±1 100 k V特高壓大噸位壓接式復(fù)合絕緣子設(shè)計及蠕變、強度分散性淺析

馬向方 王曉楠 楊紅軍 吳兆峰

（襄陽國網(wǎng)合成絕緣子有限責(zé)任公司，湖北 襄陽441057）

0 引言

我國能源主要集中在中西部地區(qū)，而電能消耗則集中在東部及沿海地區(qū)，能源分布的不均衡決定了我國發(fā)展特高壓遠(yuǎn)距離輸電的必然趨勢。出于防污閃的需要，特高壓線路大量采用復(fù)合絕緣子。同時特高壓線路由于輸送容量及導(dǎo)線表面場強控制要求，一般都選用截面較大的導(dǎo)線，如現(xiàn)±800 k V特高壓線路導(dǎo)線截面已經(jīng)達(dá)到1 250 mm2，截面大意味著導(dǎo)線重量大，即特高壓復(fù)合絕緣子也將承受更大的機械負(fù)荷，目前±800 k V直流及1 000 k V交流特高壓輸電線路用絕緣子最大額定機械負(fù)荷已經(jīng)達(dá)到550 k N，而±1 100 k V線路絕緣子機械負(fù)荷更是提出了滿足840 k N爭取1 000 k N的要求，±1 100 k V特高壓輸電線路中840 k N大噸位復(fù)合絕緣子將作為一個標(biāo)準(zhǔn)機械負(fù)荷等級。

這將是國際首條±1 100 k V特高壓輸電線路中首次應(yīng)用如此高機械強度等級的復(fù)合絕緣子產(chǎn)品，需要對840 k N大噸位復(fù)合絕緣子的機械長期可靠性提出更高的要求。

1 840 k N大噸位壓接式復(fù)合絕緣子機械負(fù)荷設(shè)計選型

1．1 840 k N復(fù)合絕緣子壓接參數(shù)選取

壓接式復(fù)合絕緣子是采用壓接機對金具外圓周施加一定的壓力，使芯棒端部因金具塑變而受到徑向壓力，在金具內(nèi)腔與芯棒接觸面形成靜摩擦力，使絕緣子具有拉伸強度。

其主要原理為：

式中，F(xiàn)為芯棒與金具摩擦力（N）；μ為摩擦因數(shù)；FN為芯棒與金具之間壓力（N）。

故復(fù)合絕緣子拉伸強度在金具及芯棒材質(zhì)、尺寸確定后還受金具與芯棒的接觸面大小、粗糙度、配合間隙等以及壓接長度、壓接變形量等影響。壓接參數(shù)的控制目前尚無確切計算方法，主要根據(jù)不同壓接設(shè)備的經(jīng)驗進行多次校核試驗取值，后面我們將對此展開試驗。

1．2 芯棒材料選擇及尺寸校核

芯棒作為復(fù)合絕緣子機械負(fù)荷的承載部件，同時又是內(nèi)絕緣的主要部件，要求它具有很高的機械強度、絕緣性能和長期穩(wěn)定性；特高壓復(fù)合絕緣子所采用的ECR耐酸型芯棒的抗拉強度在1 100 MPa以上，這個強度是瓷的5～10倍，與優(yōu)質(zhì)的碳素鋼強度相當(dāng)，完全能滿足大噸位復(fù)合絕緣子需求。

下面根據(jù)拉伸強度計算公式對芯棒直徑進行校核選擇：

式中，P 為 最 大 負(fù) 荷 （N）；σt為 拉 伸 強 度 （MPa），此 處 取1 100 MPa；d為芯棒直徑（mm）。

結(jié)合制造及運行經(jīng)驗，我們復(fù)合絕緣子芯棒安全系數(shù)一般控制在2．0以上，即取P＝2×840×103＝1．68×106N。

由于此大噸位復(fù)合絕緣子應(yīng)用在特高壓線路，故可適當(dāng)增加安全系數(shù)，結(jié)合550 k N復(fù)合絕緣子制造經(jīng)驗，可取芯棒直徑為50 mm，此時芯棒最大負(fù)荷為2 158 k N，安全系數(shù)為2．6，完全滿足需求。

1．3 金具材料選擇及設(shè)計

由于40Cr抗拉強度≥980 MPa，40Mn2抗拉強度≥885 MPa，同時這兩種材料的塑性和耐磨性都較高，可切削性及熱處理工藝性能亦好，處理后具有良好的綜合力學(xué)性能。故±1 100 k V特高壓直流復(fù)合絕緣子兩端金具材料一般可選用40 Mn2或40Cr鍛鋼，其化學(xué)成分及力學(xué)性能符合GB／T3077要求，材料硬度均勻，壓接區(qū)硬度適當(dāng)，并在加工完成后進行高頻熱處理，以提高其抗拉強度。同時，參照GB／T4056并結(jié)合制造經(jīng)驗選取合適的壓接長度、厚度及其與芯棒的配合間隙，進行試驗以確定最后尺寸及壓接參數(shù)。

2 840 k N壓接式復(fù)合絕緣子的機械強度試驗

目前國內(nèi)及國際標(biāo)準(zhǔn)中，針對復(fù)合絕緣子的機械負(fù)荷試驗主要采用短時破壞強度試驗及“機械強度—時間”特性檢驗。為了研究此問題，我們在對±1 100 k V／840 k N大噸位壓接式復(fù)合絕緣子完成設(shè)計選型后進行了短時破壞強度試驗和“機械強度—時間”特性試驗研究。

