法蘭節(jié)點膠裝損傷對復合絕緣子動力特性影響分析

邸悅倫，曹枚根，周曙琛，張若愚

（1.電網(wǎng)輸變電設備防災減災國家重點實驗室，長沙 410129；2.北方工業(yè)大學 土木工程學院，北京 100144；3.江蘇神馬電力股份有限公司，江蘇 南通 226599；4.上海大學 力學與工程科學學院，上海 201900）

0 引言

近十幾年，超、特高壓電網(wǎng)發(fā)展迅速，同時也對絕緣子等電氣設備的機械性能提出了更高的要求［1］。復合材料絕緣子由于本身具備老化變形速度慢、抗污閃強的特性、較強的電磁環(huán)境適應能力和良好的抗震防災能力，正逐步替代傳統(tǒng)的瓷質(zhì)材料絕緣子，成為目前中國超高、特高壓電力設備外絕緣的一個主要選擇。目前國內(nèi)的部分廠家已經(jīng)掌握了300 mm及以上的大中口徑復合材料絕緣子的研發(fā)和產(chǎn)品制備的核心技術，在地震多發(fā)區(qū)域上也已成功應用［2-4］。

由于超高壓和特高壓復合絕緣子電氣設備的高柔結構特性，在強風荷載、地震沖擊以及各種輸入特性因素的共同作用與激勵下，不可避免地會發(fā)生力學性能衰退、振動疲勞的破壞及損耗，從而嚴重威脅到超高、特高壓電網(wǎng)的工作穩(wěn)定［5-7］。瓷絕緣子與復合材料絕緣子之間最大的差異就是套筒和法蘭形接頭段的膠裝工藝。瓷絕緣子法蘭節(jié)點采用混凝土將陶瓷套與法蘭膠裝相連，由于膠裝混凝土厚度較大，故可視為受力結構；而復合絕緣子法蘭節(jié)點則由輕量化的粘接劑將結合套筒與法蘭膠裝相連，膠裝厚度極小。這就直接造成了兩種絕緣子的法蘭節(jié)點受力情況和破壞方式的不同。實驗結果表明［8-10］，復合電氣設備的主要損傷是由法蘭結點在彎曲荷載影響下引起的粘結滑移損傷或套筒和法蘭之間脫粘，而復合套管自身則基本不會損傷。所以，在復合支柱絕緣子的多種力學特性中，法蘭膠裝結點在彎曲荷載下的承受能力和強度都是很重要的力學參數(shù)，也直接決定了絕緣子結構的振動特性，如自振周期、結構振型等。

基于動力特性的結構損傷分析方法在建筑結構中廣泛運用，但是僅有少量學者對電氣設備開展類似研究。曹枚根［11］等通過對三支同型號的支架絕緣子振動疲勞測試，采用多階模態(tài)擬合識別法定性描述了高壓支架絕緣子的損壞，并精確地鑒定出了損壞部位和嚴重程度。張玥［12］等對復合絕緣子進行了多次靜力側推試驗和動力特性測試，得到法蘭膠狀高度與套管側移剛度的關系，法蘭節(jié)點損傷對動力特性影響較大。馬艷枝［13］對瓷質(zhì)絕緣子的膠裝水泥節(jié)點開展預設損傷模擬，較好地模擬了瓷絕緣子動力特性隨損傷的變化，并發(fā)現(xiàn)節(jié)點損傷形式對動力特性改變有較大的影響。

針對復合材料絕緣子目前還沒有建立膠體的損傷與整體結構動力特性的變化關系。為此，本文構建了復合絕緣子套管法蘭節(jié)點精細化的有限元模型，并進行動態(tài)特征研究，通過預設膠體在沿法蘭高度方向和轉角方向損傷來模擬膠體破壞，得到前三階彎曲頻率和扭轉頻率與膠體損傷的關系。研究分析典型復合絕緣子法蘭膠裝節(jié)點主要膠體損傷模式與絕緣子振動頻率的關系，可為復合絕緣子法蘭膠裝節(jié)點的快速損傷評估提供理論支撐。

1 復合絕緣子膠裝節(jié)點振動特性

1.1 有限元模型

為深入研究法蘭節(jié)點的膠體本身損傷及其對絕緣子損傷的影響，以±800 kV 單節(jié)或復合絕緣子為研究對象，在ANSYS中構建了絕緣子的有限元模型，并在其上方施加了1 t的平衡物，然后再進行動力特性計算。該配重用于模擬支柱絕緣子的工作情況，因為在實際工作時支柱絕緣子自振動頻率較低，所以單節(jié)點的彎曲振動響應也較無配重的明顯。單節(jié)絕緣子幾何尺寸和重要材料屬性如圖1和表1所示。

