摘　要:高強度復合材料具有優越的性能,用其制作的電力電纜支架是傳統鋼結構電力電纜支架的可靠替代產品。介紹了鋼結構電力電纜支架存在的主要問題,分析了應用于電力電纜支架的復合材料具有的優良特性。介紹了有關標準對高強度復合材料電力電纜支架的主要性能要求,以及對某公司提供的電力電纜支架樣品性能檢測的良好結果和工程應用情況。

關鍵詞:高強度復合材料;電力電纜支架;鋼結構　　

在變電站電纜層、電纜溝、電纜隧道以及其他電纜構筑物中,一般都采用鋼結構電力電纜(下稱電纜)支架。由于鋼結構電纜支架存在一些明顯的缺點,因此新型的高強度復合材料電纜支架引起了廣泛的關注。

1　鋼結構電纜支架存在的主要問題

　　1)易銹蝕。鋼結構電纜支架的防銹、耐化學腐蝕性較差,尤其在環境潮濕、長期積水的電纜溝及工井中很易銹蝕,即使經過鍍鋅處理,也難免被銹蝕。通常鋼結構電纜支架每5~7 a需要維修養護一次,且原材料價格較貴,部分需要進口。上海市電力公司檢修公司規定:安裝在電纜溝或工井中的鋼結構電纜支架,使用滿20 a應列入更新計劃。 2)用于高壓單芯電纜、電纜外護套損傷時, 可能會通過鋼結構支架形成接地環流或產生間隙放電,導致電纜外護套進一步損壞。 3)用于高壓單芯大截面電纜時,在運行中由于交變電磁場的作用,鋼結構電纜支架作為電磁性媒質產生明顯的渦流損耗和磁滯損耗,導致支架溫度升高,從而使電纜外護套表面溫度升高, 周圍媒質熱阻增大,影響電纜的輸送容量。

　　經計算,每根鋼結構電纜支架由于渦流產生的功率損耗可達2~10 W。在較長電纜線路上,因電纜支架數量很多,產生的能量損耗就相當大。以上海浦東―長興―崇明220 kV電纜工程為例,整個工程的鋼結構電纜支架數量達44 000根。如果以每根支架的能量損耗為2 W計算,這44 000 根鋼結構電纜支架總損耗將達到88 kW,每年消耗電能將達到77萬kW?h,大約相當于上海市 600戶普通家庭1 a的用電量。

2　應用于電纜支架的復合材料

　　復合材料是由兩種或兩種以上不同組分的材料,通過適當的復合工藝,將其組合成一種具有整體結構特性、使用性能優異的新型材料。它除保留原組分材料的主要特點外,又能通過復合效應獲得原組分材料不具備的性能。應用于電纜支架的復合材料一般以樹脂為基體、以玻璃纖維為增強材料。這種復合材料技術比較成熟、應用比較廣泛,原材料價格也比較便宜。與工程常用的非鐵磁性不銹鋼和鋁合金相比,該復合材料的造價約為不銹鋼的1/6,為鋁合金的1/3;具有達到甚至超過普通鋼的機械強度, 拉伸和彎曲強度可達到400 MPa以上;比強度 (拉伸強度與其密度之比)為1.03×106cm,是鋼的3~8倍;比模量(彈性模量與其密度之比)為 (1.0~1.5)×109cm,是鋼的4~7倍。

　　復合材料具有優良的力學性能、電性能和化學穩定性,具有較高的機械強度、較好的耐熱性能和瞬時耐高溫燒蝕性能。特別是樹脂基復合材料具有優異的耐腐蝕性能,不像普通鋼那樣會產生電化學腐蝕。它不導電,在電解質溶液中不會溶解出離子,因而對大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽等介質都具有較好的穩定性。復合材料是非鐵磁性材料,不會產生渦流損耗,用作高壓大截面單芯電纜支架,相對于鋼支架有明顯的節能降耗效果。

3　高強度復合材料電纜支架的主要技術性能要求

　　復合材料具有材料的形成和制品的成型同時完成的特點,其性能與成型的工藝方法、工藝參數、組成材料的比例及增強材料的分布方式、工藝過程的控制等密切相關。因此,復合材料的性能對工廠生產工藝有著較大的依賴性,復合材料制品應經過嚴格質量檢驗后,才可在電纜線路上投入使用。其質量檢驗項目和標準,應由生產和設計單位共同制定,并符合使用要求。復合材料產品要在經過實際應用考驗之后,才能推廣使用。

