復(fù)合絕緣子壓接接頭模擬極端氣溫力學(xué)試驗分析

李文彬,王 勇,馮硯廳,呂亞東,李曉康

(國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

近年來,我國超高壓、特高壓輸電線路投運里程爆發(fā)式增長。復(fù)合絕緣子因其具有非常優(yōu)異的耐污閃性能、體積小、強度大等優(yōu)點,被廣泛用作輸電系統(tǒng)外絕緣器具[1]。復(fù)合絕緣子起到懸掛與支撐導(dǎo)線的作用,其兩端金具與芯棒聯(lián)接的可靠程度直接關(guān)系到輸電線路的運行安全。根據(jù)以往的運行經(jīng)驗,復(fù)合絕緣子故障主要是由雷擊閃絡(luò)、冰閃等引發(fā)的電氣性能方面故障;很少有芯棒斷裂(包括普通斷裂、脆性斷裂和酥朽斷裂等)類機械性能故障。雖然機械性能方面故障發(fā)生概率較低,但一經(jīng)發(fā)生往往導(dǎo)致較大惡性事故[2]。

隨著復(fù)合絕緣子使用量的增長、電壓等級的升高以及服役年限的增加,復(fù)合絕緣子性能是否穩(wěn)定便越來越被關(guān)注。國內(nèi)復(fù)合絕緣子金具與芯棒的聯(lián)接方式普遍采用性能較為穩(wěn)定的內(nèi)楔聯(lián)接界面結(jié)構(gòu)。近年來,為了簡化界面結(jié)構(gòu),實現(xiàn)組裝機械化,提高工作效率和降低產(chǎn)品成本,壓接式復(fù)合絕緣子被大量生產(chǎn)及應(yīng)用。

目前復(fù)合絕緣子的力學(xué)性能的檢測還限于常溫檢測[3-5]。加拿大De Claude博士等人進行了復(fù)合絕緣子長期機械耐受試驗后的殘余強度研究,并對加拿大運行多年的一些復(fù)合絕緣子進行了短時機械破壞試驗,測取其殘余機械強度[68]。隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)發(fā)展,輸電線路使用條件可以出現(xiàn)在極為炎熱的赤道地帶,也可能出現(xiàn)在極寒地區(qū),在這些極端氣溫下,常用的線路工程材料力學(xué)性能否滿足工程應(yīng)用,特別是復(fù)合絕緣子金具與芯棒壓接部位是否適應(yīng)極端氣溫的變化,目前國內(nèi)相關(guān)研究還很少。本文采用臥式變距計算機型拉力試驗機(簡稱“臥式拉力試驗機”)對110 k V復(fù)合絕緣子在額定載荷保持下施加模擬極端氣溫條件,檢測金具與芯棒壓接部位受力情況,并進行性能分析,驗證其安全裕度。

1 試驗設(shè)備

1.1 復(fù)合絕緣子

試驗選用6根某公司生產(chǎn)的FXBW-110/100及FXBW4-110/100復(fù)合絕緣子,掛網(wǎng)運行9年后的絕緣子,型號中F代表復(fù)合硅橡膠材料,X代表懸掛,B代表球窩鏈接方式,W代表大小傘,4代表序列號,110代表110 k V專用,100代表拉力100 k N。復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)高度H為1 240 mm,最小電弧距離h為1 165 mm。復(fù)合絕緣子示意見圖1。

圖1 復(fù)合絕緣子示意

1.2 臥式拉力試驗機

試驗采用最大量程為2 000 k N的臥式拉力試驗機。該臥式拉力試驗機由主架、變距移動小車、油缸移動小車、液壓泵站、計算機控制柜、電器控制柜、500 k N力傳感器、位移傳感器、傳感器連接組件等組成。主架由左右兩側(cè)的七組側(cè)架、油缸安裝端頭、導(dǎo)軌、齒條組成;變距移動小車包含行走驅(qū)動裝置和插銷裝置,用于實現(xiàn)變距和自動插銷;泵站配置有低壓泵和高壓泵,低壓泵的關(guān)鍵作用是微調(diào)油缸活塞桿的推出和縮回,以便準(zhǔn)確連接試品,高壓泵用于試品加載和卸載;傳感器檢測力值并將其反饋到控制柜,實現(xiàn)閉環(huán)控制;傳感器連接組件采取鉸鏈接,有一定上下左右轉(zhuǎn)動和移動的自由度,以保證試驗樣品和油缸活塞桿自動找正。

2 試驗原理

2.1 壓接原理

復(fù)合絕緣子壓接接頭處用徑向擠壓力令金具發(fā)生一定量的塑性形變,在芯棒和金具的接觸面上產(chǎn)生設(shè)定值的預(yù)壓力,此時也會導(dǎo)致芯棒隨之發(fā)生一定量彈性形變。復(fù)合絕緣子承擔(dān)載荷時,其連接強度來源于兩點,一是預(yù)壓力產(chǎn)生的軸向摩擦力,二是發(fā)生塑性形變的金具腔體內(nèi)側(cè)與彈性形變芯棒結(jié)合面存在的軸向剪切力[9]。

2.2 載荷分析

運行中復(fù)合絕緣子載荷由兩部分組成,一是其牽引金屬導(dǎo)線所產(chǎn)生的靜態(tài)、拉伸性載荷,二是架空導(dǎo)線舞動引起并傳遞而來的振動性彎曲載荷。其中,振動主要是正弦波形的駐波振動,即波節(jié)不動、波腹上下交替循環(huán)變化。金具剛性要高于芯棒,因此可把芯棒看作是以金具連接點為固定連接的懸臂梁,振動產(chǎn)生交替變化的彎曲應(yīng)力就作用在金具和芯棒的連接部位。所以,要分析金具與芯棒連接部位的應(yīng)力及變化,聚焦靜態(tài)拉伸載荷和振動彎曲載荷即可[5]。