圖1 單節(jié)復合絕緣子幾何尺寸

表1 復合絕緣子材料主要力學參數(shù)

在有限元模擬中，頂部配重、上下金屬法蘭節(jié)點、復合絕緣子的粘結劑全部采用20 節(jié)點的實體模塊Solid95單元進行；為保證計算結果的準確性，實體模塊全部通過正六面體模塊進行網(wǎng)格分割，并對金屬法蘭節(jié)點和復合懸式絕緣子連接處進行了局部網(wǎng)格密封，膠狀的結構厚度約為1 mm。網(wǎng)格分割后，分別在金屬法蘭內(nèi)壁和粘結劑的外界面之間、粘結劑內(nèi)界面和復合套管外側表面之間置入了三維界面單元Inter204，用于模擬粘結面的膠體粘附和受力脫粘情況；在置入粘結單位時確定金屬法蘭壁與粘貼劑、粘接劑和套管山的接觸位置，在界面不進行劃分時處于正常傳力的接觸，分離時界限法向和切向應力作為膠體開裂應力，本文取40 MPa。套筒底面與法蘭盤表層形成緊密接觸對，并采取面-面對接方法，使剛性較大的法蘭盤上表層成為目標面，采用了Targe170單元；套管下部為接觸面，并采用了Conta174 單元，而接觸算法則采用增強的拉格朗日法如圖2所示。

圖2 配重復合絕緣子有限元模型

1.2 整體結構動力特性分析

復合絕緣子的模態(tài)分析使用了隨機子空間法，分析結果顯示，前二階振型均為彎曲振型，基本頻率為3.33 Hz，后三階模態(tài)均為扭轉。由于復合絕緣子的法蘭節(jié)點都是薄弱環(huán)節(jié)，因此在隨機振動過程中產(chǎn)生的節(jié)點損壞分析應該同時兼顧低頻與高頻的情況，比如地震輸入下的低頻振動作用，卓越頻段一般為1～10 Hz；脈動風的荷載成分較多，可視為準靜力風、低頻風、高頻風的組合輸入，可以選擇0～50 Hz 荷載頻段，因為風荷載在此頻段的出現(xiàn)幾率比較高。

1.3 法蘭節(jié)點局部振動特性分析

為研究下法蘭膠裝節(jié)點的振動特征，分別給出節(jié)點處法蘭、膠狀材料、復合材料套管的主振型變化，并考慮三者相對變化情況。在考慮頂部配重比下下法蘭變化更大，得出下法蘭節(jié)點各部分的變化。復合絕緣子結構是典型的懸臂構件，因其一階模態(tài)對振動變形的貢獻很大。但同時，因為扭轉模態(tài)也在所選取的荷載頻率之間，故也應分析其變化情況。

針對絕緣子的一階模態(tài)，可以選擇上法蘭和下法蘭節(jié)作為主要研究對象，根據(jù)圖3和圖4，并將法蘭節(jié)點局部放大即可發(fā)現(xiàn)：上部法蘭節(jié)處于最頂部位置，因此雖然復合絕緣子的整體振動方式以彎曲變形為主，但由于上法蘭節(jié)是金屬懸臂結構的自由端，在振動過程中上法蘭節(jié)點的運動模式也可作為平動，從而使得上法蘭、上部膠體結構與上部復合套管的位置一致；而由于復合懸臂式絕緣子底部是剛接，因此金屬法蘭的彎曲剛度變化很大。但是由于復合材料彈性模量系數(shù)較低，強度小，金屬法蘭節(jié)和復合懸臂式絕緣子之間的幾何形狀的不均勻而導致產(chǎn)生了錯位，所以也可能會導致在兩端產(chǎn)生微變形。研究可發(fā)現(xiàn)，復合絕緣子在屈曲及擺動兩個階段中，下端法蘭膠體材料對彎曲振動荷載的變化都比較迅速靈敏，由于振動所形成的相對變化也較大。

