆塔外形美观，能与大自然相融合；
[0030]3、本实用新型为输变电线路设计了一种结构科学，承载力合理，与自然环境相协调的竹节仿生形复合材料杆塔；
[0031]4、本实用新型中输电杆塔的纤维结构内层的设计起到支撑杆塔的作用，能提高杆塔的承载力；
[0032]5、本实用新型中输电杆塔的纤维结构的中层是组成节点的主要结构，可起到增大节点附近拉压刚度，抗弯刚度等强化力学性能的作用；
[0033]6、本实用新型中输电杆塔的纤维结构的外层的受力是整个结构中最大的部位，而且外层要起到阻止裂纹从一个节间向另外一个节间扩展的作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1为本实用新型的输电杆塔的整体结构示意图；
[0035]图2为本实用新型的输电杆塔节间的示意图；
[0036]图3为本实用新型复合材料管间的组装示意图；
[0037]图4为本实用新型复合材料管连接件的主视图；
[0038]图5为本实用新型复合材料管连接件的俯视图；
[0039]图6为本实用新型输电杆塔纤维结构示意图；
[0040]图7为本实用新型复合材料隔板的剖面图；
[0041]图8为本实用新型复合材料隔板内部格构式结构示意图；
[0042]图9为本实用新型复合材料隔板的整体图；
[0043]图10为本实用新型输电杆塔的受力示意图；
[0044]图11为本实用新型输电杆塔的刚度计算参数示意图；[0045]其中，1-复合材料杆，2-节点，3-复合材料管，4-连接件，5-隔板，6_节间，7_地线支架，8-地线支架抱箍，9-上横担抱箍(a)，10-下横担吊杆，11-拉线，12-上楔形线夹，13-下楔形线夹，14-拉线盘，15-底盘，16-下横担抱箍(a)，17-下横担，18-下横担抱箍(b)，19-上横担，20-上横担吊杆，21-上横担抱箍(b)。
【具体实施方式】
[0046]下面结合实施例对实用新型作进一步的详细说明。
[0047]实施例1:
[0048]如图1所示，本例的输电杆塔用于110KV以下的输配电线路中，所述输电杆塔包括彼此垂直连接的塔身和横向构件，所述横向构件包括顶端径向设置的地线支架7和所述地线支架7下方的横担，本实施例中所述塔身采用竹状复合材料杆1，所述复合材料杆I通过多个竹状复合材料管3叠加而成，所述复合材料管3为多个节间6叠加而成。
[0049]如图3-5所示，所述复合材料管3至少为三个，相邻两个所述复合材料管3通过连接件4相互插接。
[0050]所述连接件4为复合材料制成，所述连接件4包括圆盘和设置在圆盘上下并且小于圆盘半径的圆柱体，所述圆柱体的半径与相连的所述复合材料管3内径相同的，所述连接件4通过粘结剂与所述复合材料管3连接，所述粘结胶固化后不能进水，要保证良好的密封性。
[0051]如图2所示，所述节间6包括轴向平行段和对称设置在平行段两端的曲线段，所述平行段为管状结构，所述相邻两个所述节间6处为节点2，所述节点2为竹节结构，即一个凸起的部位，所述曲线段为所述平行段与节点2间的平滑过渡管。
[0052]所述复合材料管3含有节间6的个数和每个节间6的间距按照减小塔身整体变形的原则设计。一般，所述节间6为3-6个，所述节点内部径向设有隔板，所述隔板侧面通过粘结剂与节点相连，所述粘结胶固化后不能进水，要保证良好的密封性。
[0053]如图7-9所示，所述隔板5为圆形网状格构式铝板，所述隔板5上下表面焊有铝板。
[0054]每个所述节间6的长度相等或者每个所述节间6的长度从下到上依次变长。每个所述复合材料管3的厚度相同。
[0055]但为了考虑经济性，其中每个复合材料管3也可以用不同直径的部件组成逐渐变细的锥形杆，大体上可采用从底部到顶部的几段复合材料管3，直径依次减小，厚度也依次减小。
[0056]如图3和6所示，所述复合材料管3为叠层纤维结构，所述叠层由内到外依次包括内层、中层和外层；所述内层为管状纤维层；所述中层和所述外层均为竹状层。