　　根據DL/T5221―2005《城市電力電纜線路設計技術規定》等相關技術標準,復合材料電纜支架主要技術性能應符合以下要求。 1)復合材料電纜支架應滿足電纜及附件荷重及施工作業時的附加荷重(按頂端1 kN計算),要求支架頂端通過2.0 kN的力學試驗,垂直撓度≤20 mm,安全裕度應不小于1.5。 2)支架樣品應能通過下述耐沖擊力試驗:在頂端加0.5 kN靜荷載,并將1 kN重物置于距支架頂端上方0.5 m處,將重物以瞬時釋放方式對支架端部施加沖擊力,試樣應不損壞。 3)支架應平直,無明顯扭曲,表面光滑,無尖角和毛剌。在電纜承受橫向推力的情況下,電纜外護套上不應產生可見的刮磨損傷。 4)良好的電氣絕緣性能。 5)良好的阻燃性能。產品阻燃試驗應符合氧指數達到50%以上,燃燒級別為FH-1或FVO 級的要求。 6)良好的耐腐蝕性能。產品應能分別經受 5%鹽酸溶液和10%氫氧化鈉溶液,在室溫下浸泡7個晝夜,表面應無變化,產品拉伸和彎曲強度,模量無明顯變化。 7)支架樣品應能經受每天8 h、7 d的老化試驗,包括高低溫交變(-40~100℃)和鹽霧試驗, 試驗后其主要性能應無明顯變化。 8)復合材料電纜支架應符合環保要求。 9)生產廠家應有復合材料電纜支架的企業標準,其中所列的產品質量監控項目和技術標準, 應得到設計和使用單位認同,并作為使用單位進行產品驗收的依據。 10)在正常使用環境下,應滿足不少于30 a 免維護的使用壽命。

4　高強度復合材料電纜支架的性能檢測

　　對由某公司提供工程應用的復合材料電纜支架樣品(在托臂長500 mm的批量產品中隨機抽樣),根據有關技術標準,對復合材料電纜支架的主要技術性能要求,做了下述10個項目的性能檢測。1)力學性能檢測(委托上海復合材料測試中心測試)。測得支架頂端集中載荷為2 kN時大撓度小于20 mm;拉伸強度為288 MPa;拉伸模量為32.6 GPa;彎曲強度為397 MPa;彎曲模量為26.9 GPa。 2)耐沖擊試驗。在支架頂端加0.5 kN靜荷載,在其上方0.5 m處設置1 kN重物,重物以瞬時釋放方式,對支架端部實施沖擊。對5個試樣進行耐擊試驗,試樣均完好無損。 3)大集中荷載測試。取5個試樣,在試樣頂端加集中荷載,并測撓度。經測試,當集中荷載達2.5 kN時,5個試樣撓度均為20 mm;當集中荷載達3.0 kN時,5個試樣撓度均為25 mm。持續加載,以試樣發出撕裂聲時記錄得到大荷載, 5個試樣集中荷載大值分別為4.7、3.6、3.6、 3?7、4.4 kN,其平均值為4.0 kN。以產品頂端承受2.0 kN為合格品計算,可知產品大荷載平均安全裕度為2。4)耐腐蝕性試驗(委托上海復合材料測試中心檢測)。試樣分別在5%鹽酸溶液、10%氫氧化鈉溶液、室溫下浸泡7個晝夜,試樣表面無變化, 檢測浸泡后的試樣拉伸強度及模量、彎曲強度及模量,均無明顯變化。 5)阻燃性能試驗(委托上海復合材料測試中心檢測)。在氧指數為55%的環境內燃燒69 s后自熄,按GB/T 2408―1996《塑料燃燒試驗性能試驗方法》,且符合FH-1標準,試樣阻燃性能合格。 6)耐老化性能試驗(委托上海復合材料測試中心檢測)。試樣經高低溫交變(-40~100°C), 每天8 h,持續試驗7 d,再經每日8 h、持續7 d的鹽霧試驗。經高低溫交變試驗和鹽霧試驗后,樣品性能基本無明顯變化。 7)電性能試驗(委托上海復合材料測試中心檢測)。經檢測,樣品電氣強度為14.0 kV/mm, 表面電阻率為1.0×106MΩ。 8)電纜外護套刮磨試驗(委托電線電纜質量監督檢驗中心檢驗)。取型號為YJLW02,電壓等級為64/110 kV,截面為1×800 mm2的電纜 1.5 m,經彎曲后校直,固定在刮磨機臺板上;在電纜與復合材料支架上施加作用力420 N,刮磨 50次,經刮磨后電纜外護套無明顯可見裂縫或開裂;再將電纜被刮磨部位在室溫下浸入含0?5%氯化鈉和含有約0.1%非離子型表面活性劑的水溶液中,浸泡24 h后,對電纜外護套施加直流20 kV/ 1 mim,和雷電沖擊電壓±37.5 kV/10次,電纜護套未擊穿。