CN107386752A - 一种具有防冰除冰功能的纤维增强复合材料塔杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有防冰除冰功能的纤维增强复合材料塔杆，包括塔杆本体，塔杆本体从内向外依次为绝缘隔热层、结构层、碳纤维加热层、绝缘防护层，碳纤维加热层利用碳纤维作为加热元件，两端分别连接导电电极，导电电极通过导线与杆塔空腔内的控制开关装置相连。本发明实现了在低温结冰环境下纤维增强复合材料塔杆表面防冰除冰，避免了由于结冰对复合材料塔杆内部结构的影响，增强了复合材料塔杆的力学性能及承载能力，增加了复合材料塔杆的使用寿命，能够在天气寒冷，环境恶劣地区使用。

Description

一种具有防冰除冰功能的纤维增强复合材料塔杆

技术领域

本发明涉及一种复合材料塔杆，尤其涉及一种在低温易结冰环境下能够进行防冰除冰的复合材料塔杆。

背景技术

国内外的输电线路塔杆主要有木质、钢筋混凝土及钢结构几种材料。木质塔杆易遭到腐蚀；钢材结构容易生锈，绝缘性差；混凝土塔杆重量大，这些缺点限制了传统塔杆在偏远山区或复杂地形的发展和应用。纤维增强复合材料塔杆由于其具有质轻高强的特性，耐腐蚀，可设计性好，便于安装和维护，很好地克服了传统塔杆的缺点，在一定程度上提高了输送电路的安全性和可靠性，近年来逐渐受到重视。然而长期暴露在户外，经受不同的复杂气候，特别是在我国的北方和中西部高寒地区，覆冰造成了塔杆及整个输电线路的损害，尤其对复合材料塔杆结构内部的损伤，引发的一些安全事故不仅造成经济的损失，更对人民的生活及生命安全形成了危害。2008年发生的冰雪灾害由于对塔杆防除冰的不及时，对经济造成了巨大的损失。在发展纤维增强复合材料塔杆的同时，解决其表面的防除冰具有重大实际的意义。

目前消除纤维增强复合材料塔杆结冰的常用方法有三种：一是等待气候回暖自然融冰；二是人工敲打除冰；三是在表面涂覆具有防覆冰性能的超疏水涂层。前两个方法不能预防结冰，且不能及时有效地除冰，对塔杆的危害极大。第三种方法为被动式除冰，防冰能力有限，且存在涂层易受到气候的影响降低性能，需要经常维护保养。一些专利发布了有关纤维增强材料塔杆的相关技术，例如专利CN201649767U发布了电网输电线用复合绝缘塔其主杆与横担为玻璃纤维纱浸渍在树脂中制成的复合材料，在实现绝缘能力的同时有效地降低了重量和成本；专利CN202039634U的技术方案中，利用设置在复合材料塔杆中的光纤光栅温度传感器与外置温度测量设备相连监测塔杆杆身和横担温度，但不能有效地避免严寒地区由于环境引起的温度变化。都没有解决纤维增强材料的防冰除冰问题。

本发明提出利用碳纤除冰维的电热效应，通过结构设计，应用到纤维增强复合材料塔杆，不仅可以实现复合材料塔杆的主动除冰功能同时对其力学性能也是一种加强手段。

发明内容

本发明主要针对现有塔杆除冰技术的不足，提供一种采用碳纤维加热、防除冰效果明显、结构力学性能好、可在寒冷易结冰环境下长期工作、使用寿命长的具有防冰除冰功能的复合材料塔杆。

本发明采用的技术方案是：一种具有防冰除冰功能的纤维增强复合材料塔杆，包括塔杆本体，所述塔杆本体从内向外依次为绝缘隔热层、结构层、碳纤维加热层、绝缘防护层，所述碳纤维加热层利用碳纤维作为加热元件，两端分别连接导电电极，所述导电电极通过导线与杆塔空腔内的控制开关装置相连。

所述绝缘隔热层采用玻璃纤维为材料。

所述结构层采用无碱玻璃纤维为材料。

所述绝缘防护层采用玻璃纤维为材料。

具有防冰除冰功能的复合材料塔杆的制作方法为：

用缠绕成型工艺，在金属材料的缠绕芯模上，制作复合材料塔杆锥形壳体，以90°角度缠绕玻璃纤维作为所述绝缘隔热层；以±15°角度缠绕无碱玻璃纤维作为所述结构层；以0°角度缠绕碳纤维作为所述碳纤维加热层，砂纸打磨两端去掉表面树脂，涂覆导电银浆后，将导电铜箔作为导电电极粘接在银浆处；以±15°角度缠绕玻璃纤维作为所述绝缘防护层。

本发明的有益效果如下：

1.本发明利用缠绕成型工艺，适于柱体制品的成型；纤维伸直和排列整齐度高，能充分发挥纤维的强度，同时可以实现等强度设计，这对于复合材料塔杆在承力方面是很重要的；有效地降低了复合材料塔杆的制造成本，同时保证了塔杆的力学性能。

2.本发明采用碳纤维作为加热元件，其电热效应好，转化率可达95％以上，可实现均匀加热，使得复合材料塔杆防除冰效率高，在寒冷易结冰气候下节省了人工维护成本；同时其质轻高强的特性提高了复合材料塔杆的力学性能，在实现加热防除冰的同时，使得塔杆本体具有更好的结构强度。

3.本发明利用玻璃纤维较好的绝缘性，在表面形成了防护层同时不影响热量的传递，从而有效地解决了表面绝缘导热问题，提高了塔杆的安全性和可靠性；形成的层间复合材料有较好的力学性能，同时可使碳纤维的导电性能略有提高；以玻璃纤维为材料形成的结构层和绝缘隔热层有很好地阻止了热量向塔杆空腔内流失，提高了对于热的利用率。