[0057]所述内层由内到外至少分为5层管状纤维层，所述内层的纤维沿管状纤维层由内至外与所述管状纤维层轴向间的夹角依次为0°、45°、90°和135°方向铺设纤维，并按照该角度变化顺序铺设在每个管状纤维层上；
[0058]所述中层的纤维与所述中层轴向间的夹角为90°方向铺设；
[0059]所述外层纤维层至少为2层，所述外层的纤维沿外层纤维层由内至外与所述外层纤维层轴向间的夹角依次为0°和90°方向铺设。[0060]本实施例中，所述内层为5个管状纤维层，由内到外即内层I层-内层5层，所述内层I层的纤维与所述复合材料管3轴向方向呈0°角度铺设在内层I层上，内层2层的纤维与所述复合材料管3轴向方向呈45°角度铺设在内层2层上，内层3层的纤维与所述复合材料管3轴向方向呈90°角度铺设在内层3层上，内层4层的纤维与所述复合材料管3轴向方向呈135°角度铺设在内层4层上和内层5层的纤维与所述复合材料管3轴向方向呈0°角度铺设在内层5层上。
[0061]本实施例中，所述外层为2个纤维层，由内到外即外层I层和外层2层，所述外层I层的纤维沿所述复合材料管的轴向方向呈0°角度铺设在外层I层上，所述外层2层的纤维沿所述复合材料管的轴向方向呈90°角度铺设在外层2层上。 [0062]所述内层主要起支撑作用，能提高杆塔的承载力，所述内层厚度至少为所述叠层厚度的40% ；
[0063]纤维结构的中层是组成节点的主要结构，可起到增大节点附近拉压刚度，抗弯刚度等强化力学性能的作用，所述中层的最大厚度至少为所述叠层厚度的30% ；
[0064]纤维结构的外层的受力是整个结构中最大的部位，而且外层要起到阻止裂纹从一个节间像另外一个节间扩展的作用，所述外层径向厚度至少为所述叠层厚度的25%。
[0065]纤维结构的中层铺层要满足构造要求，其圆周纵向厚度变化规律是，所述中层节点处纤维厚度大于中层曲线段的平滑过渡的区域纤维厚度，所述纤维厚度通过纤维缠绕的圈数改变。
[0066]所述复合材料杆I的顶部和底部均通过密封胶进行密封，密封胶固化后不能进水，要保证良好的密封性。
[0067]如图1所示，所述复合材料杆I的底部埋在地下，所述复合材料杆I的底部埋入地下的长度的计算方法为:
[0068]H0 = 0.06H+h,(1-1)
[0069]其中Htl为埋深的长度，H为整个电线主杆的长度，h为一个常数，h 一般情况下取值为1.2。
[0070]所述复合材料杆I底部粘接底盘15，本实施例中所述底盘15为法兰盘。
[0071]所述复合材料管3采用变截面拉挤的方法制作，即为拉挤成型的变截面复合材料管。
[0072]所述输电杆塔的地线支架7通过套筒即地线支架抱箍8与所述复合材料杆I顶部连接，所述横担包括上横担19和下横担17，所述上横担19的一端通过套筒即上横档抱箍(b) 9与所述复合材料杆I连接，所述上横担19的另一端与上横担吊杆20的一端连接，所述上横担吊杆20的另一端通过所述上横担19上方的所述套筒即上横档抱箍(b)21与所述复合材料杆I连接；
[0073]所述下横担17的中间通过套筒即下横担抱箍(a)16与所述复合材料杆I连接，所述下横担17的两端分别通过两个下横担吊杆10与所述复合材料杆I连接，两个所述下横担吊杆10分别通过上横档抱箍(b)21和所述下横担17上方的下横担抱箍(b)18与所述复合材料杆I连接；所述套筒即抱箍通过螺栓固定在所述复合材料杆I上。
[0074]所述输电杆塔既可以是转角塔也可以是直线塔，在所述下横担抱箍(a) 16与地面通过拉线11连接，所述拉线11上方和下方分别设有上楔形线夹12和下楔形线夹13，所述拉线11底端设有拉线盘14，所述拉线11对地面夹角小于60度，拉线盘14埋深不低于
0.6mο
[0075]所述输电杆塔的复合材料包括纤维和增强树脂，所述纤维采用高模量的纤维，所述增强树脂采用耐热，耐老化，绝缘性强的树脂材料。
