浅谈碳纤维等现代技术在变电

　　摘要:早期变电站屋外构支架均为现场预制钢筋混凝土构件,经长期运行使用后，出现不同程度的构支架表面混凝土老化、炭化、开裂和剥落，钢筋外露锈蚀等现象。如何能够在不停电或少停电的情况下、现场对钢筋混凝土构支架进行加固、补强,从而恢复和提高输变电构支架的强度、刚度,保证电网长期安全稳定运行，是长期困扰变电站钢筋混凝土构支架加固补强设计的难题。笔者曾前往北方地区进行相关技术的调研,类比大量碳纤维加固补强材料试验结果,并结合我省变电站构支架的实际情况,通过本文介绍一套以碳纤维加固为特征的变电站屋外构支架加固补强防护技术.应用该技术能达到现场直接对构支架实施加固补强防护,使其恢复安全性和使用功能的目的,值得在我省电力工程中大力推广使用.
　　关键词:变电站，钢筋混凝土构支架，碳纤维，加固补强防护
　　1引言
　　我国输变电工程大量应用钢筋混凝土构支架，混凝土构支架与钢构支架相比具有投资少、耐腐蚀等优势。而随着使用时间的增长，钢筋混凝土构支架易发生老化、炭化、腐蚀、开裂、鼓包、剥落、掉块、“渗白”、钢筋外露锈蚀、断开等等破损、破坏现象。特别是我省部分变电站地处海边，构支架长期受盐雾侵蚀;加上随着周边区域的发展,环境污染源的不断产生,构支架受到外界有害气体介质的污染侵蚀,通过自然雨水的渗透作用，加速了构支架的腐蚀。构支架腐蚀表面有不断发展趋势，对变电站设备的长期安全运行已经产生严重影响。
　　本文介绍一套变电站屋外钢筋混凝土构支架碳纤维加固补强防护技术，通过这套技术的实施，人们便能在现场直接对高压输变电构支架实施加固补强防护，使其恢复安全性、使用功能、及耐久性。这套技术主要运用了碳纤维加固、高分子裂缝灌浆、新老材料结合、高强微膨胀材料、聚合物沙浆修补、高分子植物膜等技术，实现了对各种破损形态混凝土构支架的在线“复原”。
　　2碳纤维材料特点及本套加固补强技术简介
　　碳素纤维材料是高强度碳纤维单向排列，用微量的树脂浸渗后作为混凝土的修复补强材料，其抗拉强度大约是钢筋的10倍，并且具有重量轻、高弹性、高强度、高耐久性等特性。
　　碳纤维加固具有以下优点：①不增加恒载及断面尺寸；②可适应不同的构件形状，成型很方便；③施工简便；④对原结构不产生新的损伤；⑤能有效地封闭混凝土的裂缝；⑥碳纤维片具有优良的耐化学腐蚀性；⑦不影响结构的外观。
　　碳纤维加固技术是利用改性环氧树脂类胶结材料将碳纤维片材粘贴于混凝土表面，从而达到结构补强及改善受力性能的目的。根据结构构件受力分析计算结果和受力特征，应用专用结构胶粘剂将碳纤维片材粘贴于强度不满足受力要求的混凝土构件外部相应部位，以达到构件满足承载力要求。
　　本套技术包括：
　　（1）高渗防水剂、高分子裂缝灌浆料和高强微膨修复料等对不同裂缝宽度的裂缝进行处理，消除裂缝对构支架材料的切割破坏；
　　（2）新老砼界面剂、高强微膨修补材料、聚合物砂浆修补材料（并配合碳纤维）等对剥落、掉块、鼓包、空鼓、及局部疏松区等进行修补、修复加固；
　　（3）碳纤维对钢筋锈蚀、混凝土纵裂横裂、混凝土疏松区、结构需要提高强度的部位等进行加固补强；
　　（4）高分子织物膜、混凝土保护胶等技术对构支架进行整体加固、防护；
　　（5）对于荷载增加的T型梁分别在两翼缘的侧面和T型梁底部粘贴碳纤维，环向按规范要求粘贴碳纤维箍条和压条。
　　总之，采用碳纤维等成套变电站钢筋混凝土构支架加固补强防护技术加固的输变电构支架不仅面貌焕然一新，而且在安全性、使用功能、耐久性等方面甚至优于一座同样规模和结构布置的新建输变电构支架，极大地降低电网运行维护费用。
　　3碳纤维加固补强技术的原理
　　3.1技术原理与技术目标
　　造成高压输变电构支架破损、破坏的原因、和破坏形态不仅十分复杂，而且种类繁多，有：自然老化炭化破坏；结构受力破坏；钢筋锈蚀膨胀破坏；冻融循环破坏；化学腐蚀破坏；温度应力破坏；风振风摆破坏；碱骨料反应破坏；各因素偶合破坏等等，靠一两项单一技术和材料的开发是解决不了问题，我们必须对各类破坏因素和破坏形态进行统计、分类、划分主次。针对主破坏因素、区别不同的破坏形态，分别研发相应的技术和材料逐一解决。
　　变电站混凝土构支架破坏形态大概归纳为如下几类：
　　（1）构架混凝土不同程度的炭化、老化，各部分混凝土强度不均匀，同一排架或同一构件不同部位的混凝土强度也不均匀。
　　（2）钢筋混凝土构架柱、横梁及支架存在纵向裂缝和环向裂缝。这种裂缝一般出现在杆件的中、下部，少数出现在上部，纵向裂缝和环向裂缝破坏了构支架杆件的整体性，减低构支架的强度、刚度和耐久性，给构支架造成严重的破坏。
　　（3）构架混凝土存在空鼓、鼓包、剥落、掉块等破坏。常见于焊口上下，钢筋保护层较薄等部位。这种破坏削弱了构件截面，构件的强度受到不同程度的降低。