附图说明

图1为本发明一种具有防冰除冰功能的复合材料塔杆剖视结构示意图。

图2为图1中A-A位置的剖面结构放大示意图。

图3为本发明碳纤维加热层的展开结构示意图。

图中：

1.塔杆本体；2.绝缘隔热层；3.结构层；4.碳纤维加热层；5.绝缘防护层；6.导电电极；7.导线；8.塔杆空腔。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的具有防冰除冰功能的纤维增强复合材料塔杆，包括塔杆本体1，所述塔杆本体1从内向外依次为绝缘隔热层2、结构层3、碳纤维加热层4、绝缘防护层5，所述碳纤维加热层4利用碳纤维作为加热元件，两端分别连接导电电极6，所述导电电极6通过导线7与塔杆空腔8内的控制开关装置相连。本实施例利用碳纤维加热层4的电热效应，把电能转化为热能，对复合材料塔杆的表面进行加热防除冰，具有加热均匀、加热稳定、电热转化效率高、防除冰效果好、局部损坏不影响整体加热效果、结构简单、便于安装和后期维护的优点；本实施例通过绝缘隔热层2作为内层，防止产生的热量向塔杆空腔8传递，使产生的热量充分用于表面防除冰，提高了除冰效率；本实施例通过结构层3对塔杆本体1起到支撑作用，使塔杆本体1达到力学性能的要求，同时也具有一定的隔热效果，对于绝缘隔热层2有一定程度的加强作用；本实施例通过绝缘防护层5有效地保证了碳纤维加热层4与外界绝缘，同时保护了碳纤维加热层4，结构层3，绝缘隔热层2不受到破坏，提高了塔杆本体1的耐磨耐腐蚀性质，增加了使用寿命，保证了外界环境的安全性。

本实施例中，内层为绝缘隔热层2，其材料为玻璃纤维，具有良好的绝缘性能和一定的隔热能力，而且较好的力学性能可以增强塔杆本体1的力学性能，同时制备工艺简单，成型方便。

本实施例中，次内层为结构层3，采用无碱玻璃纤维为材料，利用其优秀的力学性能使塔杆本体1达到力学性能的要求，同时与内层绝缘隔热层2一起阻止热量进入塔杆空腔8产生热损失，提高了塔杆本体1的防除冰效率。

本实施例中，最外层为绝缘防护层5，在碳纤维加热层4外，材料为玻璃纤维，具有良好的绝缘性能，同时不会影响产生的热量传递到塔杆表面进行防除冰，并且对碳纤维加热层4、结构层3、绝缘隔热层2进行了有效地保护，加强了塔杆本体1的防磨损防腐蚀能力。

本实施例中，用缠绕成型工艺，以90°/±15°/0°/±15°角度从内向外依次形成绝缘隔热层2、结构层3、碳纤维加热层4、绝缘防护层5。碳纤维加热层4以0°缠绕使其导电能力最好，且纤维间相互平行，使得碳纤维加热层4加热均匀，除冰效果更好。其他各层的缠绕角度均能够保证纤维的力学性能，满足塔杆本体1所需的力学性能。

如图2所示，本实施例中，导电电极6为铜箔电极，在粘贴之前，对碳纤维加热层4两端进行打磨处理，去掉树脂后涂覆导电银浆使其固化。有效地减小了接触电阻，防止在电极附近的碳纤维被烧蚀，同时可以防止铜箔电极的氧化。

本实施例中，碳纤维加热层4的加热温度范围预先在塔杆空腔8内的控制开关装置处设置好，在满足防除冰能力的同时不会影响其他纤维材料的性能。在防除冰时，当超过加热温度范围上限，控制开关断开导电电极6电源，停止加热；当低于加热温度范围下限时，控制开关连通导电电极6电源，进行有效地防除冰。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，所做的若干改进和润饰，都应为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有防冰除冰功能的纤维增强复合材料塔杆，包括塔杆本体(1)，其特征在于：所述塔杆本体(1)从内向外依次为绝缘隔热层(2)、结构层(3)、碳纤维加热层(4)、绝缘防护层(5)，所述碳纤维加热层(4)利用碳纤维作为加热元件，两端分别连接导电电极(6)，所述导电电极(6)通过导线(7)与塔杆空腔(8)内的控制开关装置相连。

2.根据权利要求1所述的具有防冰除冰功能的纤维增强复合材料塔杆，其特征在于：所述绝缘隔热层(2)采用玻璃纤维为材料。

3.根据权利要求1所述的具有防冰除冰功能的纤维增强复合材料塔杆，其特征在于：所述结构层(3)采用无碱玻璃纤维为材料。

4.根据权利要求1所述的具有防冰除冰功能的纤维增强复合材料塔杆，其特征在于：所述绝缘防护层(5)采用玻璃纤维为材料。

5.一种权利要求1所述具有防冰除冰功能的纤维增强复合材料塔杆的制作方法，其特征在于，该方法为：

用缠绕成型工艺，在金属材料的缠绕芯模上，制作纤维增强复合材料塔杆锥形壳体，以90°角度缠绕玻璃纤维作为所述绝缘隔热层(2)；以±15°角度缠绕无碱玻璃纤维作为所述结构层(3)；以0°角度缠绕碳纤维作为所述碳纤维加热层(4)，砂纸打磨两端去掉表面树脂，涂覆导电银浆后，将导电铜箔作为导电电极(6)粘接在银浆处；以±15°角度缠绕玻璃纤维作为所述绝缘防护层(5)。