圖3 配重復合絕緣子模態(tài)分析

圖4 一階彎曲振型下法蘭節(jié)點水平向變形

2 膠體損傷因子分析

復合絕緣子的法蘭形膠裝節(jié)點破壞類型有靜力影響下膠狀直接斷裂所引起的緩慢滑動損壞，此類型是在靜力影響下或擬靜力特點加載后的損壞，負載型式和節(jié)點的損壞型式都與復合絕緣子的動力特點無關；而由隨機振動或簡諧振動等動態(tài)荷載（或相互作用）輸入方式導致的振動損傷的模型較多，且與復合絕緣子的動力特性有直接聯(lián)系。同時，振動荷載（或相互作用）的輸入頻率或頻段也會導致復合絕緣子產(chǎn)生不同形式的振動損傷。

無論是靜力荷載或者振動負荷，其在對復合絕緣子的法蘭節(jié)點產(chǎn)生破壞后，絕緣子的動力特征都會出現(xiàn)變化。所以可以對膠體設置預破壞，并進行動力特征分析。而通過研究膠體破壞程度和部位對絕緣子動力特征的影響程度，可反推對絕緣子節(jié)點的破壞程度。本文方法和傳統(tǒng)的設定傷害有所不同，傳統(tǒng)設定損傷或損壞的方法是指利用對已知材料彈性模量、構件斷面的等效折減等方法降低構件結構強度或剛度，來對構件進行破壞。但因為沒有實際損傷程度和結構強度之間的相對關系，所以采用傳統(tǒng)預設損傷的動力特性計算結果可信度較低。

因為復合絕緣子的主要節(jié)點是膠裝節(jié)點，在不同振動負荷影響下膠狀的損壞形式、破壞部位等特性均有差異且隨機性較高，對結構動力特性的影響也有所不同。因此，可以首先假定膠體損壞的規(guī)則形狀（四邊形），并設定受損膠體的高度、轉角兩個參數(shù)，在所指定的坐標系下，經(jīng)過對比損傷前后動力特性計算結果，可以大致判斷膠體的破壞情況以及損壞形狀的參數(shù)組成。

圖5是膠體形狀損傷因子的示意圖，含有轉角面積因子Sθ和高程因子H，其中Sθ是由角度θ決定的膠體破壞面積及位置，而H則確定了膠體破壞在的高度。

圖5 膠體形狀損傷因子

由于在預設損傷時，轉角損傷是按照順時針方向進行的，如果直接進行模態(tài)分析，則得到的第一階彎曲振動的方向一定在剛度最小的方向，即膠體損傷最大方向。而實際工程中的振動荷載方向未知，這樣無法甄別損傷位置對振動荷載的敏感程度。為此，每個損傷工況在進行模態(tài)計算時，不采用直接計算的方法，而是在絕緣子底部輸入白噪聲時程，方向固定為X 向（對稱結構X、Y效果相同），通過頻譜變化就可以得到非振動方向膠體的損傷對結構自振頻率變化的影響程度。白噪聲峰值為0.1 g，g為重力加速度，圖6為白噪聲時程。

圖6 白噪聲時程

2.1 高度損傷因子H

高度損傷因子H代表了發(fā)生在法蘭高度方向上或在給定的法蘭截面方向上產(chǎn)生的一種膠體損傷，而膠體對高度方向的橫向損傷則為由法蘭上端至底部的正角度，即膠體自上而下的損傷?；诖耍梢杂缮现料露x一個預設損傷，越向下?lián)p傷越嚴重。為減少影響因素，可假設膠體在周向沒有預設損傷。本文中法蘭寬度的適用范圍為200 mm，并以膠體破裂前高度范圍的每20 mm為一單元逐層遞減，破壞后的膠體高度的適用寬度范圍為20～200 mm，從而可得到H的寬度范圍為0～1，其中0 代表膠體完全無損傷，而1 則代表90%的膠體發(fā)生了破壞。表2 為高度損傷對應表和不同高度損傷指標對應的膠體有限元模擬。

根據(jù)表2開展高度損傷影響因子對復合支柱絕緣子自振頻率變化的損傷影響的分析估算方法，并據(jù)此選取了其前兩個三階模態(tài)和扭曲模態(tài)為目標模態(tài)，做出了損傷影響分析曲線，由圖7（a）可得出結果：當高度損傷因子H值小于0～0.5 時，絕緣子的各運行階段中自振頻率降低的程度隨著高度損傷因子量的相對增加也并不明顯，基本都呈現(xiàn)線性指數(shù)變化；但當絕緣子的高度損傷因子H值取大于0.6時，自振頻率的下降隨H值的相對增加也會愈加顯著，下降段的傾斜度也隨之上升，并逐步呈現(xiàn)線性指數(shù)變化；而隨著振動模態(tài)階次數(shù)的進一步增大，則自振頻率值降低得更顯著。