[0076]竹节仿生形复合材料输电杆塔，由于该输电杆塔具有竹子的外形，可以改变杆塔的塔身颜色，使该输电杆塔的整体外观与自然环境相协调，在其制作过程中添加了与绿色相关染色剂，使成型后的竹节仿生形复合材料输电杆塔的总体颜色和天然的竹子一样。
[0077]如图11所示，本实用新型中的竹节仿生形复合材料输电杆塔，其节间的转动刚度计算方法如下:
[0078]当节间两端各作用一个单位弯矩时，节间两端的转角位移:
[0079]
【权利要求】
1.一种复合材料输电杆塔，该杆塔适用于110千伏以下输电线路中，所述杆塔包括彼此垂直连接的塔身和横向构件，所述横向构件包括塔身顶端的地线支架和所述地线支架下方的横担，其特征在于:所述塔身通过复合材料管叠加而成。
2.如权利要求1所述的一种复合材料输电杆塔，其特征在于:所述复合材料管至少为三个，相邻两个所述复合材料管通过连接件相互插接。
3.如权利要求2所述的一种复合材料输电杆塔，其特征在于:所述连接件材料为复合材料，所述连接件包括圆盘和设置在圆盘上下的圆柱体，所述圆柱体的半径与相连的所述复合材料管内径相同的，所述连接件通过粘结剂与所述复合材料管连接。
4.如权利要求1所述的一种复合材料输电杆塔，其特征在于:所述复合材料管通过节间叠加而成，所述节间包括轴向平行段和对称设置在平行段两端的曲线段，相邻两个所述节间处为节点。
5.如权利要求4所述的一种复合材料输电杆塔，其特征在于:所述节间为3-6个，所述节点内部径向设有隔板。
6.如权利要求5所述的一种复合材料输电杆塔，其特征在于:所述隔板为由网格组成的圆形板，所述圆形板上下表面焊有铝板。
7.如权利要求1-4任意一项所述的一种复合材料输电杆塔,其特征在于:所述复合材料管为叠层结构，所述叠层由内到外依次包括内层、中层和外层；所述内层为管状纤维层；所述中层和所述外层均为竹状纤维层。
8.如权利要求7所述的一种复合材料输电杆塔，其特征在于:所述内层由内到外至少分为5层管状纤维层，所述内层的纤维沿管状纤维层由内至外依次与其轴向间的夹角为0°、45°、90°和135°的角度·铺设并按此角度循环铺设； 所述中层的纤维与所述中层轴向间的夹角为90°方向铺； 所述外层纤维层至少为2层，所述外层的纤维沿外层纤维层由内至外与其轴向间的夹角为0°和90°的角度铺设纤维并按照此角度循环铺设。
9.如权利要求8所述的一种复合材料输电杆塔,其特征在于:所述内层为5层管状纤维层，所述内层的纤维沿管状纤维层由内至外与其轴向间的夹角依次为0°、45°、90°和135°的角度铺设纤维并按此角度循环铺设； 所述外层纤维层至少为2层，所述外层的纤维沿外层纤维层由内至外与其轴向间的夹角为0°和90°的角度铺设。
10.如权利要求9所述的一种复合材料输电杆塔，其特征在于:所述内层厚度至少为所述叠层厚度的40% ;所述中层最大的厚度至少为所述叠层厚度的30% ;所述外层厚度至少为所述叠层厚度的25%。
11.如权利要求10所述的一种复合材料输电杆塔,其特征在于:所述中层的节点处纤维厚度大于中层的曲线段的区域纤维厚度，所述纤维厚度通过纤维缠绕的圈数改变。
12.如权利要求1所述的一种复合材料输电杆塔，其特征在于:所述复合材料管的顶部和底部均通过密封胶进行密封。
13.如权利要求1所述的一种复合材料输电杆塔，其特征在于:所述复合材料管材料为复合材料，所述复合材料包括纤维和增强树脂，所述纤维采用高模量的纤维。
14.如权利要求13所述的一种复合材料输电杆塔，其特征在于:所述复合材料还包括绿色染 色剂。
【文档编号】E04H12/02GK203559612SQ201320396892
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年7月4日 优先权日:2013年7月4日
【发明者】杨靖波, 韩军科, 王旭明, 刘海锋, 邢海军 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院