在拉伸和彎曲組合形變情況下,復(fù)合絕緣子截面上應(yīng)力最大值應(yīng)存在于離中性軸最遠點,也就是芯棒表面,絕緣子承受的最大正壓力為

式中:σp為拉伸性載荷在橫截面上產(chǎn)生的正應(yīng)力;σb為風(fēng)振動載荷在橫截面上產(chǎn)生的最大正應(yīng)力;F為軸向的拉伸載荷;A為芯棒的橫截面積,A=πD2/4;其中,D為芯棒的橫截面直徑;Mz為風(fēng)載導(dǎo)致的彎矩;ymax為正應(yīng)力所在點距離中性軸的最大距離;Iz為芯棒橫截面的慣性矩,Iz=πD2/64;Wz為抗彎截面模量,Wz=Iz/ymax。如需計入復(fù)合絕緣子自重帶來的彎矩,可包含在Mz中進行計算。

在彎曲拉伸組合形變情況下,絕緣子正常狀態(tài)的強度應(yīng)滿足

式中:σu為復(fù)合絕緣子能承受的極限應(yīng)力。

3 試驗分析

3.1 試驗方法

試驗方法主要包含冷熱循環(huán)試驗與拉斷試驗。冷熱循環(huán)試驗的主要目的是測試復(fù)合絕緣子在一定載荷保持下處于極端氣溫時的性能與狀態(tài);拉斷試驗是對冷熱循環(huán)后的復(fù)合絕緣子進行拉斷破壞試驗,檢測其是否具有足夠的安全裕度。

3.2 冷熱循環(huán)試驗

試驗時采用臥式拉力試驗機的500 k N力傳感器和位移傳感器,將試驗用復(fù)合絕緣子通過過渡連接夾具與拉力小車連接在一起,試驗示意見圖2。

圖2 復(fù)合絕緣子冷熱循環(huán)試驗示意

在試驗過程中復(fù)合絕緣子臥式拉力試驗機提供100 k N的持續(xù)拉力載荷,壓接接頭通過澆熱水、澆液氮的方式來模擬極端氣溫。試驗過程中通過熱成像儀記錄壓接接頭的溫度變化情況,壓接接頭熱成像記錄見圖3。由于熱成像儀最低測量溫度為-30℃,在壓接接頭澆液氮后熱成像儀溫度顯示＜-30℃,液氮沸點溫度為-196.56℃,所以實際壓接接頭澆液氮后的溫度遠低于-30℃。

圖3 壓接接頭熱成像圖

試驗時臥式拉力試驗機將復(fù)合絕緣子保持額定拉力載荷100 k N的作用下,壓接接頭冷熱交替試驗過程如下:在壓接接頭處澆液氮冷卻,直至熱成像儀對壓接接頭溫度顯示穩(wěn)定在＜-30℃時停止冷卻,停止液氮冷卻后壓接接頭＜-30℃保持時長1 min后馬上澆熱水升溫,升溫至80℃穩(wěn)定1 min,第1次冷熱交替完成。對于每個壓接接頭在100 k N拉力下冷熱交替3次,考察復(fù)合絕緣子壓接接頭有無脫落失效現(xiàn)象發(fā)生。本次試驗6根復(fù)合絕緣子,均未發(fā)生接頭滑脫與絕緣子斷裂現(xiàn)象,試驗溫度見表2。

表2 復(fù)合絕緣子壓接接頭試驗記錄

在交替冷卻與加熱過程中,由于對絕緣子施加額定載荷進行保載,臥式拉力試驗機上可以發(fā)現(xiàn)位移隨冷熱交替而進行變化,即冷卻時收縮,加熱時伸長,側(cè)面反映了模擬極端氣溫產(chǎn)生的作用。部分復(fù)合絕緣子冷熱交替試驗過程中位移變化見圖4。

圖4 部分復(fù)合絕緣子移變化

3.3 拉斷試驗

對進行冷熱交替循環(huán)后的復(fù)合絕緣子進行拉斷破壞試驗。選取編號為07529343、型號為FXBW-110/100的復(fù)合絕緣子在壓接接頭溫度為37.8℃進行拉斷破壞試驗,在拉斷過程中通過熱成像儀可以看到在壓接接頭處存在升溫,試驗熱成像見圖5。破壞形式為芯棒滑脫,芯棒滑脫后壓接金具溫度最高升至44.4℃,拉斷力為160 k N,破壞值與額定負荷之比為1.6,仍具有足夠的安全裕度。

圖5 接頭拉斷試驗熱成像圖

4 結(jié)論

復(fù)合絕緣子壓接接頭外層是鋁合金材質(zhì),芯棒為玻璃纖維復(fù)合環(huán)氧樹脂材質(zhì),兩者膨脹系數(shù)不同,會導(dǎo)致極端溫度下握緊力的變化。本文采用液氮冷卻及熱水加熱的方式模擬極端氣溫條件,對復(fù)合絕緣子壓接接頭模擬極端氣溫力學(xué)試驗分析,在額定載荷拉力下對兩種型號的6根復(fù)合絕緣子進行了3次冷熱交替試驗,冷卻溫度＜-30℃,加熱溫度約80℃,絕緣子壓接接頭均完好無損。隨機抽取1根冷熱交替試驗后的復(fù)合絕緣子進行拉斷破壞試驗,破壞形式為冷熱交替的壓接接頭滑脫,破壞值與額定負荷之比為1.6,表明極端氣溫試驗后復(fù)合絕緣子仍具有足夠的安全裕度。通過試驗為檢測極端條件下復(fù)合絕緣子壓接接頭握緊力是否滿足要求提供依據(jù),具有重要工程價值。