　　（4）设备支架和构架上预埋件锈蚀，松脱，这种破坏给设备安全带来一定隐患。
　　针对变电站混凝土构支架的主要破坏类型和影响因素，现场加固补强防护技术应遵循下列原则：
　　（1）容易实施、具有合理的安全性、可靠性和经济性；
　　（2）加固补强施工过程不造成或尽量少造成电网停电；
　　（3）能充分利用原构支架的有效部分；
　　（4）能消除所有的破损和缺陷，恢复构支架各部分的强度、刚度；
　　（5）容易安排施工组织，工艺布置和施工方法，能确保加固部分与本体结构共同受力，联合整体工作；
　　（6）不改变构支架的尺寸、自重和形状，并改善构支架的观赏性；
　　3.2技术构成和功能
　　在此重点介绍一套完善的变电站混凝土构支架碳纤维等加固补强防护技术，该套技术主要由以下各分项组成：
　　（1）高压输变电构支架裂缝灌浆技术：通过对各种高分子灌浆材料的筛选，改进配方、优化配方，形成GE高分子灌浆料。GE高分子灌浆料能适应于构支架裂缝变形、可灌性好，可以灌注0.1mm以上的裂缝。采用GE高分子灌浆料进行构支架裂缝（纵向、环向）灌浆，可以消除纵向环向裂缝对构支架切割破坏，恢复构支架材料的整体性、恢复提高构支架的强度、刚度；阻止水分和有害气体进入，防止或减慢炭化、腐蚀、冻融破坏。
　　（2）、界面结合、高强微膨胀材料或高强聚合物沙浆修补技术：本套技术通过多组室内和现场应用实验，筛选研制相互配套的界面结合剂、高强微膨胀材料、高强聚合物砂浆，修补构支架各种鼓包、剥落、空鼓、蜂窝、孔洞、及钢筋外露处，不仅能确保加固部分与本体紧密结合共同工作，而且与外包抗拉材料联合，可以调整内部应力，使加固部分与本体联合受力；消除剥落、掉块、空鼓等对构支架截面削弱，恢复构支架的完整性，恢复并提高构支架的整体强度、刚度，消除内部应力集中，充分发挥各部分材料的功能。
　　（3）、碳纤维加固技术：本套技术利用碳纤维优异的物理力学性能，开发了碳纤维加固用的底胶和浸渍胶以及找平材料，采用碳纤维补充构支架抗拉材料不足和因锈蚀造成的钢筋不足，或提高构支架混凝土的抗压强度，甚至采用适当的布置形式可以替代和更换构支架钢环焊口，效果十分理想，不仅如此，它还消除了采用其他抗拉材料加固易受紫外线照射老化和强电场作用下容易氧化生锈的弊病；采用碳纤维加固构支架，可以极大地提高构支架的各种强度和刚度，并且不增加构支架的自重，延缓构支架的老化和炭化。
　　（4）、高分子植物膜防护技术：本套技术结合变电站构支架的实际运行工况，筛选和优化配方开发的高分子涂料及选用匹配的织物，直接在现场构支架上制作高分子织物膜进行构支架全部或部分表面防护，可以阻隔有害气体和水分进入构支架内部、但允许水分外排，这样就能终止构支架的老化和炭化，同时逐步恢复混凝土的部分强度，使构支架各部分强度均匀化、使用寿命均匀化。
　　4结语
　　笔者前往曾使用该套加固补强技术的河北省惠兰变电站及邯郸市马头电厂升压站进行相关考察和调研，根据现场观察，发现经碳纤维加固补强的构支架经过多年使用，构件表面未出现开裂、掉块、鼓包、剥落等破坏，目前工作状态良好。通过与业主的交流，得知变电站由于加固而需停电修复的时间非常短，且加固施工简便，对生产基本不造成影响。另外，通过长时间的运行观察，碳纤维材料不会对变电站设备的运行产生任何影响，且补强后的构件耐久性更好。总的来说，加固方案收到了良好效果，业主对其表示满意。
　　以碳纤维加固为特征的变电站屋外构支架加固补强防护成套技术，已逐步推广到全国其他十几个省市的变电站构支架加固防护，广受好评和赞誉。也曾获得多个奖项，并经中国电机工程学会鉴定委员会鉴定，建议在电力工程中大力推广使用。该套技术的开发和完善使我们可以在不停电或少停电条件下，用极少的费用长期保障电网的安全稳定运行。目前，我省大量变电站钢筋混凝土构支架经过长期的使用，对加固补强的需求相当迫切，该套技术值得在我省变电站钢筋混凝土构支架补强工程中推广使用.
　　参考文献
　　【1】 孙萍，有关输电线路防雷计算中几个参数取值的建议【J】，电网技术，1998，22（8）：75-78.
　　【2】 韦钢，黄金生，同杆并架多回线序参数及不平衡计算【J】，电网技术，1998，22（10）：8-11
　　【3】 陈水明，何金良，吴维韩，等.220kV双回同杆并架线路采用氧化避雷器提高耐雷水平的研究【J】，电网技术，1998，22（9）：13-16.
　　【4】 王佩琼，金硕明，汤跃超.现代技术在高压输变电钢筋混凝土架构加固补强防护中的应用【J】，电网技术，2004，28（24）：81-84.
　　【5】 王佩琼，汤跃超，张建强.预防钢筋混凝土杆塔纵裂的研究【J】，电力建设，2002，23（10）：45-47.