復合絕緣子壓接接頭模擬極端氣溫力學試驗分析

李文彬,王 勇,馮硯廳,呂亞東,李曉康

(國網河北省電力有限公司電力科學研究院,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式增長。復合絕緣子因其具有非常優異的耐污閃性能、體積小、強度大等優點,被廣泛用作輸電系統外絕緣器具[1]。復合絕緣子起到懸掛與支撐導線的作用,其兩端金具與芯棒聯接的可靠程度直接關系到輸電線路的運行安全。根據以往的運行經驗,復合絕緣子故障主要是由雷擊閃絡、冰閃等引發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生概率較低,但一經發生往往導致較大惡性事故[2]。

隨著復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,復合絕緣子性能是否穩定便越來越被關注。國內復合絕緣子金具與芯棒的聯接方式普遍采用性能較為穩定的內楔聯接界面結構。近年來,為了簡化界面結構,實現組裝機械化,提高工作效率和降低產品成本,壓接式復合絕緣子被大量生產及應用。

目前復合絕緣子的力學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]。隨著全球能源互聯網建設發展,輸電線路使用條件可以出現在極為炎熱的赤道地帶,也可能出現在極寒地區,在這些極端氣溫下,常用的線路工程材料力學性能否滿足工程應用,特別是復合絕緣子金具與芯棒壓接部位是否適應極端氣溫的變化,目前國內相關研究還很少。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 試驗設備

1.1 復合絕緣子

試驗選用6根某公司生產的FXBW-110/100及FXBW4-110/100復合絕緣子,掛網運行9年后的絕緣子,型號中F代表復合硅橡膠材料,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。復合絕緣子的結構高度H為1 240 mm,最小電弧距離h為1 165 mm。復合絕緣子示意見圖1。

圖1 復合絕緣子示意

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。主架由左右兩側的七組側架、油缸安裝端頭、導軌、齒條組成;變距移動小車包含行走驅動裝置和插銷裝置,用于實現變距和自動插銷;泵站配置有低壓泵和高壓泵,低壓泵的關鍵作用是微調油缸活塞桿的推出和縮回,以便準確連接試品,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,實現閉環控制;傳感器連接組件采取鉸鏈接,有一定上下左右轉動和移動的自由度,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

復合絕緣子壓接接頭處用徑向擠壓力令金具發生一定量的塑性形變,在芯棒和金具的接觸面上產生設定值的預壓力,此時也會導致芯棒隨之發生一定量彈性形變。復合絕緣子承擔載荷時,其連接強度來源于兩點,一是預壓力產生的軸向摩擦力,二是發生塑性形變的金具腔體內側與彈性形變芯棒結合面存在的軸向剪切力[9]。

2.2 載荷分析

運行中復合絕緣子載荷由兩部分組成,一是其牽引金屬導線所產生的靜態、拉伸性載荷,二是架空導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,即波節不動、波腹上下交替循環變化。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,振動產生交替變化的彎曲應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力及變化,聚焦靜態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,復合絕緣子截面上應力最大值應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生的正應力;σb為風振動載荷在橫截面上產生的最大正應力;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為風載導致的彎矩;ymax為正應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,絕緣子正常狀態的強度應滿足

式中:σu為復合絕緣子能承受的極限應力。

3 試驗分析

3.1 試驗方法

試驗方法主要包含冷熱循環試驗與拉斷試驗。冷熱循環試驗的主要目的是測試復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;拉斷試驗是對冷熱循環后的復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 復合絕緣子冷熱循環試驗示意

在試驗過程中復合絕緣子臥式拉力試驗機提供100 k N的持續拉力載荷,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,考察復合絕緣子壓接接頭有無脫落失效現象發生。本次試驗6根復合絕緣子,均未發生接頭滑脫與絕緣子斷裂現象,試驗溫度見表2。

表2 復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現位移隨冷熱交替而進行變化,即冷卻時收縮,加熱時伸長,側面反映了模擬極端氣溫產生的作用。部分復合絕緣子冷熱交替試驗過程中位移變化見圖4。

圖4 部分復合絕緣子移變化

3.3 拉斷試驗

對進行冷熱交替循環后的復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 結論

復合絕緣子壓接接頭外層是鋁合金材質,芯棒為玻璃纖維復合環氧樹脂材質,兩者膨脹系數不同,會導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,對復合絕緣子壓接接頭模擬極端氣溫力學試驗分析,在額定載荷拉力下對兩種型號的6根復合絕緣子進行了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合絕緣子壓接接頭握緊力是否滿足要求提供依據,具有重要工程價值。