表2 高度損傷對應

圖7 不同高度損傷因子對復合絕緣子頻率影響曲線

選擇本文比較關注的1階彎曲頻率下降曲線進行分析研究，并擬合下降曲線，從圖7（b）可以得出：當原法蘭節(jié)點膠體沿高度方向開裂，或當膠體高度損傷低于原法蘭高度50%時，復合絕緣子的基本頻率變動不大，并呈現(xiàn)線性下滑走勢；當膠體高度損傷程度超過總法蘭高度的50%時，復合絕緣子的基本頻率突變現(xiàn)象尤為突出。

2.2 轉角損傷因子Sθ

轉角損傷因子Sθ表示在給定轉角的膠體高度條件下法蘭節(jié)點在轉角周界向上的膠體面積損傷，復合絕緣子法蘭節(jié)點無論其在任何一個給定旋轉半徑方面上被破壞也都會同時受到轉角彎曲的荷載作用，從而在任何方面均可能形成破壞，損傷的隨機性較大。因此，當預先設計轉角位置的膠體破壞后，可選擇膠體圓環(huán)的任何一個為預設破壞開始位置，根據(jù)破壞位置的不同設定膠體的面積破壞，為減小干擾因子，考慮膠體在整個法蘭長度上的破壞。

膠體轉角損傷因子以36°為一單元依次遞增，假定膠體轉角損傷因子的區(qū)域面積為0°～360°，則可以得到對應的膠體轉角損傷因子Sθ范圍為0～1，0代表該膠體無明顯破損，而1代表破壞與其他膠體的連接。表3是膠體轉角損傷對應表式及針對不同膠體轉角及損傷影響因素進行的膠體轉角有限元模擬。

表3 轉角損傷對應

同高度損傷因子一樣，可以取配重絕緣子的前三階模態(tài)和扭轉模態(tài)為目標模態(tài)，并分別作出損傷影響曲線，由圖8（a）中給出的影響曲線可以得出：當轉角損傷因子范圍在0.2～0.3和0.7～0.8時，高壓支柱絕緣子自振頻率降低并隨轉角損傷因子的增加較為顯著；但當位于其他范圍內(nèi)時，絕緣子自振頻率隨轉角損傷因子的增加不顯著。

選擇本文比較關注的1階彎曲頻率下降曲線進行分析研究，并得出擬合的下降曲線，由圖8（b）可以得出：當法蘭節(jié)點膠體沿周向斷裂，并且當膠體破裂部位越接近振動輸入的方向時，自振頻率的降低速度就越大。觀察如圖9所示的第1階振型的變形云圖也可以看出：法蘭節(jié)點變化最大的部位就是振動方向的膠體，而且膠體在往復振蕩時會首先產(chǎn)生破損。

圖8 不同轉角損傷因子對復合絕緣子頻率影響曲線

圖9 膠體在振動方向的變形

對比現(xiàn)有研究［11-13］，復合絕緣子由于節(jié)點膠體損傷導致的整體結構自振頻率下降較瓷質(zhì)絕緣子更加明顯，這是由于瓷質(zhì)絕緣子節(jié)點的膠裝水泥有一定厚度，受損時只是部分脫落，依然可以具有一定剛度。但是復合絕緣子節(jié)點的膠體損傷后會直接附著在套管上，套管和法蘭之間失去連接，從而剛度會大幅度下降，即復合絕緣子節(jié)點損傷對整體結構動力特性的影響更大。

3 結論

本文以復合絕緣子為研究對象，開展膠體損傷因子變化對其結構動力特性產(chǎn)生的影響分析，得到了以下結論：

1）復合絕緣子法蘭節(jié)點處膠裝層結構中存在的界面性開裂情況往往會引起其整體結構剛度的顯著降低，導致絕緣子整體結構自振頻率降低，并可能會大幅度降低復合絕緣子法蘭節(jié)點部分截面的抗彎曲剛度。

2）膠體的開裂特點主要集中表現(xiàn)于沿法蘭高度方向的開裂和沿法蘭轉角方向的開裂，法蘭節(jié)點彎曲和剛度的變化都與該膠體的開裂點高度呈非線性關系，即該膠體通常會先從法蘭節(jié)點的上部開始向下慢慢開裂，法蘭剛度將隨之下降且速度越來越快。

3）膠體轉角方向開裂面積與法蘭節(jié)點的彎曲剛度的下降幅值之間呈線性關系，振動方向的膠體損壞對法蘭剛度影響最大。