2．1 短時機械強度破壞及其相對偏差（分散性）

根據(jù)GB／T19519標(biāo)準(zhǔn)的試驗程序要求，我們選取在生產(chǎn)線上制成的絕緣長度≥800 mm、所使用端部配件與正常絕緣子相同的復(fù)合絕緣子短樣進行短時機械強度試驗。在環(huán)境溫度中，對試品施加拉伸負(fù)荷，此拉伸負(fù)荷應(yīng)迅速而平穩(wěn)地從0升高到大約為芯棒預(yù)期機械破壞負(fù)荷的75%，然后在30～90 s的時間內(nèi)逐漸升高到芯棒破壞或完全抽出［1］。計算出該批所有試品破壞負(fù)荷的平均值Mav及其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差σ。

表1給出了試驗得到的短時機械破壞強度結(jié)果，其中MSML為標(biāo)稱的額定機械負(fù)荷。試品編號由3部分組成，第1部分表示試品的機械強度等級，第2部分用來區(qū)分不同的壓接工藝，第3部分是同一噸位等級、同一壓接工藝下的試品序號。

表1 試驗得到的短時破壞強度平均值M av及其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差σ

由表1可以看到，壓接式大噸位復(fù)合絕緣子的短時破壞強度的分散性主要分布在2%～7%之間，其中第9組與第12組小于3%，遠(yuǎn)小于IEC61109所假設(shè)的8%。

2．2 長時間機械性能及其與短時機械強度的關(guān)系

根據(jù)DL／T810的試驗程序要求，我們按照某一批試品的壓接參數(shù)制作了長時間蠕變試驗的試品。每3支試品為1組，施加拉伸負(fù)荷，此拉伸負(fù)荷應(yīng)迅速而平穩(wěn)地從0升到其平均破壞負(fù)荷Mav的某一百分比（≥75%），然后在這個負(fù)荷下持續(xù)96 h無破壞（斷裂或完全）［2］。表2給出了長時間機械耐受試驗的結(jié)果。

IEC61109：1992給出了一個公式：

表2 840 k N復(fù)合絕緣子試品長時間蠕變試驗結(jié)果

式中，Mw為機械耐受負(fù)荷（k N）；Mav為短時平均機械破壞負(fù)荷（k N）；k為蠕變斜率；t為試驗時間（min）；σ為短時機械破壞負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

根據(jù)上式，對于沒有發(fā)生破壞（斷裂或完全抽出）的試品，按照它的實際試驗時間求出其蠕變斜率k的一個上限；對于發(fā)生破壞的試品，按照它的實際試驗時間求出其蠕變斜率k［3］。

可以看到，采用工藝9及12參數(shù)生產(chǎn)的大噸位壓接式復(fù)合絕緣子，其蠕變斜率都不大，均遠(yuǎn)小于IEC61109所給出的8%。國際上，德國H．Dietz等人曾通過試驗給出復(fù)合絕緣子的蠕變斜率為4．9%～6．8%［4］。通過上述比較來看，我們現(xiàn)在的絕緣子工藝水平已突破這一結(jié)果。

同時按照國家電網(wǎng)公司特高壓復(fù)合絕緣子定型試驗——機械負(fù)荷試驗要求，取按照工藝9及12參數(shù)生產(chǎn)的3只大噸位壓接式復(fù)合絕緣子成品進行120%額定機械負(fù)荷24 h耐受試驗后再進行機械破壞負(fù)荷試驗，如表3所示，其機械負(fù)荷破壞值均大于120%額定機械負(fù)荷。

表3 120%額定機械負(fù)荷24 h耐受試驗后機械破壞負(fù)荷試驗結(jié)果

2．3 試驗結(jié)果分析

該±1 100 k V／840 k N大噸位壓接式復(fù)合絕緣子完全滿足IEC61109采用“短時破壞強度≤8%”和“蠕變斜率≤8%”來考核復(fù)合絕緣子的長期機械性能的要求。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)試驗可知，選取Φ50 mm ECR玻纖芯棒，并采取處理后的40 Mn2或40Cr材質(zhì)金具，選取合適的壓接工藝，840 k N大噸位復(fù)合絕緣子的機械負(fù)荷完全滿足GB／T19519、DL／T810及國家電網(wǎng)公司對特高壓復(fù)合絕緣子定型試驗——機械負(fù)荷試驗的要求。

（2）試驗研究結(jié)果表明，采取工藝9及12生產(chǎn)的840 k N大噸位壓接式復(fù)合絕緣子的短時破壞強度分散性σ主要分布在2%～3%之間，長期蠕變斜率k一般小于4%，都遠(yuǎn)小于IEC61109規(guī)定的8%。

［1］GB／T19519—2014 架空線路絕緣子 標(biāo)稱電壓高于1 000 V交流系統(tǒng)用懸垂和耐張復(fù)合絕緣子 定義、試驗方法及接收準(zhǔn)則［S］．

［2］DL／T810—2012 ±500 k V及以上電壓等級直流棒形懸式復(fù)合絕緣子技術(shù)條件［S］．

［3］GB／T19519—2004 標(biāo)稱電壓高于1 000 V的交流架空線路用復(fù)合絕緣子——定義、試驗方法及驗收準(zhǔn)則［S］．

［4］梁曦東，王家福，宿志一，等．大噸位壓接式復(fù)合絕緣子長期運行的機械可靠性［J］．高電壓技術(shù)，2010，36（10）：2562．